10.1.1. Внутренняя частотная коррекция. Многие типы операционных усилителей общего и специального назначения имеют внут реннюю (встроенную) коррекцию, т. е. изготовителями в схему таких ОУ включен конденсатор малой емкости, обычно 30 пФ. Такой: конденсатор внутренней частотной коррекции предотвращает генерацию ОУ на высоких частотах. Это происходит за счет уменьшения усиления ОУ с ростом частоты. Если бы коррекция отсутствовала, то коэффициент усиления и сдвиг сигнала по фазе были бы достаточно велики на некоторой высокой частоте, чтобы любой сигнал на ^выходе, будучи подан обратно на вход, вызывал генерацию (см. приложение 1).
Из основ теории цепей известно, что реактивное сопротивление конденсатора с ростом частоты падает: Хс == 1/(2jcJfС). Например,, если частота увеличивается в 10 раз, емкостное сопротивление в 10 раз уменьшается. Поэтому не удивительно, что при десятикратном увеличении частоты входного сигнала коэффициент усиления
ОУ по напряжению становится в 10 раз меньше. Интервал частот, на котором частота изменяется в 10 раз, называется декадой. Изготовители представляют частотную зависимость усиления ОУ без •обратной связи в виде кривой, называемой амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) без ОС. Эта характеристика называется также малосигнальной.
10.1.2. Амплитудно-частотная характеристика. На рис. 10.1 представлена АЧХ, типичная для ОУ с внутренней коррекцией, таких, /как ОУ 741 и 747 (см. также приложения 1 и 2). На низких частотах (менее 0,1 Гц) коэффициент усиления без ОС очень велик. Типичное значение его равно 200 000 (106 дБ), и именно эта величина записывается в спецификацию в том случае, когда в ней приводится АЧХ.
Точка А на рис. 10.1 фиксирует сопрягающую частоту (переги ба), на которой коэффициент усиления по напряжению составляет 0,707 его значения на очень низких частотах. Следовательно, в точке А (где частота Евх равна 5 Гц) коэффициент усиления по напряжению равен 140 000 (0,707-200 000).
Рис. 10.1 Зависимость коэффициента усиления ОУ без обратной связи от частоты
Значения переменных в точках С и D показывают, что усиление падает в 10 раз при увеличении частоты в 10 раз. Об изменении усиления или частоты в 10 раз более принято говорить как: об изменении на декаду («декада» значит десять). На правой оси ординат графика рис. 10.1 даны значения коэффициента усиления по напряжению в децибелах (дБ). Усиление по напряжению при: увеличении частоты на одну декаду уменьшается на 20 дБ. Именно поэтому про участок АЧХ от Л до Л говорят, что здесь кривая имеет спад в — 20 дБ/декада. Другое обозначение того же факта: спад в 6 дБ/октава («октава» означает изменение частоты в 2 раза). Следовательно, всякий раз, когда частота удваивается, усиление по напряжению уменьшается на 6 дБ.
10.1.3. Полоса единичного усиления. Точка В на рис. 10.1 обозначает полосу единичного усиления ОУ на малом сигнале. Она расположена на частоте, где коэффициент усиления по напряжению без ОС равен 1.
В паспортах на некоторые ОУ не приводится значение полосы: единичного усиления или кривой, подобной рис. 10.1. Взамен в них указывается другой параметр, называемый временем нарастания переходного процесса (при единичном усилении). Для ОУ 741 этот параметр имеет типичное значение 0,25 мкс и максимальное 0,8 мкс. Полоса пропускания В вычисляется по времени нарастания как
где В измеряется в герцах, a tu — в секундах. Понятие времени нарастания определено в разд. 10.1.4.
Пример 10.1. ОУ 741 имеет время нарастания, равное 0,35 мкс. Найти ширину полосы пропускания на малом сигнале (полосу единичного усиления).
Решение. Из уравнения (10.1)
Пример 10.2j Чему равен коэффициент усиления ОУ из предыдущего при мера без обратной связи на частоте 1 МГц?
Решение. Из определения В следует, что коэффициент усиления равен 1.
Пример 10.3. Чему равен коэффициент усиления без ОС того же ОУ, что и в примерах 10.1 и 10.2, на частоте 100 кГц?
Решение. Из рис. 10.1 видно, что при уменьшении частоты в 10 раз усиле ние становится больше во столько же раз. Следовательно, поскольку по сравне
нию с примером 10.2 частота уменьшилась на декаду (с 1 МГц до 100 кГц), коэффициент усиления должен увеличиваться также на декаду — от 1 (при 1 МГц) до 10 (при 100 кГц).
Пример 10.3 подводит к выводу, что если мы разделим полосу единичного усиления В на частоту входного сигнала /, то получим в результате коэффициент усиления ОУ на данной частоте сигнала. Или математически:
Пример 10.4. Чему равен коэффициент усиления без обратной связи ОУ, (который имеет полосу единичного усиления 1,5 МГц, для сигнала частотой •/кГц?
Решение. Из выражения (10.2) усиление без ОС на 1 кГц равно
Данные, представленные на рис. 10.1, полезны для изучения ^изложенных выше понятий, но вполне возможно, что они не подойдут к имеющемуся у вас операционному усилителю. Например, в то время как типичным является коэффициент усиления без ОС, равный 200 000, изготовитель недорогого О У гарантирует усиление не менее 20 000. Этой величины, однако, может быть до-•статочно для ваших целей. Подробно этот вопрос рассмотрен в разд. 10.2.
10.1.4. Время нарастания. Пусть напряжение £вхна входе усилителя с единичным усилением изменяется очень быстро (т. е. имеет вид прямоугольного или импульсного сигнала). В идеальном •случае Еъх должно было бы изменяться от 0 до +20 мВ мгновенно; на практике на такое изменение требуется несколько наносекунд (см. приложение 1). При коэффициенте усиления, равном единице, сигнал на выходе также должен был бы изменяться с 0 до +20 мВ за те же несколько наносекунд. Однако на прохождение (распространение) сигнала через все транзисторы ОУ требуется время. Время требуется также на нарастание выходного напряжения до своего конечного значения.
Время нарастания определяется как время, необходимое для нарастания выходного напряжения с 10 до 90% от своего конечного значения. В предьгдущем разделе (пример 10.1) было указано, что ОУ 741 имеет fH=0,35 мкс. Следовательно, на изменение напряжения на его выходе с 2 до 18 мВ требуется время 0,35 мкс.