Respon frekuensi amplitudo dari penguat operasional. Penguat operasional (op-amp): rangkaian dasar untuk mengganti penguat operasional; respons frekuensi amplitudo (AFC) dari op-amp; komparator op-amp Respon amplitudo-frekuensi op-amp

5.4.1. Informasi umum tentang penguat operasional

Dalam elektronik klasik, penguat operasional biasanya disebut konverter linier, yang dengannya Anda dapat melakukan berbagai operasi matematika - penjumlahan, pengurangan, integrasi, diferensiasi, dll. Ini menentukan nama penguat tersebut - operasional (menentukan), pada yang menjadi dasar, dengan memasukkan umpan balik, Anda dapat melakukan operasi matematika. Op-amp terintegrasi dirancang tidak hanya untuk melakukan operasi matematika, tetapi juga untuk melakukan konversi sinyal (amplifikasi, pemrosesan, pembangkitan sinyal).

Representasi grafis konvensional dan penunjukan fungsional op-amp ditunjukkan pada Gambar. 5.5.

Op-amp modern dibangun berdasarkan rangkaian amplifikasi langsung dengan input diferensial yang parameter listriknya sama (input invers “○” atau “−” dan input non-invers - tanpa penunjukan atau “+”) dan bipolar dorong-tarik (dalam dari segi amplitudo sinyal) keluaran. Elemen utama op-amp adalah tahap masukan, dibangun berdasarkan rangkaian penguat diferensial (DA), yang tujuannya adalah untuk memperkuat perbedaan sinyal yang diamati antara masukannya (Gbr. 5.6a). Remote control memiliki dua transistor VT1 dan VT2 dengan resistor beban kolektor R K. Arus emitor transistor ini dibentuk menggunakan generator arus stabil (GCT) I 0 yang dibuat pada transistor VT3 dan VT4. Jika parameter transistor VT1 dan VT2 identik, resistor kolektor adalah sama, asalkan sinyal inputnya kamu − = kamu + = 0 , perbedaan antara sinyal keluaran kendali jarak jauh akan sama dengan nol, karena untuk kendali jarak jauh yang ideal, arus emitor I 0 dibagi dua antara transistor VT1 dan VT2.

Dari teori penguat diferensial diketahui bahwa pada mode keseimbangan potensi setiap keluaran mempunyai level tegangan mode umum relatif terhadap ground: .

Mode keseimbangan sesuai dengan diagram (Gbr. 5.6, b) hingga titik waktu T1 . Saat muncul saat ini T1 sinyal kamu − transistor VT1 menerima lebih banyak arus bias dan arus kolektornya SAYA K 1 meningkat, dan arus transistor VT2 berkurang, karena

SAYA K 1 + SAYA K 2 = SAYA 0 . Jadi, ketika tegangan masukan U − meningkat, tegangan keluaran pada keluaran transistor pertama menurun
(peningkatan sinyal dibalik dalam fase). Pada output lain dari remote control tegangan
akan meningkat (peningkatan sinyal tidak terbalik fase). Total sinyal keluaran diferensial antara keluaran kendali jarak jauh ditentukan oleh hubungan:

Perubahan sinyal keluaran berhenti ketika semua arus I 0 mulai mengalir melalui transistor VT1. Pada waktu t2, transistor VT2 masuk ke mode cutoff. Karena resistansi masukan kendali jarak jauh berbanding terbalik dengan nilai arus operasinya I 0, arus ini biasanya disetel kecil (puluhan mikroamp), dan ini pada gilirannya menentukan penguatan kendali jarak jauh yang rendah:

Di mana
- transkonduktansi transistor bipolar. Oleh karena itu, op amp terintegrasi menggunakan tahap amplifikasi berikutnya untuk mencapai penguatan tegangan tinggi. Secara umum, penguatan tegangan sebuah op-amp sama dengan hasil kali faktor penguatan semua tahapannya:
.

Nilai absolut dari tegangan input kamu − , kamu + Dan kamu KELUAR dibatasi oleh tegangan suplai op-amp + kamu Pete Dan − kamu Pete− (≤ ± 15V). Sifat khas dari karakteristik transfer op-amp adalah sensitif terhadap perbedaan tegangan masukan dan tidak bergantung pada nilai absolutnya. Dari sifat ini berikut pengenalan dua konsep: tegangan input mode umum kamu SINF untuk komponen tegangan umum pada kedua masukannya, yang harus ditekan oleh penguat, dan tegangan masukan diferensial kamu D, yang ditanggapi oleh amplifier:

,
,

Di mana K = 1/2 atau 0.

Untuk menyederhanakan penentuan parameter op-amp, biasanya diasumsikan KE= 0, maka kamu SINF = kamu + .

Op amp terintegrasi biasanya terdiri dari tahap masukan diferensial, tahap penguatan, tahap yang mengubah keluaran dua fasa dari penguat diferensial menjadi satu fasa, dan tahap untuk pergeseran level. Pada keluaran penguat, pengikut emitor pada transistor komplementer digunakan, yang memastikan transmisi sinyal dengan polaritas positif dan negatif. Dalam op-amp modern KE 0 mencapai nilai urutan 1*10 5 atau lebih.

Saat mempertimbangkan dan menganalisis desain rangkaian berdasarkan penguat operasional dan memperoleh hubungan dasar, konsep ini sering digunakan penguat operasional yang ideal. Dalam op-amp ideal dianggap bahwa:

Penguat operasional memiliki impedansi masukan yang sangat besar dan impedansi keluaran nol;

input op-amp simetris dan tidak mengkonsumsi arus;

tegangan antara input op-amp adalah nol;

Penguatan tegangan op-amp cenderung tak terbatas, dan tegangan keluaran adalah nol jika tidak ada sinyal masukan.

5.4.2. Respon amplitudo-frekuensi dari penguat operasional

A respons frekuensi amplitudo (AFC) op-amp – ketergantungan penguatan tegangan pada frekuensi. Setiap penguat multi-saluran pada frekuensi tinggi dapat diwakili oleh rangkaian ekivalen (Gbr. 5.7), di mana generator sinyal K 0 U VX dimuat ke sejumlah rantai RC yang terintegrasi, yang jumlahnya sama dengan jumlah tahapan op-amp (R dan C masing-masing adalah konduktivitas transfer dan kapasitansi beban kaskade).

Koefisien transfer tegangan satu rantai RC:

Di mana
- frekuensi cutoff melingkar.

Dengan demikian, frekuensi cutoff
. Modul respons frekuensi rangkaian ditentukan oleh hubungan:

DI DALAM Id respons frekuensi untuk op-amp dua tahap sesuai dengan rangkaian ekivalennya ditunjukkan pada Gambar. 5.8 (kurva 1), dimana frekuensi dan penguatan diplot pada skala logaritmik. Penguatan diukur dalam desibel (1 dB = 20lgK). Mengubah frekuensi sepuluh kali (per dekade), kita memperoleh penurunan penguatan sebanyak sepuluh kali lipat (penurunan penguatan sebesar 20 dB). Seperti terlihat dari gambar, pada frekuensi rendah KE secara asimtotik mendekati nilai penguatan loop terbuka KE 0 . Ketika frekuensi meningkat melebihi frekuensi cutoff F sr1, di mana KE berkurang nilainya 0,707 K 0 (sebesar 3 dB), laju roll-off frekuensi tinggi seragam dan berjumlah 20 dB/des. Dalam penguat multistage, setiap tahap memiliki konduktivitas transfer dan kapasitansi bebannya sendiri, oleh karena itu pada frekuensinya F sr2 untuk tahap kedua kecepatan roll-off frekuensi tinggi akan menjadi 40 dB/des. Penguat operasional modern memiliki respons frekuensi yang terkoreksi, yang untuk op-amp tanpa umpan balik berbentuk kurva 2. Ketika frekuensi meningkat, penguatan turun dan grafik melintasi garis nol desibel pada frekuensi perolehan kesatuanF T. Frekuensi ini menentukan pita frekuensi aktif op-amp, di mana penguatannya K≥ 1. Produk dari frekuensi sinyal masukan dan penguatan loop terbuka KE sama dengan pita penguatan kesatuan F T = KF VX. Untuk menghilangkan distorsi fase amplitudo pada pita frekuensi tertentu, perlu dipastikan keseragaman karakteristik amplitudo pada pita tersebut. Hal ini dicapai dengan memasukkan umpan balik negatif (NFB) ke dalam op-amp. Ketika kedalaman OOS meningkat (penguatan op-amp menurun), pita frekuensi dengan karakteristik amplitudo seragam meluas (kurva 3). Rentang frekuensi dari nol hingga frekuensi batas atas F B disebut pita sandi sinyal kecil, yang terkait dengan pita penguatan kesatuan op-amp dengan rasio umpan balik F B = F T KE sistem operasi, Di mana KE sistem operasi- perolehan umpan balik.

5.4.3. Rangkaian penguat operasional

Jumlah rangkaian op-amp terus meningkat seiring dengan berkembangnya basis elemen dan munculnya op-amp baru, sehingga sangat penting untuk mengetahui prinsip-prinsip konstruksi dan analisis yang disebut dengan op-amp. khas (dasar) rangkaian peralihan op-amp. Ada tiga rangkaian dasar untuk menghubungkan penguat operasional:

Membalikkan peralihan op-amp;

Peralihan op-amp non-pembalik;

Pengaktifan diferensial pada op-amp.

Rangkaian ini adalah dasar untuk membangun rangkaian penguat operasional lainnya dan menghitung parameternya. Saat menganalisis rangkaian dasar dan menyederhanakan perhitungan parameternya, konsep penguat operasional yang ideal sering digunakan. Mari kita perhatikan rangkaian dasar untuk menghubungkan op-amp.

5.5.3.1. Membalikkan peralihan op-amp

Rangkaian ekivalen dari koneksi pembalik op-amp ditunjukkan pada Gambar. 5.9. Dalam rangkaian ini, sinyal masukan dan sinyal umpan balik disuplai ke masukan kebalikan dari op-amp. Pengenalan OOS mengarah pada fakta bahwa rangkaian sekarang memiliki penguatan umpan balik KE sistem operasi. Mari kita tentukan nilainya KE sistem operasi berdasarkan sifat-sifat op-amp ideal.

Kami menganggap tegangan antara input menjadi nol. Maka potensial masukan non invers dan potensial masukan invers sehingga potensial titik A (titik penjumlahan arus) juga sama dengan nol. Asalkan impedansi masukan op-amp R VX cukup besar, kita dapat berasumsi bahwa arus dari sumber sinyal Saya C = kamu C / R1 hanya mengalir melalui resistor umpan balik R sistem operasi, menciptakan penurunan tegangan di atasnya:

Penurunan tegangan pada resistor R sistem operasi dengan ketelitian tinggi sama dengan tegangan keluaran U OUT, karena potensial keluaran kiri resistor R sistem operasi(titik A) sama dengan nol (potensi nol buatan rangkaian). Oleh karena itu, kita dapat menulis:

.

Penguatan tegangan loop tertutup:

Tanda minus pada persamaan (4.4) menunjukkan bahwa tegangan pada keluaran op-amp tidak sefase dengan tegangan masukan. Dalam op-amp nyata, dengan mempertimbangkan nilai penguatan yang terbatas KE 0 ekspresi untuk KE sistem operasi memiliki bentuk:

. (5.5)

Resistansi masukan ketika op-amp dihidupkan secara terbalik dapat dihitung kira-kira R VX ≈ R1. Impedansi keluaran

Di mana R KELUAR.0- impedansi keluaran op-amp tanpa umpan balik.

Catatan. Resistansi RC pada rangkaian ini selanjutnya berfungsi untuk mereduksi arus bias I CM pada rangkaian penguat operasional.

5.4.3.2. Peralihan op-amp non-pembalik

Rangkaian ekivalen dari sambungan op-amp non-pembalik ditunjukkan pada Gambar. 5.10.

Di rangkaian ini, tegangan umpan balik dibuat oleh pembagi R1 – R sistem operasi :

Dengan asumsi tegangan antara input op-amp mendekati nol, kita dapat menuliskannya kamu O.C. =kamu C , dari mana penguatan tegangan:

Resistansi input ketika op-amp non-pembalik dihidupkan adalah besar dan kira-kira ditentukan oleh hubungan:

Resistansi keluaran dimana β =R1/ R O.C. .

5.4.3.3. Peralihan diferensial op-amp

Rangkaian ekivalen dari koneksi diferensial op-amp ditunjukkan pada Gambar. 5.11. Ini adalah kombinasi rangkaian switching pembalik dan non-pembalik dan memungkinkan untuk memperoleh perbedaan antara dua sinyal input dengan penguatan tertentu.

Untuk P Untuk mendapatkan penguatan tegangan rangkaian ini, kita tetap berasumsi bahwa beda tegangan pada input op-amp adalah nol, dan arus sinyal tidak bercabang ke inputnya. Mari kita buat sistem persamaan tegangan pada input invers dan non-invers:

- masukan terbalik:

, di mana tegangan pada input balik; (5.8)

- masukan non-terbalik:

Mengingat untuk op-amp ideal tegangan antar input adalah nol
, menyelesaikan secara bersama-sama (9.7) dan (9.8) kita memperoleh ekspresi untuk

tegangan keluaran:

Di mana N = R O.C. / R VX = nR/ R – penguatan penguat umpan balik. Jika hambatan pada rangkaian berbeda, maka tegangan keluaran dapat ditentukan:

5.4.3.4. Penambah

P Dengan analogi dengan rangkaian switching op-amp, penambah pembalik dan non-pembalik dibedakan. Rangkaian penambah pembalik ditunjukkan pada Gambar. 5.12. Berdasarkan prinsip superposisi, tegangan pada keluaran penambah pembalik dapat ditentukan dengan hubungan:

, Di mana K O.C. Saya = R O.C. / R Saya – koefisien transmisi sinyal masukan ke-i pada masukan pembalik. Dalam rangkaian penambah non-pembalik, tegangan input diterapkan ke input non-pembalik, dan semua resistor kecuali resistansi umpan balik R O.C. , buatlah mereka sama. Tegangan pada keluaran penambah tersebut ditentukan oleh hubungan:

5.4.3.5. Pembanding

Komparator (dari bahasa Inggris Bandingkan) adalah perangkat yang membandingkan tegangan sinyal pada salah satu masukan dengan tegangan referensi pada masukan lainnya. Ketika digunakan sebagai komparator op-amp, tegangan saturasi positif atau negatif akan diatur pada outputnya ± kamu kita. Biasanya, dalam sebuah op-amp, tegangan saturasi dan tegangan suplai dihubungkan oleh hubungan: ± kamu kita = ±0,9kamu Pete . Komparator digunakan di banyak perangkat dan sirkuit, misalnya:

Dalam pemicu atau rangkaian Schmitt yang mengubah bentuk gelombang sembarang menjadi gelombang persegi atau sinyal pulsa;

Di detektor nol - sirkuit yang menunjukkan momen dan arah lewatnya sinyal input melalui 0 V;

Dalam detektor level - rangkaian yang menunjukkan saat tegangan input mencapai level tegangan referensi tertentu,

Dalam generator bentuk gelombang segitiga atau persegi panjang, dll.

Ciri khas pembanding adalah kurangnya umpan balik lingkungan, yaitu Penguatan tegangan ditentukan oleh penguatan intrinsik KE 0 kamu.

Pada Gambar. 5.13. menunjukkan rangkaian komparator yang sensitif terhadap tegangan input (−). Dalam rangkaian ini, sinyal input disuplai ke input invers, dan input non-invers digunakan untuk mengatur tegangan referensi. kamu op. Karena kedua masukan terlibat dalam rangkaian komparator, untuk menganalisis operasinya dan perilaku tegangan keluaran, kita harus menggunakan

perkenalkan rangkaian switching dasar ketiga - switching diferensial dari op-amp dan relasinya (5.10).

Dalam kasus ketika kamu op = 0 , rangkaian komparator berfungsi sebagai pendeteksi nol (Gbr. 5.13.b). Dalam kasus ketika kamu VX positif (selama paruh siklus pertama), kamu KELUAR sama dengan - kamu KITA, karena potensial masukan (+) lebih kecil dari potensial masukan (−) (lihat Gambar 5.13.b). Selama periode babak kedua, kapan kamu VX negatif, kamu KELUAR akan sama dengan + kamu KITA, karena potensial masukan (+) lebih besar daripada potensial masukan (−). Dengan demikian, kamu KELUAR menunjukkan kapan kamu VX positif atau negatif terhadap tegangan referensi nol.

Kapan kamu op > 0 Rangkaian komparator berfungsi sebagai pendeteksi level (Gbr. 5.13.c). Pada interval M–N kamu KELUAR sama dengan - kamu KITA, karena potensial masukan (+) lebih kecil dari potensial masukan (−) ( kamu op < kamu VX). Pada kamu VX < kamu op (intervalN–K) kamu KELUAR sama dengan + kamu KITA .

Jika Anda menukar input untuk mensuplai tegangan input dan menghasilkan referensi, Anda bisa mendapatkan rangkaian komparator yang sensitif terhadap tegangan pada input (+).

Dalam praktiknya, dalam beberapa kasus, tegangan masukan dapat berfluktuasi di sekitar level referensi. Osilasi seperti itu kemungkinan besar disebabkan oleh interferensi yang tak terhindarkan pada kabel yang mendekati terminal input op-amp (tegangan derau). Dalam hal ini tegangan kamu KELUAR akan berfluktuasi dari satu tingkat kejenuhan ke tingkat kejenuhan lainnya, yang dapat menyebabkan alarm palsu, perangkat pengukuran, atau aktuator. Untuk mencegah tegangan keluaran bereaksi terhadap persilangan palsu dari level referensi, umpan balik positif (POF) dimasukkan ke dalam komparator. Pembanding seperti itu disebut pembanding dengan PIC atau pembanding regeneratif, pemicu Schmitt. PIC dilakukan dengan menerapkan bagian tertentu dari tegangan keluaran ke masukan non-invers kamu KELUAR menggunakan pembagi resistif R3 -R4 (Gbr. 5.14). Tegangan yang dihasilkan oleh pembagi resistif akan mempunyai nilai yang berbeda-beda karena bergantung pada tandanya kamu KELUAR. Dia disebut tegangan ambang atas atau bawah dan di pembanding dengan PIC diinstal secara otomatis:

. (5.12)

Umpan balik positif menciptakan efek pemicu, mempercepat perpindahan gigi kamu KELUAR dari satu negara bagian ke negara bagian lainnya. Sesegera

kamu KELUAR mulai berubah, muncul umpan balik regeneratif, memaksa kamu KELUAR berubah lebih cepat. Pada waktu yang sama dengan nol (Gbr. 5.14.a, b), kamu VX negatif, sehingga tegangan keluarannya adalah + kamu KITA dan ambang batas akan ditetapkan pada masukan non-invers kamu P.V.. Pada suatu saat T1 tegangan kamu VX > + kamu KITA dan komparator beralih ke keluaran tegangan − kamu KITA. Dalam hal ini, ambang batas akan ditetapkan pada masukan non-invers kamu P.N. . Peralihan komparator berikutnya akan terjadi pada saat ini T2 , Kapan kamu VX akan menjadi lebih negatif daripada tegangan - kamu KITA . Jika tegangan ambang melebihi amplitudo kebisingan, maka PIC tidak akan mengizinkan alarm palsu pada output (Gbr. 5.14.a, b). Rentang tegangan - kamu KITA ≤ kamu ≤ + kamu KITA disebut “Histeresis” atau “Zona Mati”.

Kuliah 6. Generator osilasi harmonik. Mode operasi utama transistor. Generator pulsa persegi panjang.

6.1. Generator harmonik

Generator osilasi harmonik adalah perangkat yang mengubah energi arus searah menjadi energi osilasi elektromagnetik berbentuk sinusoidal dengan frekuensi dan daya yang diperlukan. Menurut metode eksitasinya, mereka dibagi menjadi generator dengan eksitasi independen dan eksitasi sendiri (autogenerator).

Diagram blok osilator mandiri ditunjukkan pada Gambar. 6.1. Ini mewakili penguat yang dikelilingi oleh umpan balik positif. Di Sini Ќ - nilai kompleks penguatan tegangan penguat, έ - nilai kompleks dari koefisien transmisi jaringan umpan balik empat port (FOS). Tautan yang bergantung pada frekuensi digunakan sebagai FOS: rangkaian LC pada osilator mandiri frekuensi tinggi dan rangkaian RC pada osilator frekuensi rendah.

Dalam penguat yang dicakup oleh umpan balik, hubungan berikut ini berlaku:

Ů di = έ Ů keluar, Ů keluar = Ќ Ů masukan, dari mana Anda dapat menulis ekspresi untuk sinyal keluaran:

Ů keluar = Ќ έ Ů keluar. (6.1)

Ekspresi (6.1) valid dalam kondisi tersebut Ќ έ = 1. (6.2)

Pemenuhan kondisi (6.2) memastikan osilasi tidak teredam pada osilator mandiri. Dengan mempertimbangkan modul penguatan dan koefisien transmisi umpan balik serta pergeseran fasanya, kita dapat menulis:

│ Ќ │е jφ │ έ │е jψ =Kе jφ εе jψ =1. (6.3)

Kesetaraan (6.3) harus dipenuhi jika dua syarat terpenuhi:

φ + ψ = 2π n(n= 0, 1, 2, 3….) (6.4),

Kondisi (6.4) disebut “kondisi keseimbangan fase” dan berarti umpan balik positif (POF) beroperasi dalam sistem.

Kondisi (6.5) disebut “kondisi keseimbangan amplitudo” dan berarti kehilangan energi pada osilator mandiri diisi kembali dengan energi dari sumber listrik melalui rangkaian PIC.

Osilasi lemah yang muncul karena alasan tertentu pada input penguat diperkuat dengan waktu “K” dan dilemahkan dengan waktu “ε” oleh rangkaian umpan balik. Kembali ke input penguat dalam fase yang sama, tetapi dengan amplitudo yang lebih besar. Kemudian proses tersebut diulangi hingga terjadi osilasi dengan amplitudo konstan (Kε= 1) pada keluaran.

6.2.1. Osilator harmonik RC

Pada Gambar. Gambar 6.2 menunjukkan diagram osilator mandiri RC dari osilasi harmonik.

Osilator mandiri RC berisi elemen aktif (penguat OE) ​​dan rantai RC tiga tautan dari tipe pembeda (lihat Gambar 6.2, a) atau pengintegrasian (lihat Gambar 6.2, b), yang dihubungkan ke rangkaian penguat PIC . Selain itu, R1 dan R2 dihubungkan secara paralel dengan arus bolak-balik membentuk resistansi ketiga dari rangkaian RC tiga tautan dari tipe pembeda: (R1R2) / (R1 =R2) =R

Sirkuit RC tiga tautan memiliki karakteristik frekuensi amplitudo dan frekuensi fase (AFC dan PFC), ditunjukkan pada Gambar. 6.3. Dari grafik respon frekuensi dan respon fasa terlihat jelas bahwa titik belok (titik A) karakteristiknya sesuai dengan frekuensi ω 0 dan fasa ψ = 180 0 untuk rangkaian RC tipe pembeda dan ψ = -180 0 untuk rangkaian mengintegrasikan rangkaian RC tipe. Titik A sesuai dengan kuasi-resonansi rangkaian RC, dan frekuensi kuasi-resonansi ω 0 disebut frekuensi kuasi-resonansi dari rangkaian RC selektif frekuensi.

Setiap rantai RC memberikan pergeseran fasa sebesar 60 0 . Pergeseran total rantai RC tiga mata rantai adalah 180 0 . Rantai pembeda menggeser fase osilasi ke arah kelambatan, dan rantai pengintegrasian ke arah kemajuan.

Penguat dengan OE sendiri menggeser sinyal keluaran sebesar 180 0 dan rantai RC tiga tautan juga sebesar 180 0. Dengan demikian, sinyal disuplai ke input penguat Dalam fase dengan sinyal keluaran karena PIC. Ini memastikan kondisi keseimbangan fase.

Rasio perhitungan dasar:

a) untuk generator dengan rangkaian RC tipe pembeda:

b) untuk generator dengan rangkaian RC tipe terintegrasi:

6.2.2. Osilator RC berdasarkan penguat operasional

A). Osilator RC dengan rotasi fasa di rangkaian umpan balik

Pada generator RC yang ditunjukkan pada Gambar. 6.4, rangkaian RC pemindah fasa tiga tautan dari tipe pembeda atau pengintegrasi dihubungkan antara masukan pembalik dan keluaran op-amp. Resistor R, yang termasuk dalam rangkaian OOS (lihat Gambar 6.4, a), menjalankan dua fungsi: sebagai elemen penghubung rangkaian RC dan sebagai elemen dalam rangkaian OOS untuk meningkatkan stabilitas. Tugas serupa dilakukan oleh kapasitor C pada rangkaian generator pada Gambar. 6.4,b. Pada frekuensi kuasi-resonansi ω 0, rangkaian RC tiga elemen menggeser fasa sebesar ±π, dan op-amp pembalik menggeser fasa sebesar π.

Rasio desain dasar sama dengan osilator RC transistor

B). Osilator RC tanpa rotasi fasa pada rangkaian umpan balik

Di generator ini, ditunjukkan pada Gambar. 6.5, PIC digunakan pada input op-amp melalui jembatan Wien. Jembatan Wien terdiri dari tautan RC serial dan paralel, yang memiliki koefisien transmisi tertinggi pada frekuensi kuasi-resonansi ω 0 (lihat Gambar 6.5b). Dalam hal ini, pergeseran fasa sama dengan 0 (lihat Gambar 6.5, c). Untuk memastikan keseimbangan

Keluaran fasa jembatan Wien dihubungkan ke masukan non-pembalik op-amp. Elemen OOS R1, R2 meningkatkan stabilitas generator. Resistor variabel R1 mengubah kedalaman OOS.

Hubungan desain dasar untuk skema ini:

f G = 1/ 2πRC;ε 0 = 1/3; C = 1/2πRf.

6.3. Mode operasi kunci transistor

Diagram rangkaian saklar elektronik berdasarkan transistor bipolar ditunjukkan pada Gambar. 6.6. Sakelar transistor berdasarkan rangkaian emitor bersama dalam mode statis memiliki dua keadaan stasioner. Transistor terkunci dan titik operasi "B" berada di wilayah cutoff -

wilayah II, dibatasi dari atas oleh karakteristik arus-tegangan yang sesuai dengan I b = - I k0. Kedua persimpangan pn ditutup. Tidak ada arus pada transistor, potensial kolektor (U KE ots) mendekati nilai E k. Kondisi cutoff transistor adalah U VX = U BE ≤ 0.

Transistor terbuka dan titik operasi "A" berada di daerah saturasi - daerah I, di sebelah kanan dibatasi oleh garis dari mana karakteristik tegangan arus statis muncul. Kedua sambungan pn transistor terbuka. Arus maksimum mengalir melalui transistor - arus saturasi kolektor I ke kita. Tegangan kolektor mendekati nol. Kondisi saturasi transistor U VX = U BE > 0.U K E > 0.

Untuk menghitung sakelar tansistor, kriteria kondisi saturasi saat ini sering digunakan:

I B ≥I K N /β =I B N, dimana I B N dan I K N adalah arus basis dan arus kolektor pada batas saturasi.

Dalam mode saturasi, transistor dapat dianggap sebagai titik ekuipotensial - titik dengan potensial yang sama di semua elektroda. Dalam hal ini, arus kolektor dalam mode saturasi dapat didefinisikan sebagai I K N ≈ E K /RK K, arus basis I B N ≈I K N / β ≈ E K /βR K. Kemudian, untuk nilai tegangan masukan tertentu, resistansi pada rangkaian dasar adalah:

R B =U VX /I B N = (U VX βR K) / E K. (6.6)

6.4. Parameter pulsa persegi panjang dan urutan pulsa

Mari kita pertimbangkan parameter utama dari satu pulsa. Pulsa tegangan persegi panjang nyata yang dihasilkan oleh perangkat semikonduktor utama ditunjukkan pada Gambar. 6.7.

Parameter pulsa adalah: amplitudo U m, durasi t dan, ditentukan pada level 0,1 U m atau pada level yang sesuai dengan setengah amplitudo (durasi aktif), durasi tepi depan t f, durasi cutoff t s (tepi belakang ) dan peluruhan puncak pulsa ∆U.

Parameter rangkaian pulsa (Gbr. 6.8) adalah: amplitudo pulsa U m, periode pengulangan T, frekuensi pengulangan

f= 1 /T, durasi pulsa t dan, durasi jeda pulsa t p, siklus kerja γ = t dan /T dan kebalikan dari faktor yang terisi ia, disebut siklus kerja q = 1/ γ =T/t dan.

6.5. Generator pulsa persegi panjang (multivibrator)

Untuk menghasilkan rangkaian periodik pulsa tegangan persegi panjang dengan parameter yang diperlukan, digunakan generator yang disebut multivibrator. Multivibrator termasuk dalam kelas perangkat teknologi pulsa yang dimaksudkan. Seperti pada perangkat pembangkit apa pun yang dirancang untuk menghasilkan pulsa, dalam rangkaiannya, elemen kunci (transistor, penguat operasional) ditutupi oleh umpan balik positif menggunakan rangkaian RC yang memastikan proses relaksasi. Perangkat relaksasi beroperasi dalam dua mode: berosilasi sendiri dan siaga. Dalam mode siaga, satu pulsa keluaran atau satu paket pulsa tersebut dihasilkan untuk setiap sinyal masukan. Dalam mode osilasi mandiri, generator membentuk rangkaian pulsa yang berkesinambungan. Generator tersebut digunakan dalam teknologi digital sebagai osilator utama dan pembagi frekuensi.

Ada berbagai macam metode untuk membangun rangkaian multivibrator. Yang paling luas adalah rangkaian multivibrator berdasarkan penguat operasional (op-amp). Kemungkinan pembuatan multivibrator dengan menggunakan op-amp didasarkan pada penggunaan op-amp sebagai elemen ambang batas (pembanding). Rangkaian multivibrator simetris menggunakan op-amp (t И1 =t И2) ditunjukkan pada Gambar. 6.9. Mari kita perhatikan pengoperasian multivibrator, dengan mempertimbangkan diagram waktu pengoperasiannya (Gbr. 6.10).

Mari kita asumsikan bahwa sampai waktu t1 tegangan antara masukan op-ampu D > 0. Hal ini menentukan tegangan pada keluaranu OUT =U − US dan pada masukan non-inversnyau + = − γU − US, dimana γ = R3 /(R3 +R5) adalah koefisien transfer rangkaian umpan balik positif. Adanya tegangan −U HAC pada keluaran menentukan proses pengisian kapasitor C2 melalui resistor R4 dengan polaritas yang ditunjukkan pada Gambar. 6.9 tanpa tanda kurung. Pada waktu t1, tegangan yang berubah secara eksponensial pada masukan invers op-amp (Gbr. 6.10., c) mencapai tegangan pada masukan invers − γU − NAS. Tegangan antara input op-amp menjadi nol, yang menyebabkan perubahan polaritas tegangan pada output: u OUT = U + US (Gbr. 6.10, a). Tegangan pada input non-invers u + berubah tanda dan menjadi sama dengan U + US (Gbr. 6.10, b), yang sesuai dengan tegangan antara input op-amp u D< 0 иu ВЫХ =U + НАС. С момента времениt 1 начинается перезаряд конденсатора от уровня

− γ kamu − AS.

Kapasitor cenderung mengisi ulang dalam rangkaian dengan resistor R4 ke level U + US dengan polaritas tegangan ditunjukkan dalam tanda kurung (Gbr. 6.9). Pada saat t2, tegangan pada kapasitor mencapai nilai γU + US. Tegangan u D menjadi nol. Hal ini menyebabkan op-amp beralih ke keadaan sebaliknya (Gbr. 6.10, a - c). Proses lebih lanjut di sirkuit berlangsung dengan cara yang sama.

Periode pengulangan pulsa multivibrator simetris

Т = t И1 +t И2 = 2t И.(6.7)

Tingkat pengulangan pulsa

f= 1 /T= 1 / 2t I. (6.8)

Waktu t Dan dapat ditentukan oleh durasi interval t I1 (Gbr. 6.10, a), yang mencirikan pengisian ulang kapasitor C2 dalam rangkaian dengan resistor R4 dan tegangan U + US dari level − γU − US ke γU + AS (Gbr. 6.10, c).

Proses pengisian ulang dijelaskan oleh hubungan yang terkenal:

Di mana
,
,
.

Jika dalam ekspresi (6.10) kita masukkan
, Anda dapat menentukan waktunya T DAN :

. (6.11)

Dengan asumsi itu untuk op-amp
, relasi (6.11), (6.7) dan (6.8) dapat direduksi menjadi bentuk:

. (6.14)

Multivibrator asimetris И1 ≠t И2. Untuk melakukan ini, konstanta waktu dari rangkaian pengaturan waktu multivibrator harus tidak sama dalam setengah siklus. Hal ini dicapai dengan memasukkan dalam rangkaian umpan balik, alih-alih resistor R4, dua cabang paralel yang terdiri dari resistor dan dioda (Gbr. 6.11).

Dioda VD2 terbuka ketika polaritas tegangan keluarannya positif, dan dioda VD1 terbuka ketika polaritasnya negatif. Oleh karena itu, dalam kasus pertama τ 1 = C2R ״ 4, dan dalam kasus kedua τ 2 = C2R ׳ 4. Durasi pulsa t И1 dan t И2 dari multivibrator asimetris dihitung menurut hubungan (6.11), dan frekuensi menurut ke rumus f = 1/T= 1/ (t И1 +t И2).

Untuk menentukan sifat energi perangkat pulsa dan dampak energi pulsa pada beban, konsep nilai rata-rata pulsa selama suatu periode (komponen konstan pulsa) diperkenalkan. Untuk rangkaian pulsa persegi panjang dengan beban aktif, nilai rata-rata tegangan dan arus selama suatu periode ditentukan oleh hubungan:

,
.

Nilai efektif tegangan dan arus untuk suatu periode ditentukan oleh hubungan:

,

6.6. Sakelar transistor dayaMOSFETDanIGBT

Dirancang untuk mengalihkan arus tinggi (MOSFET - puluhan ampere, IGBT -

ratusan dan ribuan ampere) pada tegangan operasi ratusan volt. Digunakan dalam berbagai jenis konverter tegangan (DC–DC, DC–AC), konverter frekuensi untuk mengendalikan penggerak listrik, dll.

Prinsip operasiMOSFET kira-kira sama dengan transistor efek medan gerbang terisolasi berdaya rendah dengan saluran konduksi terinduksi. Pada Gambar 6.12. menunjukkan struktur vertikal MOSFET saluran-n. Struktur ini dilakukan dengan metode difusi ganda, yang terdiri dari berikut ini: pada substrat tipe n+ dengan lapisan epitaksial yang dimasukkan, difusi pertama dilakukan (boron adalah pengotor tipe p). Selanjutnya, melalui difusi pengotor donor (fosfor), sumber dengan konsentrasi pembawa tipe n+ yang tinggi dibuat. Kontak pembuangan terletak di bagian bawah. Struktur ini memungkinkan Anda membuat area kontak maksimum antara saluran pembuangan dan sumber untuk mengurangi hambatan kabel. Elektroda gerbang polisilikon diisolasi dari logam sumber dengan sebuah lapisan

SiO2. Saluran dalam transistor daya terbentuk pada permukaan daerah p di bawah gerbang oksida, dengan daerah p terhubung ke sumber.

Wilayah tipe-n yang didoping ringan (sering disebut wilayah drift) memungkinkan perangkat menahan tegangan tinggi saat dimatikan.

Karena MOSFET adalah transistor yang beroperasi pada pembawa muatan mayoritas, kelebihan pembawa tidak terakumulasi di dalamnya, yang menentukan dinamika transistor bipolar. Dinamika hanya ditentukan oleh lapisan oksida gerbang, serta oleh dua kapasitansi: SG sumber gerbang masukan dan SSI sumber saluran keluaran.

Perangkat konverter modern memerlukan transistor untuk dihidupkan dan dimatikan pada frekuensi tinggi - ratusan kHz dan bahkan beberapa MHz. Resistansi antara gerbang dan sumber MOSFET adalah puluhan megaohm, namun dihambat oleh kapasitansi input CZ, yang secara signifikan mempengaruhi desain rangkaian kontrol transistor. Pada kecepatan switching transistor yang tinggi, kapasitansi C ZI membebani rangkaian kontrolnya dengan berat.MOSFET memiliki karakteristik yang disebut karakteristik transfer maju (Gbr. 6.13).

Arus pembuangan adalah nol hingga tegangan yang disebut ambang batas (U pori), dan kemudian meningkat seiring dengan meningkatnya tegangan (U zi). Pabrikan mendefinisikan Upore sebagai tegangan di mana arus pembuangan mencapai nilai tertentu, misalnya 1 mA. Untuk mencapai arus pembuangan I dari 1, kapasitansi perlu diisi ke tegangan U zi1. Artinya, waktu pengisian kapasitansi masukan, dan waktu penyalaan transistor, akan ditentukan oleh arus yang dihasilkan oleh rangkaian kontrol.

Mari kita hitung arus yang dibutuhkan dari rangkaian kontrol saat mengganti MOSFET. Misalkan C SI = 4 nF, U SI 1 = 12 V, dan waktu pengisian kapasitansi input harus 40 ns.

Dari hubungan yang diketahui dengan kapasitas

saya c =C(du c /dt)

mari kita definisikan: I z =C zi U zi 1 /t on = 4 ·10 -9 ·12 / 40 ·10 -9 = 1.2A.

Jadi, untuk mengganti MOSFET dalam waktu tertentu, logika kontrol harus menyediakan arus yang signifikan. Dalam teknologi modern, pengontrol (driver) khusus digunakan untuk mengontrol MOSFET yang kuat, yang dapat langsung menyuplai tegangan ke gerbang dengan amplitudo sekitar 12-15 V dan arus pulsa 1,5-3 A, memberikan arus pengisian yang besar. untuk kapasitansi masukan.

IGBT(IsolatedGateBipolarTransistor) – transistor bipolar dengan gerbang terisolasi. Temukan penggunaan dalam banyak aplikasi tegangan tinggi dan ampere tinggi: penggerak, inverter, catu daya tak terputus, dll. Struktur vertikal IGBT ditunjukkan pada Gambar 6.14, a. Dalam transistor bipolar gerbang terisolasi, transistor bipolar pnp yang kuat dan MOSFET kontrol dihubungkan dalam satu kristal sesuai dengan rangkaian komposit. Dasar strukturnya adalah silikon tipe-p yang diolah dengan berat. MOSFET dihubungkan antara basis dan kolektor transistor bipolar (BT). Faktanya, dalam struktur IGBT, dua BT dapat dibedakan: VT2 - dengan struktur p + -n - - p - dan VT1 - dengan struktur + - p - -n - (Gbr. 6.15). Pengoperasian transistor ini dikendalikan oleh MOSFET. Untuk diagram pada Gambar. 6.15. hubungan berikut ini valid:

i k 2 =β 2 i e2 ;i k 1 =β 1 i e1 ;i e =i k 1 +i k 2 +i c .

Artinya, arus pembuangan transistor efek medan i c =ie (1 – β 1 – β 2) atau melalui kemiringan S = ∂I c / ∂U zi

Arus bagian daya IGBT:

i k ≈i e = (SU ​​​​GE) / (1 – β 1 – β 2) =S EKV U GE, dimana S EKV =S/ (1 – β 1 – β 2) adalah ekivalen kemiringan IGBT. Pada β 1 ​​+ β 2 = 1S, IGBT ECV secara signifikan melebihi kemiringan SMOSFET.

Kecepatan IGBT jauh lebih rendah dibandingkan kecepatan MOSFET (puluhan kilohertz). Waktu penyalaan IGBT kira-kira sama dengan waktu penyalaan BT (kira-kira 80 ns), tetapi waktu penyalaannya jauh lebih lama. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa IGBT tidak memiliki kemampuan untuk mempercepat proses mematikan dengan menciptakan arus basis negatif (rangkaian dasarnya mencakup MOSFET, yang menutup lebih cepat). Pada

Gambar 6.16. menunjukkan proses mematikan IGBT dengan beban aktif-induktif. Pada awalnya arus kolektor berkurang dengan cepat dan kemudian perlahan-lahan mencapai nol. Tahap awal sesuai dengan bagian arus perangkat yang mengalir melalui MOSFET. Bagian ekor yang tertinggal (ekor arus) sebenarnya adalah arus BT ketika alasnya diputus

Karakteristik utama dari op-amp meliputi: transfer (T), frekuensi amplitudo (AFC), frekuensi amplitudo logaritmik (LAFC), karakteristik frekuensi fase (PFC).

1) Karakteristik transfer op-amp ditunjukkan pada Gambar. .

Gambar 6.6a menunjukkan penyertaan op-amp dua masukan dalam rangkaian eksternal yang berisi dua catu daya dengan polaritas berlawanan (biasanya dengan nilai tegangan yang sama dan
), resistor beban
dan sumber masukan +–
.

Beras. . Karakteristik transfer statis dari op-amp.

Tegangan keluaran op-amp dapat berubah secara simetris pada kedua polaritas relatif terhadap nol (menjadi bipolar), dan jika
, Kemudian
. Kondisi ini disebut kondisi keseimbangan op-amp. Tegangan sinyal juga bisa bipolar. Mari kita perhatikan bahwa op-amp dikendalikan oleh tegangan
, diamati antara input op-amp, terlepas dari titik landasan sumber sinyal. Jika input pembalik op-amp dibumikan, maka penguatnya non-pembalik, karakteristik transfernya (TC) ditunjukkan pada Gambar 6.6b (kurva 1). Dalam hal ini, sinyal masukan dan keluaran op-amp berubah dalam fasa yang sama.

Jika masukan non-pembalik dari op-amp dibumikan, maka rangkaian switching adalah pembalik (kurva 2 pada Gambar 6.6), dan sinyal masukan dan keluaran berada dalam antifase.

Seperti pada remote control yang paling sederhana, dalam op-amp sebenarnya terdapat ketidakseimbangan. Pada Gambar 1c. Karakteristik transfer (kurva 1) dari op-amp nyata, diseimbangkan dengan menerapkan tegangan bias tingkat nol eksternal, disajikan.

Pengaruh resistansi beban pada amplitudo sinyal keluaran ditentukan oleh resistansi keluaran penguat dan tingkat arus yang diizinkan di mana sinyal pada tahap akhir tidak dibatasi. Selain itu, tingkat arus keluaran maksimum yang diizinkan harus aman untuk tahap keluaran penguat. Pada Gambar 6.7, d. karakteristik transfer op-amp untuk berbagai resistansi beban disajikan. Pada Gambar. rangkaian ekivalen ditampilkan, di mana resistansi keluaran
dihubungkan secara seri dengan resistor beban
dan keluaran generator E.M.F.
.

Di sejumlah rangkaian switching, terdapat EMF mode umum pada input op-amp
, yang menyebabkan pergeseran tingkat output
. Untuk menyeimbangkan kembali op amp, Anda perlu menambahkan sinyal kompensasi kesalahan mode umum diferensial di antara input.
. Generator yang memodulasi tegangan ini termasuk dalam rangkaian ekivalen di rangkaian masukan non-pembalik (Gbr.).

Gambar.6.8. Kompensasi ketidakseimbangan yang timbul dari EMF mode umum menggunakan generator
(A); pergeseran karakteristik transfer dan timbulnya kesalahan offset
karena penurunan tegangan suplai positif (b) dan negatif (c).

2) Karakteristik frekuensi amplitudo dan frekuensi fase.

Ekspresi analitis untuk penguatan op-amp, sama dengan rasio tegangan keluaran terhadap tegangan masukan, dapat ditulis sebagai

Di mana
- penguatan op-amp tanpa umpan balik untuk wilayah frekuensi menengah; f c - frekuensi kopling atau cutoff di mana penguatan berkurang –3 dB. Dalam kasus ketika karakteristik ketidaksetaraan op-amp terpenuhi
, frekuensi sudut ditentukan oleh rumus
.

Dalam praktiknya, yang sering digunakan bukanlah ekspresi kompleks dari penguatan, melainkan modulusnya

.

Karena frekuensi f adalah besaran variabel, dan f c adalah besaran tetap, mudah untuk melihat bahwa dengan meningkatnya frekuensi, penyebut ekspresi () meningkat, dan penguatan tegangan op-amp menurun.

Ketergantungan grafis dari modulus penguatan tegangan op-amp pada frekuensi adalah respon frekuensi, yang ditunjukkan pada Gambar. garis putus-putus 2. Terlihat dari gambar, respon frekuensi digambarkan pada skala logaritmik dan didekati dengan garis lurus segmen 1, yang sering digunakan dalam praktek untuk memudahkan analisis.

Sebuah op-amp yang dimaksudkan untuk penggunaan umum harus mempunyai respon frekuensi yang sama dengan filter low-pass orde pertama (elemen inersia) untuk alasan stabilitas, dan persyaratan ini harus dipenuhi setidaknya sampai frekuensi penguatan kesatuan. , frekuensi di mana penguatan dengan loop umpan balik terbuka sama dengan satu. Dalam hal ini, pergeseran fasa sinyal harmonik keluaran berubah dari nol (karena op-amp adalah UPT) menjadi
. Pada Gambar. Respon frekuensi dan respon fasa dari UPT satu tahap (op-amp paling sederhana) ditampilkan.

Frekuensi batas ( ) didefinisikan sebagai frekuensi di mana penguatan berkurang sebesar 3 desibel:
.

Rentang frekuensi 0 disebut bandwidth. Pengenalan OOS semakin meluas bandwidth (grafik 2 pada Gambar.).

Di mana
;
;
, Di mana – koefisien transmisi sinyal melalui rangkaian umpan balik.

Ketika frekuensi berubah, fasa tegangan keluaran bergeser relatif terhadap fasa tegangan masukan sebesar suatu sudut, setara
. Karena tegangan keluaran op-amp berada di belakang tegangan masukan, maka tanda minus ditempatkan di depan sudut pergeseran:

.

Hal ini dijelaskan sebagai berikut. Sinyal tidak melewati op-amp secara instan, tetapi tertunda selama beberapa waktu di elemen aktif dan pasif op-amp. Ketika frekuensi sinyal yang diperkuat meningkat, pergeseran fasa antara tegangan keluaran dan masukan op-amp meningkat.

Ketergantungan grafis dari pergeseran fasa antara tegangan keluaran dan masukan op-amp pada frekuensi adalah respons fasa, yang ditunjukkan pada Gambar. . Dari gambar dan ekspresi () jelas bahwa ketika f=f pergeseran fasa antara tegangan keluaran dan masukan op-amp adalah –45°. Ketika f mendekati frekuensi penguatan kesatuan f, sudut pergeseran cenderung –90°. Dalam kasus paling sederhana, respons fasa dapat didekati dengan segmen dengan deviasi kecil dari kurva nyata, tidak melebihi ±5,7° (±0,1 rad).

Rangkaian RC serial memiliki tingkat peluruhan respons frekuensi –20 dB/des atau –6 dB/okt. Karena setiap tahap penguat op-amp dalam kasus paling sederhana diwakili oleh rangkaian ekivalen yang terdiri dari R yang dihubungkan seri dan C, maka ia juga memiliki tingkat peluruhan respons frekuensi –20 dB/des. Hal ini ditegaskan oleh ekspresi (). Misalnya, ketika frekuensi f meningkat sepuluh kali lipat dalam rentang frekuensi, dimana
, perolehan kaskade berkurang sepuluh kali lipat:

Untuk op-amp tiga tahap, penguatannya sama dengan hasil kali penguatan setiap tahapnya

Ekspresi yang dihasilkan cukup rumit, sehingga mereka sering menggunakan diagram Bode yang sangat jelas dan mudah dipahami - grafik ketergantungan logaritma desimal penguatan pada logaritma desimal frekuensi. Hal ini berguna karena peningkatan tahapan, yang dinyatakan dalam desibel, dapat ditambahkan, bukan dikalikan [lihat rumus ()]. Dengan demikian, respons frekuensi sebuah op-amp dapat diperoleh dengan memplot respons frekuensi kaskade-kaskadenya pada satu grafik dan menjumlahkannya secara grafis (Gbr.).

Pada frekuensi yang lebih rendah , respons frekuensi keseluruhan op-amp adalah jumlah penguatan masing-masing tahapan (30 dB + 20 dB + 10 dB), dalam pita frekuensi
penguatan keseluruhan turun -20 dB/des, di seluruh pita frekuensi
berkurang –40 dB/des, dan pada pita frekuensi
ketiga kaskade mempunyai laju peluruhan –20 dB/des, sehingga total laju peluruhan respons frekuensi op-amp sama dengan –60 dB/des. Pendekatan ini banyak digunakan dalam analisis tidak hanya op-amp, tetapi juga semua penguat multistage.

Pada setiap tahap op-amp, terjadi penundaan sinyal, yang menyebabkan jeda fase total dari sinyal keluaran relatif terhadap masukan. Untuk op-amp tiga tahap

Menurut (), penundaan fasa maksimum yang mungkin dari sinyal untuk dua tahap op-amp adalah –180°, dan untuk tiga tahap –270°. Untuk frekuensi yang lebih kecil dari frekuensi sudut , jeda fase satu tahap kurang dari –45°, dan untuk tiga tahap kurang dari –135°. Sudut pergeseran fasa antara tegangan keluaran dan masukan op-amp bergantung secara nonlinier pada frekuensi. Hal ini menyebabkan kesulitan tertentu ketika membangun respons fase, meskipun dua titik respons fase mudah ditentukan (dengan

, pada

). Dalam hal ini, respon respon fasa dari sebuah op-amp seringkali didekati bukan dengan asimtot, seperti respon frekuensi, namun dengan segmen langkah, seperti yang ditunjukkan oleh garis putus-putus 1 pada Gambar. . Jika, ketika memperkirakan respons frekuensi op-amp dengan segmen garis lurus, kesalahan terbesarnya adalah –3 dB, maka ketika memperkirakan respons frekuensi fasa op-amp dengan segmen langkah garis lurus, itu sama dengan –45°.

Beras. . Karakteristik penguat operasional: a) penguat tiga tahap total; b) frekuensi fase (1 – perkiraan; 2 – nyata)

merupakan fungsi frekuensi dan menurun seiring bertambahnya frekuensi. Karakteristik frekuensi dan fasa op-amp terdiri dari karakteristik tahapan internal individu, yang masing-masing memiliki konstanta waktu sendiri dan dapat direpresentasikan sebagai rangkaian RC. Respon frekuensi total op-amp didekati dengan diagram Bode (Gbr.). Setiap tahap menimbulkan pergeseran fasa sebesar 90°, sehingga total pergeseran fasa bergantung pada jumlah tahapan dan memiliki bentuk seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a di bawah. Karena keluaran op-amp sudah mempunyai pergeseran fasa sebesar 180° relatif terhadap masukan pembalik yang disuplai OOS, maka pada frekuensi tertentu pergeseran fasa total mencapai 360°. Jika pada frekuensi ini nilainya
, Di mana – Koefisien OS, lalu negatif OS berubah menjadi positif yang menyebabkan eksitasi diri pada sirkuit.

Beras. . Perkiraan frekuensi amplitudo logaritmik (AFC) dan karakteristik frekuensi fase.

Sifat dinamis dari sebuah op-amp dicirikan oleh frekuensi penguatan kesatuan , laju perubahan tegangan maksimum dari tegangan keluaran
dan waktu penyelesaian tegangan keluaran
(waktu peluruhan proses sementara). Dengan frekuensi waktu penyelesaian terkait
. Semakin rendah frekuensi penguatan kesatuan, semakin besar. Dalam waktu yang bersamaan
tidak hanya bergantung pada , tetapi juga pada bentuk respons frekuensi. Nilai minimal
diperoleh dengan redaman respons frekuensi –20 dB/des.

Perhatikan bahwa hubungan di atas hanya berlaku untuk sinyal yang cukup kecil dimana laju perubahan tegangan keluaran tidak melebihi
. Ketika sinyalnya besar, op-amp kelebihan beban dan
meningkat. Untuk memastikan nilai rendah
, harus memiliki kepentingan yang cukup besar
.

Jika op-amp dua tahap ditutupi oleh loop umpan balik negatif, maka pada frekuensi penguatan satu, ketika pergeseran fasa sama dengan –180°, loop umpan balik positif dapat terjadi, yang akan menyebabkan eksitasi sendiri pada op-amp. op-amp. Dalam op-amp tiga tahap, eksitasi sendiri dapat terjadi pada frekuensi yang lebih rendah dari frekuensi penguatan kesatuan, karena pergeseran fasa maksimum op-amp ini adalah 270°. Dalam hal ini, pada op-amp tiga tahap terdapat bahaya eksitasi diri yang lebih besar dibandingkan op-amp dua tahap, dan diperlukan koreksi frekuensi pada respons frekuensi. Oleh karena itu, di antara op-amp integral, op-amp dua tahap telah tersebar luas. Tahap akhir dari op-amp, yang diimplementasikan dalam bentuk pengikut emitor dorong-tarik dan tidak menguatkan tegangan, tidak dianggap sebagai tahap penguat, memastikan tegangan keluaran konstan dan
penguat

Kesimpulan yang sama dapat diambil langsung dari ungkapan tersebut
. Sampai
,
dan tidak bergantung pada nilai absolut
.

Jika dalam contoh yang dipertimbangkan rangkaian OOS diganti dengan PIC, maka pita frekuensi yang diperkuat dari penguat akan berkurang:

.

Dalam hal ini, respon frekuensi penguat dengan PIC dapat diperoleh dengan menggeser ke atas bagian horizontal dari karakteristik aslinya sebesar 201g(l–
) dB. Nilai baru untuk frekuensi lintasan atas amplifier
akan ditentukan oleh perpotongan bagian horizontal baru dengan kelanjutan asimtot dengan kemiringan 20 dB/des (Gbr.). Jadi, dengan diperkenalkannya PIC, bandwidth penguat menyempit menjadi (1–
) sekali.

Op-amp terintegrasi tanpa OS praktis tidak digunakan. Dalam hal ini, perlu diperhatikan bahwa

Dan
.

Kemudian
. Pada

.

Beras. . Pengaruh umpan balik pada frekuensi kopling penguat operasional tanpa umpan balik (1) dan dengan umpan balik (2).

Membandingkan () dengan ekspresi (), mudah untuk menetapkan bahwa frekuensi kopling op-amp dengan adanya umpan balik negatif sama dengan frekuensi kopling op-amp tanpa umpan balik, dikalikan dengan selisih balik.

Dari respon frekuensi (Gbr.) terlihat bahwa gain op-amp tanpa feedback adalah 70 dB, dan dengan feedback negatif adalah 20 dB. Jika frekuensi kopling op-amp tanpa umpan balik adalah 20 kHz, maka di bawah pengaruh umpan balik negatif menjadi 5,7 MHz. Umpan balik negatif membatasi penguatan op amp hingga 20 dB dan memperluas bandwidth secara signifikan. Jika frekuensi mencapai 5,7 MHz, respons frekuensi op-amp tanpa umpan balik dan dengan umpan balik adalah sama. Perhatikan bahwa umpan balik negatif tidak memperluas respons frekuensi op-amp, dan frekuensi kopling op-amp meningkat karena penurunan penguatan.

Penguatan sepanjang loop umpan balik, seperti dapat dilihat dari Gambar. , adalah perbedaan antara penguatan op-amp tanpa umpan balik dan dengan umpan balik, yang dinyatakan dalam desibel. Hal ini memungkinkan untuk menentukan frekuensi koplingnya secara grafis. Untuk mengilustrasikan hal di atas, kita dapat menulis persamaannya

,

yang menunjukkan bahwa penguatan sepanjang loop umpan balik meningkat seiring dengan menurunnya penguatan op-amp dengan umpan balik.

Jika laju peluruhan respon frekuensi op-amp adalah –20 dB/des, hasil kali penguatan op-amp dikalikan dengan frekuensi penguatan kesatuan adalah nilai konstan (
=konstan). Hal ini dapat diperoleh baik dari diagram Bode maupun secara analitis:

Perlu diklarifikasi bahwa hasil kali faktor penguatan dan frekuensi penguatan kesatuan tetap konstan dan mempunyai ketergantungan linier hanya pada laju peluruhan respons frekuensi –20 dB/des.

Perlu dicatat bahwa jika nilainya mendekati, maka total kemiringan LFC akan kurang dari –20 dB/des. Hal ini menimbulkan kesulitan tertentu saat menggunakan op-amp semacam itu. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa ketika mengembangkan rangkaian tertentu, op-amp itu sendiri, biasanya, dicakup oleh rangkaian OOS. Ketika kemiringan LFC kurang dari –20 dB/des, terjadi hilangnya stabilitas. Dalam hal ini, rangkaian koreksi eksternal atau internal tambahan dimasukkan ke dalam op-amp, membentuk kemiringan LFC –20 dB/des pada seluruh rentang frekuensi, hingga
. Koreksi ini biasanya mempersempit bandwidth amplifier.

Jika konstanta waktu salah satu tahap penguat secara signifikan lebih besar dibandingkan yang lain, maka kemiringan –20 dB/des pada seluruh rentang frekuensi dibentuk oleh penguat itu sendiri dan koreksi tambahan mungkin tidak diperlukan.

Jadi, bagaimanapun juga, respons frekuensi amplitudo logaritmik tipikal dari sebuah op-amp pada seluruh rentang frekuensi memiliki kemiringan konstan –20 dB/des.

Perlu dicatat bahwa pembentukan LFC yang sesuai dengan fungsi transfer dalam rangkaian op-amp dua tahap dicapai dengan cara yang lebih sederhana daripada di rangkaian penguat tiga tahap. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa kemiringan maksimum LFC op-amp dua tahap hanya -40 dB/des. sedangkan pada op amp tiga tahap adalah –60 dB/des. Oleh karena itu, untuk mengoreksi op-amp dua tahap, satu rangkaian koreksi sudah cukup, dan untuk op-amp tiga tahap, diperlukan dua rangkaian seperti itu.

Kapasitor digunakan untuk mengoreksi sifat frekuensi op-amp dua tahap
. Konstanta waktu tahap keluaran ditentukan oleh kapasitansinya, di mana
- penguatan kaskade dengan OE untuk arus searah,
- resistansi keluaran tahap diferensial.

Tahap diferensial menggunakan rangkaian “cermin arus”, jadi
besar dan
,
- konstanta waktu dari tahap diferensial. Konstanta waktu dalam fungsi transfer op-amp menjadi penentu bahkan dengan kapasitansi rendah
.

LFC penguat dua tahap pada titik perpotongan dengan sumbu memiliki kemiringan –20 dB/des, yaitu op-amp seperti itu, ketika dilindungi oleh rangkaian OOS bebas inersia eksternal, merupakan sambungan yang benar-benar stabil. Jadi, koreksi frekuensi internal op-amp dilakukan oleh satu kapasitor
kapasitas kecil dan mudah diimplementasikan secara teknologi.

Op amp sangat beragam dalam hal parameter dan karakteristik. Sebagai perkiraan pertama, op-amp domestik dapat dibagi menurut parameternya ke dalam kelompok berikut:

1) Penguat operasional untuk penggunaan umum digunakan untuk membangun komponen peralatan yang memiliki total pengurangan kesalahan sebesar 1%. Ditandai dengan biaya yang relatif rendah dan tingkat parameter rata-rata (tegangan bias
- satuan milivolt, penyimpangan suhu
- puluhan mikrovolt/°C, penguatan
- puluhan ribu, laju perubahan tegangan
- dari sepersepuluh ke satuan volt/mikrodetik).

2) Penguat operasional dengan arus masukan rendah adalah penguat dengan tahap masukan yang dibangun di atas transistor efek medan. Masukan arus
hal.

3) Penguat operasional multisaluran memiliki parameter yang mirip dengan penguat serba guna atau penguat daya mikro dengan penambahan parameter seperti faktor pemisahan saluran. Mereka berfungsi untuk meningkatkan parameter berat dan ukuran serta mengurangi konsumsi energi peralatan. Perusahaan Barat memproduksi amplifier presisi ganda dan berkecepatan tinggi.

4) Penguat operasional pita lebar berkecepatan tinggi digunakan untuk mengubah sinyal yang berubah dengan cepat. Mereka dicirikan oleh laju perubahan tegangan yang tinggi dari sinyal keluaran, waktu penyelesaian yang singkat, frekuensi penguatan kesatuan yang tinggi, dan dalam parameter lain mereka lebih rendah daripada penguat operasional untuk penggunaan umum. Sayangnya, waktu pemulihan setelah kelebihan beban tidak distandarisasi untuk mereka.

Parameter utamanya: laju perubahan tegangan
V/μs; waktu penyelesaian
mks; frekuensi perolehan kesatuan
MHz.

5) Penguat operasional presisi (presisi tinggi) digunakan untuk memperkuat sinyal listrik kecil disertai dengan tingkat kebisingan yang tinggi, dan dicirikan oleh tegangan offset rendah dan penyimpangan suhu, penguatan tinggi dan penolakan mode umum, impedansi masukan tinggi, dan kebisingan rendah . Biasanya, mereka memiliki kinerja yang rendah.

6) Penguat operasional tenaga mikro diperlukan ketika konsumsi daya sangat terbatas (perangkat portabel dengan catu daya mandiri, perangkat yang beroperasi dalam mode siaga). Konsumsi saat ini
mA.

7) Penguat operasional yang kuat dan bertegangan tinggi - amplifier dengan tahap keluaran yang dibangun di atas elemen tegangan tinggi yang kuat. Arus keluaran
mA; tegangan keluaran
DI DALAM.

Tabel dengan parameter op-amp domestik diberikan dalam Lampiran A menurut data .

Di mana Ke _ koefisien transmisi, dan karakteristik fase sesuai dengan ekspresi:

Karakteristik ini disajikan pada Gambar. 45, oh V garis putus-putus. Saat membangun respons frekuensi, mereka biasanya menggunakan skala logaritmik pada kedua sumbu koordinat, yang, ketika menghubungkan tautan dalam kaskade, memungkinkan perkalian ordinat diganti dengan penjumlahan. Untuk memudahkan analisis, karakteristik frekuensi didekati dengan segmen garis lurus (pada Gambar 45, b, c ditunjukkan dengan garis padat). Dalam hal ini, respons frekuensi seragam hingga frekuensi cutoff, di mana terbentuk kekusutan. Respon frekuensi di balik frekuensi cutoff dijelaskan dengan cukup akurat oleh ekspresi:

yang jika diplot pada skala logaritmik akan membentuk garis lurus. Kesalahan perkiraan tersebut maksimum pada frekuensi f c dan sama dengan 3 dB. Ketika frekuensi berubah sepuluh kali (per dekade), koefisien transmisi berubah dengan jumlah yang sama (yaitu 20 dB) KE.

Jadi, tingkat peluruhan respon frekuensi di belakang frekuensi cutoff f c adalah -20 dB/des. Jika oktaf diambil sebagai satuan pada sumbu frekuensi (menggandakan frekuensi), maka KE juga berubah dengan faktor dua (6 dB) per oktaf, yaitu laju peluruhan dikurangi 6 dB/okt. Karakteristik fase (Gbr. 45, V) didekati dengan tiga segmen lurus, dan pergeseran fasa pada frekuensi tinggi mencapai 90°.

Dalam penguat multitahap, setiap tahap memiliki respons frekuensinya sendiri, ditentukan oleh parameter rangkaian AC-nya. Oleh karena itu, respons frekuensi keseluruhan mempunyai beberapa jeda, yang jumlahnya sama dengan jumlah kaskade. Pada Gambar. Gambar 46 menunjukkan contoh pembentukan respons frekuensi penguat tiga tahap berdasarkan karakteristik masing-masing tahapan. Dalam gambar: Ki^2. Кз - faktor penguatan kaskade; /с /с2, /сз adalah frekuensi cutoff yang sesuai. Respon frekuensi total seragam sampai dengan frekuensi />i, pada bagian tersebut F c i -/ Dari 2 turun dengan kecepatan 20 dB/des, antara frekuensi /с2 dan /сз kemiringannya meningkat menjadi 40 dB/des. Jadi, setiap tahap pada frekuensi yang lebih tinggi dari frekuensi yang bersangkutan akan meningkatkan kemiringan sebesar 20 dB/des.

Karakteristik fasa keseluruhan dari penguat multitahap dibentuk dengan menjumlahkan penundaan fasa yang ditimbulkan oleh masing-masing tahapan, dan ketika menambahkan tahap kedua dan ketiga, pergeseran fasa total dapat mencapai 180°, dan kemudian 270°, yang akan menghasilkan ketidakstabilan penguat.

Pada Gambar. Gambar 46 juga menunjukkan respon frekuensi op-amp multistage dengan umpan balik negatif. Pengenalan umpan balik memperluas pita sandi op-amp ketika penguatan dikurangi menjadi nilai /(oc Namun, jika, ketika penguatan dikurangi dan bandwidth diperluas, garis Los melintasi respons frekuensi penguat tanpa umpan balik pada bagian dengan roll-off 40 dB/des atau 60 dB/des, maka pergeseran fasa sinyal input dan output akan meningkat dan dapat mencapai 180°

Beras. 46. ​​​​Respon frekuensi penguat tiga tahap

dan banyak lagi. Dalam hal ini, overshoot muncul pada respons frekuensi di titik perpotongan sinyal, yang, ketika pergeseran fasa mendekati 180°, akan meningkat hingga, akhirnya, pada φ = 180°, op amp tereksitasi sendiri. Untuk pengoperasian penguat yang stabil, pada frekuensi / P r respons frekuensi penguat dengan op-amp, pergeseran fasa kurang dari 180° dengan jumlah tertentu, yang disebut margin fasa. Biasanya, margin fase 40-45° sudah cukup. Dalam hal ini, titik perpotongan respons frekuensi penguat dengan loop umpan balik berada pada bagian karakteristik dengan roll-off 40 dB/des. Pengoperasian op-amp yang benar-benar stabil akan dipastikan asalkan bagian datar dari respons frekuensi penguat berpotongan dengan bagian OS dari karakteristik dengan roll-off 20 dB/des. Di sini margin fase adalah 90 3 . Kriteria absolut lainnya untuk stabilitas adalah perpotongan respons frekuensi garis penguatan kesatuan (0 dB) di dekat awal bagian dengan kemiringan 40 dB/des. Namun, dalam dua kasus terakhir, penguat biasanya memiliki frekuensi cutoff yang terlalu rendah.

Untuk mencapai stabilitas op-amp pada nilai operasi Kos Berbagai rangkaian koreksi digunakan untuk mengubah respons frekuensi sedemikian rupa sehingga pergeseran fasa yang berlebihan dapat dihilangkan.

Tindakan rangkaian korektif biasanya dikurangi menjadi membatasi bandwidth op-amp. Saat ini, industri memproduksi sejumlah op-amp dengan koreksi internal. Amplifier tersebut mempunyai respons frekuensi dengan kemiringan roll-off yang konstan di seluruh pita dan sama dengan 20 dB/des, yang menjamin pengoperasian op-amp yang stabil. Untuk op-amp seperti itu, hasil kali penguatan dan bandwidth adalah nilai konstan. Angka ini, atau nilai frekuensi penguatan kesatuan, biasanya diberikan dalam data referensi. Penguat semacam itu digunakan jika tidak diperlukan bandwidth yang lebar, jika tidak maka perlu menggunakan penguat dengan koreksi eksternal, yang memungkinkan optimalisasi karakteristik frekuensi pada penguatan tertentu.

Diagram pertanda

Gambar 19.1. Rangkaian setara HF.

Dengan menggunakan rangkaian ekivalen ini, kita dapat menyatakan respon amplitudo-frekuensi

(19.1)

Di mana: f dengan frekuensi cutoff (kutub) sama dengan frekuensi cutoff atas

fc = 1/2pRC (19.2)

Dari ekspresi (19.1) jelas bahwa respons frekuensi kaskade tersebut dapat didekati dengan dua asimtot, Gambar 19.2:

pada frekuensi yang lebih rendah, di f <

K(f) =K 0;

pada frekuensi tinggi, dengan f >> fc, f/fc>>1, K(f)= K 0 fc/f.

Beras. 19.2. Perkiraan linier sepotong-sepotong dari respons frekuensi (diagram Bode)

Perkiraan respons frekuensi disebut diagram Bode. Di wilayah frekuensi tinggi, mis. f/f c >> 1, penguatan berbanding terbalik dengan frekuensi. Ketika frekuensi meningkat 10 kali lipat (dekade), frekuensi berkurang 10 kali lipat, mis. pada 20 dB/des.

Karena op-amp memiliki penguatan intrinsik yang besar K ¢ » 10 5, maka respon frekuensi K(f) diplot pada skala logaritmik ganda. Transisi ke unit logaritmik ketika mempertimbangkan amplifier multitahap menyederhanakan konstruksi respons frekuensi keseluruhan, karena penguatan keseluruhan ditentukan hanya dengan menjumlahkan penguatan masing-masing tahapan. Saat membangun karakteristik fase, pendekatan linier atau langkah sepotong-sepotong digunakan (Gbr. 19.2.).

Penguat operasional adalah penguat multistage yang terdiri dari tahapan struktur yang berbeda. Oleh karena itu, rangkaian ekivalen umum dari sebuah op-amp dapat direpresentasikan sebagai generator ekivalen yang dibebani pada beberapa rangkaian RC, Gambar 19.3.

Beras. 19.3. Rangkaian Setara Penguat Operasional

Biasanya jumlah sirkuit tersebut sesuai dengan jumlah kaskade. Frekuensi cutoff (kutub) untuk rangkaian ekivalen tertentu ditentukan oleh:

(19.3)

Perkiraan respons frekuensi op-amp dibuat dengan menambahkan faktor penguatan masing-masing tahapan, Gambar 19.4.

Membiarkan f c 1=10 4Hz, f c 2=10 5Hz, f c 3=10 6Hz

Pada frekuensi F .

pada f c2 pengaruh diringkas R1C1 Dan R2C2, resesi K(f) – 40 dB/des;

Perlu diperhatikan bahwa area kerja K(f) Op amp meluas ke frekuensi penguatan kesatuan f T, di mana K(f)=1(K dB = 0),

Dari karakteristik fasa op-amp (Gbr. 19.4) jelas bahwa f c 1 j=45° pada f c 2 - 135°. Pada f > f c 2, yaitu. pada f=f kp , j=-180°

Ini berarti bahwa pada frekuensi tertentu OOS berubah menjadi POS, yang menyebabkan eksitasi diri pada penguat.

Salah satu karakteristik penting dari amplifier adalah respon frekuensi amplitudo (AFC) dan respon frekuensi fasa (PFC), yang merupakan ketergantungan amplitudo (penguatan) pada frekuensi dan sudut fasa sinyal masukan dan keluaran pada frekuensi. frekuensi masing-masing. Dalam beberapa kasus, faktor penguatan dinyatakan dalam satuan logaritmik - desibel (dB):

Kemudian ketergantungan gain pada frekuensi disebut LFC (logaritmik amplitudo-frekuensi karakteristik).

Untuk memperkirakan rentang frekuensi penguat, respons frekuensinya diukur dan frekuensi batas atas ditentukan pada level 0,707 dari sinyal keluaran maksimum. Yang sesuai dengan pengurangan koefisien sebesar 3 dB

Gambar 1 LACCH OU

Op-amp nyata memiliki penguatan yang tinggi; respons frekuensi amplitudo logaritmik op-amp tanpa rangkaian umpan balik eksternal memiliki bentuk seperti yang ditunjukkan pada (Gbr. 1). Biasanya, buku referensi menunjukkan frekuensi di mana koefisien gaya sama dengan 1 - frekuensi satuan gaya ƒ satuan - yang biasanya 1 - 1000 MHz.

Untuk menganalisis pengoperasian rangkaian berdasarkan op-amp, kita akan menggunakan sifat dasar op-amp ideal:

1. Beda potensial antara masukan pembalik dan masukan bukan pembalik adalah nol (U cm = 0);

2. Arus bias masukan adalah nol (I + masukan = I - masukan = 0)

Penguatan rangkaian tersebut adalah rasio tegangan masukan terhadap tegangan keluaran:

KARAKTERISTIK AMPLITUD

Kemiringan karakteristik Amplitudo menekankan linearitas ketergantungan tegangan keluaran pada masukan. Bagian horizontal sesuai dengan mode operasi penguat operasional di mana tegangan input melebihi nilai maksimum

Ecm adalah tegangan bias, ditentukan pada Uout = 0 karena penyebaran parameter elemen op-amp tergantung pada suhu dan tegangan sumber listrik.

Penerapan op-amp:

Op-amp terintegrasi dalam parameter dan karakteristiknya mendekati op-amp ideal.

Nama op amp sendiri dikaitkan dengan operasi matematika terkenal (penjumlahan, pengurangan, diferensiasi, logaritma, integrasi, perbandingan, perkalian, dll), yang sebelumnya dilakukan dengan menggunakan op amp.

Op-amp terintegrasi modern bersifat universal; selain melakukan fungsi matematika, mereka dapat menjadi sumber tegangan, kontrol U, penguat pembalik dan non-pembalik, IPT (sumber arus searah), generator harmonik, dll.