цифровая электроника
вычислительная техника
встраиваемые системы

 
» » Что такое скорость нарастания сигнала операционного усилителя и зачем ее нужно знать

Что такое скорость нарастания сигнала операционного усилителя и зачем ее нужно знать

Автор: Mike(admin) от 3-03-2020, 23:55

Что такое скорость нарастания (slew rate) в операционных усилителях и как ее узнать? В этой статье мы дадим ответ на эти вопросы, определим скорость нарастания сигнала, поговорим о ее причинах и сопоставим ее с параметром пропускной способности.


Во-первых, давайте рассмотрим разницу между идеальным и реальным операционными усилителями, чтобы понять, как скорость нарастания может выявить различия между двумя этими видами.


Когда мы впервые изучаем операционные усилители, мы обычно рассматриваем достаточно точную идеальную модель, которая упрощает анализ и помогает нам развить интуитивное понимание функциональности операционных усилителей. На следующей схеме показаны характеристики этого идеализированного операционного усилителя.


Что такое скорость нарастания сигнала операционного усилителя

Когда мы анализируем схему, используя идеальную модель, мы делаем следующие предположения:


  • Ток не течет во входные контакты операционного усилителя или из них
  • Усиление в разомкнутом контуре операционного усилителя бесконечно и не имеет частотной зависимости
  • Выходное сопротивление равно нулю

В конце концов, мы должны смириться с неидеальностями операционных усилителей, которые влияют как на статические, так и на динамические характеристики. Ток проходит через входные контакты, коэффициент усиления разомкнутого контура не бесконечен, выходной импеданс не равен нулю, а частота входного сигнала влияет на характеристики выходного сигнала.


В этой статье мы собираемся сосредоточиться на ограничении операционного усилителя, которое влияет на динамический отклик, и, возможно, про него легко забыть, поскольку в большинстве случаев его влияние на работу схемы менее заметно и менее существенно, чем влияние частотной характеристики операционного усилителя без обратной связи. Эта неидеальность называется скоростью нарастания сигнала.


Скорость нарастания – это максимальная скорость изменения напряжения, которое может генерироваться выходной схемой операционного усилителя. Она измеряется как напряжение относительно времени, и типичная единица измерения, используемая в документации – это вольт в микросекунду (В/мкс).


Допустим, у вас есть операционный усилитель и подается входной сигнал, который в идеальной среде генерирует выходной сигнал с наклоном 10 В/мкс. Если скорость нарастания сигнала операционного усилителя составляет 2 В/мкс, выходной сигнал будет отражать поведение влияние этого параметра операционного усилителя, а не ожидаемый выходной сигнал. Когда операционный усилитель находится в этом состоянии с ограниченной скоростью нарастания, выходной сигнал представляет собой линейное изменение с наклоном, равным скорости нарастания.


Что такое скорость нарастания сигнала операционного усилителя

Полное объяснение скорости нарастания на уровне транзистора выходит за рамки этой статьи, но в целом это явление возникает из двух характеристик динамического отклика операционного усилителя. Во-первых, здравый смысл подсказывает нам, что выход операционного усилителя не может мгновенно реагировать на изменение входа. Таким образом, мы имеем неизбежную задержку от изменения входа до изменения выхода. Во-вторых, когда операционный усилитель подключен в конфигурации с отрицательной обратной связью, эта задержка в некоторых случаях приведет к большой разнице между напряжением, приложенным к инвертирующему входному контакту, и напряжением, приложенным к неинвертирующему входному контакту. Это большое дифференциальное напряжение изменяет поведение входного каскада дифференциальной пары таким образом, что выходное напряжение линейно увеличивается (или уменьшается), то есть Vвых(t) = SR × t. На скорость нарастания (SR) также сильно влияет величина компенсационной емкости.


На первый взгляд может показаться, что скорость нарастания – это просто проявление ограничений полосы пропускания операционного усилителя во временной области. Можно предположить, что когда мы работаем с синусоидальными сигналами, операционный усилитель теряет усиление на высоких частотах, а когда мы работаем с переходными процессами, тот же базовый механизм ограничивает максимальную скорость изменения выходного сигнала. Тем не менее, важно признать, что частотная характеристика и скорость нарастания являются различными явлениями и что эффекты этих двух явлений существенно различаются.


Поля в передаточной функции операционного усилителя приводят к типичному поведению фильтра нижних частот, амплитуда сигнала уменьшается с увеличением частоты и происходит сдвиг фазы. Но эти эффекты являются линейными, и, следовательно, они не вносят искажения в выходной сигнал. Нарастание сигнала с другой стороны, является нелинейным эффектом. Если синусоидальный входной сигнал, умноженный на коэффициент усиления операционного усилителя, приводит к наклону, который больше скорости нарастания операционного усилителя, часть выходного сигнала будет прямой линией, а не изогнутой частью синусоиды. Таким образом, нарастание может изменить форму сигнала и, следовательно, является источником искажения, а не просто изменения амплитуды или фазы.


Огромный выбор операционных усилителей, доступных в настоящее время для инженеров, охватывает очень широкий диапазон скоростей нарастания. Некоторые устройства предлагают несколько вольт в микросекунду или даже меньше, а другие предлагают сотни вольт в микросекунду. Если вы разрабатываете схему, в которой используются переходные сигналы, синусоиды высокой амплитуды или цифровые сигналы, подумайте о скорости нарастания, прежде чем выбрать операционный усилитель.


Что такое скорость нарастания сигнала операционного усилителя

Этот график, взятый из документации на LTC6228, усилителя с высокой скоростью нарастания скорости от Linear Tech / Analog Devices, демонстрирует, что различные параметры влияют на характеристики скорости нарастания.


Как показано в таблице ниже, существует тесная связь между потреблением тока и скоростью нарастания. Вам нужно будет сделать тщательный отбор компонентов, если вы хотите иметь хорошие характеристики скорости нарастания в конструкции с очень низким энергопотреблением.


Таблица выбора ОУ

Мы надеемся, что эта статья обеспечила фундаментальное понимание скорости нарастания и ее роли в работе операционных усилителей.




© digitrode.ru


Теги: операционный усилитель




Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.

Комментарии:

Оставить комментарий