Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Zrozumieć czas narastania - ograniczenie prędkości dla wzmacniaczy operacyjnych

ghost666 03 Sep 2013 10:48 7041 0
  • Zachowanie dynamiczne wzmacniaczy operacyjnych jest bardzo ciekawe, jednakże często źle rozumiane. Jako że to niesamowicie interesujący temat przyjrzyjmy mu się bliżej.

    Układy znajdujące się na wejściu wzmacniacza operacyjnego pracują zazwyczaj przy bardzo niewielkiej różnicy napięć na wejściu - w wzmacniaczu idealnym różnica ta wynosi zero. Jednakże nagła zmiana sygnału wejściowego powoduje tymczasową zmianę tych napięć i powstanie błędu różnicowego na wejściu (różnica napięć na wejściach). To powoduje iż wyjście wzmacniacza operacyjnego stara stara się nadążyć za błędem, tak aby go zminimalizować. Im większa jest zmiana tym szybciej napięcie na wyjściu się zmienia... oczywiście do czasu dopóki błąd różnicowy na wejściu jest dostatecznie duży aby wymusić zmianę napięcia wyjściowego z układu.

    Jeśli różnica napięć na wejściu jest dostatecznie duża to szybkość narastania jest już na prawdę wyśrubowana. W takiej sytuacji większa amplituda na wejściu układu nie spowoduje zwiększenia się szybkości narastania sygnału wyjściowego. Na poniższym schemacie pokazana jest uproszczona budowa wzmacniacza operacyjnego, co pozwoli na wytłumaczenie dlaczego tak się dzieje.

    Zrozumieć czas narastania - ograniczenie prędkości dla wzmacniaczy operacyjnych


    Z stałym napięciem na wejściu układu z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego różnica napięć na wejściach układu wynosi zero. Stopień wejściowy układu jest w takiej sytuacji zbalansowany i prąd IS1 rozpływa się równo po obu tranzystorach stopnia wejściowego. Jeśli na wejście podamy funkcje schodkową o amplitudzie Vin, nie mniejszej niż 350 mV dla pokazanego układu, prąd IS1 zacznie płynąć przez jeden z tranzystorów stopnia wejściowego i ładować (albo rozładowywać) kondensator kompensujący Millera, oznaczony na schemacie C1. Czas narastania napięcia na wyjściu układu zależny jest zatem od szybkości ładowania tego kondensatora prądem IS1. Prędkość narastania wyniesie zatem IS1/C1.

    Istnieją oczywiście wariacje na temat tego układu. Wzmacniacze operacyjne zaprojektowane z zwiększoną prędkością narastania posiadają dodatkowe źródła prądowe, które załączane są po wykryciu narastania i pozwalają szybciej naładować kondensator C1, jednakże nadal czas narastania jest niezerowy. Co więcej dodatni i ujemny czas narastania (czyli prędkość narastania i opadania) nie muszą być takie same. Wartości tych prędkości są do siebie zbliżone w przypadku pokazanym powyżej, jednakże w pewnych układach wartości te mogą znacznie od siebie odbiegać. Wartość napięcia przyłożonego do stopnia wejściowego układu, która spowoduje przejście ukłądu w tryb narastania, zależna jest od konstrukcji. W powyższym układzie wynosi ona 350 mV, a zazwyczaj mieści się w granicy od 100 mV do 1 V, zależnie od wybranego wzmacniacza operacyjnego.



    Gdy układ znajdzie się w trybie narastania nie jest w stanie odpowiadać na dalsze zwiększanie sygnału wejściowego. Stopień wejściowy zostaje w takiej sytuacji przesterowany, a prędkość zmian na wyjściu jest maksymalna. Jednakże gdy błąd różnicowy na wejściu zmniejszy się, układ powraca do zakresu liniowego pracy. Prędkość zmian zmniejsza się wraz z zmniejszeniem się co powoduje delikatne ustabilizowanie się wyjścia.

    Nie ma nic złego w wykorzystywaniu wzmacniacza operacyjnego w takim trybie - nie uszkodzi się on, a projekt nie będzie niepoprawny. Jednakże pamiętać należy iż takie zachowanie układu może spowodować wprowadzenie znacznych zniekształceń do sygnału, na przykład sinusoidalnego. Częstotliwość i/lub amplituda sygnału wejściowego musi być ściśle kontrolowana, tak aby czynniki te nie przekroczyły możliwości wzmacniacza. Poniższy wykres obrazuje że maksymalne nachylenie zbocza przebiegu sinusoidalnego jest proporcjonalne od Vp i częstotliwości tego przebiegu. Przy przekroczeniu prędkości narastania o 20 % przebieg wyjściowy zaczyna przypominać już przebieg trójkątny, a nie sinusoidalny.

    Zrozumieć czas narastania - ograniczenie prędkości dla wzmacniaczy operacyjnych


    Przebiegu prostokątne o dużej amplitudzie charakteryzują się bardzo szybkimi czasami narastania i opadania sygnałów, Zaobserwować można delikatnie "zaokrąglenie" rogów takiego przebiegu po przejściu przez układ pokazany na pierwszym rysunku. Wynika to z faktu iż w zakresie małych błędów różnicowych (czyli pod koniec narastania/opadania sygnału wyjściowego) liniowo zmniejsza się prędkość zmiany sygnału wyjściowego, tak jak pokazano na wykresie na pierwszym rysunku powyżej.

    W układzie wzmacniacz nieodwracającego co najmniej 350 mV różnicy pomiędzy wejściami potrzebne jest aby wprowadzić stopień wejściowy w stan przesterowania, a cały wzmacniacz w stan narastania. Jest to niezależne od wzmocnienia. Poniższy obrazek pokazuje zachowanie układu wzmacniacza operacyjnego w aplikacji z wzmocnieniem równym 1, 2 oraz 4 V/V przy sygnale o skoku 1 V. Prędkość narastania jest taka sama dla każdego wzmocnienia.

    Zrozumieć czas narastania - ograniczenie prędkości dla wzmacniaczy operacyjnych


    Dla wzmocnienia równego 1 przebieg wyjściowy przechodzi do powolnego narastania podczas finalnych 350 mV zmiany sygnału. Dla wzmocnieni równych 2 i 4 fragment ten, gdzie układ zachowuje się liniowo jest odpowiednio 2i 4 razy większy z uwagi na większe tłumienie sygnału błędu przekazywane poprzez sprzężenie zwrotne na wejście wzmacniacza operacyjnego. Przy aplikacji tego wzmacniacza w układzie z wzmocnieniem 50 V/V najpewniej układ w ogóle nie wszedłby w stan szybkiego narastania, gdyż sygnał który wygenerowałby 350 mV błędu różnicowego na wyjściu najpewniej od razu przesterowałby driver wyjściowy układu.

    Prędkość narastania jest zazwyczaj specyfikowana w V/µs z uwagi na czynniki historyczne. Wynika to z faktu że pierwsze układy miały czasy narastania właśnie rzędu 1 V/µs. Teraźniejsze szybkie układy osiągają czasami 1000 V/µs, jednakże nie spotyka się zapisu 1 kV/µs. Analogicznie układy dedykowane do aplikacji o minimalnym poborze mocy często charakteryzują się prędkością narastania tak niską jak 0,02 V/µs jednakże nie pisze się 20 mV/µs ani 20 V/ms. Niektóre rzeczy są jakie są i nie ma potrzeby tego rozumieć :-).
    Źródła:
    http://www.edn.com/electronics-blogs/the-signal/4415482/Slew-Rate-the-op-amp-speed-limit

    Cool? Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11093 posts with rating 9408, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.