Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Rzadko zadawane pytania: Szybciej, wyżej, mocniej!

ghost666 12 Lip 2016 14:45 1605 0
  • Rzadko zadawane pytania: Szybciej, wyżej, mocniej!
    Pytanie: Karta katalogowa wybranego przeze mnie do pewnej aplikacji wzmacniacza operacyjnego specyfikuje pasmo układu dla małego i dużego sygnału. Wartości te bardzo się od siebie różnią. Jak ocenić z jakim sygnałem - małym czy dużym - mam do czynienia w moim układzie?

    Odpowiedź: Jeśli mówimy o pasmie wzmacniacza operacyjnego, tak na prawdę mówimy o odpowiedzi częstotliwościowej układu w modelu małego sygnału. Model ten zakłada, że układ działa liniowo, wokół punktu polaryzacji. Innymi słowy, że wzmocnienie jest stałe, niezależnie od amplitudy przyłożonego sygnału. Gdy sygnał podawany na wzmacniacz jest dostatecznie mały, to model ten sprawdza się niemalże idealnie, różniąc się od rzeczywistego układu w sposób niemalże niezauważalny.

    Wszyscy lubią pracować z modelami, ponieważ niezwykle upraszcza to proces projektowania i analizy działania układu. Jeśli chcielibyśmy korzystać z modelu dla dużych sygnałów, to znaczy włączyć w model wszystkie nieliniowe zachowania systemu i opisujące je równania, to model taki stałby się niezwykle skomplikowany i nieprzystępny dla zwykłego śmiertelnika. Dlatego też stosuje się najczęściej model operujący na niewielkich przebiegach sinusoidalnych, które redukują poziom komplikacji obliczeń do możliwego do ogarnięcia umysłem.

    Mówiąc ściśle, nawet niewielki sygnał podany na wzmacniacz, zmienia odrobinę punkt polaryzacji tranzystora w układzie wzmacniacza. Im większy sygnał podajemy na wejście, tym trudniej jest po prostu ignorować zachodzące nieliniowo efekty, których - dla dużego sygnału - manifestacją na wyjściu są zniekształcenia. W pewnym momencie sygnał staje się zbyt duży zbyt szybko, tak, że układ dociera do granicy działania ogarniczonej maksymalną prędkością narastania (ang. slew rate) dla jakiej jest w stanie przenieść wzmocniony sygnał na wyjście. Prędkość narastania podaje się w jednostkach napięcia na jednostkę czasu, zazwyczaj w woltach na mikrosekundę (V/?s).

    W momencie gdy sygnał, jaki podajemy na wzmacniacz narasta szybciej niż pozwala na to konstrukcja układu, wzmacniacz 'nie nadąża'. Jest to punkt, gdzie układ dociera do granicy pasma dla dużych sygnałów - napięcie narasta na wyjściu zbyt wolno i nie dochodzi do wartości szczytowej, gdy sygnał na wejściu zaczyna już opadać, czego rezultatem jest mniejsza amplituda wyjściowa, niż wynikać może z napięcia na wejściu i wzmocnienia układu. Częstotliwość graniczna dla takiej sytuacji zazwyczaj usytuowana jest poniżej częstotliwości granicznej dla niewielkich sygnałów. Dodatkowo, w sytuacji gdy duży sygnał na wejściu przekracza częstotliwość graniczną sygnał wyjściowy jest zniekształcony.

    W realnym układzie oczywiście nie dzieje się to skokowo - zazwyczaj poziom zniekształceń w sygnale wzrasta wraz ze zwiększaniem amplitudy lub częstotliwości sygnału na jego wejściu. Częstotliwość graniczna w takiej sytuacji wynika zasadniczo z tego, jaki poziom zniekształceń w sygnale wyjściowym nasz układ może tolerować i zależy od dokładnej jego aplikacji i wymaganej od urządzenia specyfikacji.

    Rzadko zadawane pytania: Szybciej, wyżej, mocniej!
    Rys.1. W momencie gdy wzmacniacz o częstotliwości granicznej równej 80 MHz dotarł do warunków granicznych dla dużego sygnału, sygnał wyjściowy (czerwona krzywa) nie jest już w stanie podążyć za podawanym na wejściu przebiegiem 3 MHz (zielona krzywa).


    Skąd zatem wiedzieć, czy wybrany przez nas wzmacniacz działać będzie dostatecznie dobrze z danym sygnałem? Po pierwsze musimy upewnić się, że pasmo dla niewielkich sygnałów jest odpowiednie - jeśli jest większe, niż częstotliwość wejściowa (nawet dużego) sygnału to OK. Dalej, musimy spojrzeć na specyfikację pasma dla dużych sygnałów lub wykres obrazujący takowe - dane te znajdziemy w karcie katalogowej, jednakże nie zawsze są one podawane przez producenta, wtedy też musimy wyznaczyć prędkość narastania sygnału, jaki podajemy na wejście, korzystając z poniższego wzoru:

    Prędkość narastania [V/?s] = Amplituda szczytowa × 6.28 × Częstotliwość [MHz]


    Zasadniczo dobrą, ogólną zasadą jest wybieranie wzmacniaczy o maksymalnej częstotliwości narastania napięcia dziesięciokrotnie większej niż wymagana dla naszego sygnału. Aby dalej upewnić się, że wybieramy dobry układ do naszej aplikacji możemy sprawdzić poziom zniekształceń na wykresie, obrazującym ich amplitudę w funkcji częstotliwości i amplitudy wejściowej - znajdziemy te dane w karcie katalogowej. Pozwoli to nam upewnić się, że sygnał podawany na wejście układu jest dostatecznie mały/wolny.

    Na przykład wzmacniacz operacyjny ADA4807-1 pracujący jako wtórnik napięciowy charakteryzuje się prędkością narastania napięcia równą 225 V/?s, gdy zasilamy go napięciem symetrycznym ?5 V. Układ ten charakteryzuje się pasmem równym ok. 180 MHz, ale dla sygnałów o napięciu międzyszczytowym równym 2 Vp-p częstotliwość graniczna spada do około 36 MHz, a dla 4 Vp-p to ok. 18 MHz.

    Dodatkowo, z uwagi na to, że prędkość narastania napięcia na wyjściu układu mierzona jest poprzez podanie przebiegu schodkowego na wejście, realna prędkość dla przebiegu sinusoidalnego jest mniejsza, z uwagi że dla schodka w układzie działają dodatkowe systemy, poprawiające prędkość narastania. Karta katalogowa ADA4807-1 specyfikuje, że dla dużego sygnału o napięciu 2 Vp-p pasmo wynosić powinno około 28 MHz.

    Źródło: http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/50-04/raq_128.HTML

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    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 napisał 9418 postów o ocenie 7078, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.