1.5 Амплитудно-частотная характеристика, полоса пропускания, скорость нарастания сигнала

Когда ОУ используется в схеме усиления сигнала переменного тока, то важно знать ожидаемый уровень выходного сигнала. Если на выходе присутствуют только малые сигналы переменного напряжения с амплитудой < 1 В, то важными параметрами ОУ, ограничивающими его возможности, являются шумы и частотная характеристика.

Если на выходе ожидаются сигналы переменного напряжения большой величины, то насколько может быть искажен выходной сигнал, определяется параметром ОУ, который называется максимальной скоростью нарастания.

Многие ОУ имеют внутреннюю (встроенную) коррекцию, направленную на предотвращение автогенерации ОУ на высоких частотах. В схеме ОУ, как правило, в цепь обратной связи включен конденсатор малой емкости, обычно 30 пФ, кроме того, сама схема имеет распределенные реактивные сопротивления, значения которых зависит от частоты.

Поэтому при увеличении частоты входного сигнала уменьшается коэффициент усиления К. Изготовители ОУ предоставляют частотную зависимость усиления ОУ без обратной связи в виде кривой, называемой амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ).

Амплитудно-частотная характеристика

На рис. 1.7 представлена АЧХ операционного усилителя μА741 с внутренней коррекцией без обратной связи.

На низких частотах (менее 0,1 Гц) коэффициент усиления без обратной связи очень велик. По паспорту на μА741 его значение равно 200 000 ( 106 дБ). Точка А на рисунке фиксирует сопрягающую частоту (перегиба), на которой коэффициент усиления по напряжению составляет 0,707 его значения на очень низких частотах.

Следовательно, в точке А (где частота Е_вх равна 5 Гц) коэффициент усиления по напряжению равен 140 000 ( 0,707х200 000).

Об изменении усилителя или частоты в 10 раз принято говорить как об изменении на «декаду». Усиление по напряжению при увеличении частоты на одну декаду уменьшается на 20 дБ. Изменение АХЧ на участке любой точки А до 5 соответствует спаду в 20 дБ/декада, а все уменьшение коэффициента усиления от точки А до точки Б соответствует 100 дБ или 10⁵ раз.

Другое обозначение того же факта: спад в 6 дБ/октава – означает изменение частоты в два раза, т.е. когда частота удваивается, усиление по напряжению уменьшается на 6 дБ.

Полоса единичного усиления

На рис. 1.7 точка В обозначает полосу единичного усиления ОУ на малом сигнале. Она расположена на частоте, где коэффициент усиления по напряжению без обратной связи равен 1. На графике (рис.7) полоса единичного усиления равна 10⁶ Гц.

В паспортах на некоторые ОУ взамен единичного усиления указывается другой параметр, называемый временем нарастания переходного процесса (t_н) при единичном усилении. Время нарастания определяется как время, необходимое для нарастания выходного напряжения с 10 до 90 % от своего конечного значения. Это означает, что для ОУ, который имеет t_н=0,35 мкс, на изменение напряжения на его выходе с 2 до 8 мВ требуется время 0,35 мкс.

Полоса пропускания единичного усиления В и время нарастания t_н связаны следующей зависимостью:

(.24)

где В – измеряется в герцах, а t_н – в секундах.

По графику АЧХ (рис. .7) можно определить чему будет равен коэффициент усиления К_f без обратной связи на определенной частоте входного сигнала f.

Например, при f = 1000 Гц коэффициент усиления К_f = 1000 (60 дБ) – точка С на графике.

Коэффициент усиления К_f без обратной связи на определенной частоте f входного сигнала можно определить так же по формуле:

(.25)

где В – полоса единичного усиления в Гц.

Пример 6.

Частота единичного усиления ОУ К140УД7 по паспорту равна 0,8 МГц. Чему будет равен коэффициент усиления усилителя без обратной связи для входного сигнала с частотой 1 кГц.

Решение:

Из уравнения (.25)