Искусство схемотехники. Том 2 [Изд.4-е]

Рис. 7.7.Для получения полной скорости нарастания ОУ требуется значительное дифференциальное входное напряжение.

Смысл его в том, что схема, требующая большой скорости нарастания, работает с существенными напряжениями между входными клеммами ОУ. Это может привести к катастрофическим последствиям в схеме, претендующей на высокую точность.

Чтобы понять, чем определяется скорость нарастания, заглянем внутрь операционного усилителя. Подавляющее большинство ОУ могут быть смоделированы схемой, изображенной на рис. 7.8.

Рис. 7.8.Типичная схема частотной коррекции ОУ.

Дифференциальный входной каскад, нагруженный на токовое зеркало, возбуждает каскад с большим коэффициентом усиления по напряжению и с корректирующим конденсатором между выходом и входом. Выходной каскад — пушпульный повторитель с единичным коэффициентом усиления. Корректирующий конденсатор выбирается так, чтобы коэффициент усиления разомкнутой петли усилителя становился равным единице раньше, чем сдвиг фазы, вызванный остальными каскадами усилителя, станет существенным.

Таким образом, С выбирается таким, чтобы f_ср, полоса частот единичного коэффициента усиления, была близка к полюсу, с которого начинается спад усиления следующего каскада, как описывалось в разд. 4.34. Входной каскад имеет очень высокое выходное сопротивление и для следующего каскада является источником тока.

В операционных усилителях возникает ограничение скорости нарастания, когда выходной сигнал возбуждает один из транзисторов дифференциального каскада почти до насыщения, действуя на следующий каскад полным током эмиттера в дифференциальной паре. Это происходит при дифференциальном входном напряжении около 60 мВ, при котором соотношение токов в дифференциальном каскаде равно 10:1. В этот момент напряжение коллектора Т₅ изменяется с максимально возможной скоростью, а весь ток I_э идет на заряд конденсатора С. Таким образом, Т₅ и С образуют интегратор с ограниченной скоростью нарастания на выходе. Выведем выражение скорости нарастания.

Скорость нарастания: детальное рассмотрение. Прежде всего напишем выражение для коэффициента усиления разомкнутого контура по напряжению при малом сигнале переменного тока без учета сдвигов фаз:

А_U = g_mX_C = g/2πfC,

откуда полоса единичного усиления (частота, при которой А_U = 1) есть

f_ср = (1/2π)(g_m/C).

Скорость нарастания определяется током I_э, заряжающим конденсатор С:

S = dU/dt = I_э/С.

Для обычного дифференциального усилителя без эмиттерных резисторов g_m связано с I_э соотношением

g_m = 1/r_э = I_э/2U_T = I_э/50 мВ.

Подставляя это выражение в формулу скорости нарастания, находим

S = 2U_Tg_m/C,

т. е. скорость нарастания пропорциональна g_m/C, как и ширина полосы единичного усиления. В самом деле, S = 4πU_Tf_ср = 0,3f_ср, где f_ср выражено в МГц, а S — в В/мкс. Это выражение не зависит от конкретных значений С, g_m, I_э и т. д. и дает хорошую оценку для скорости нарастания (классический ОУ 741, например, имеет f_ср ~= 1,5 МГц и скорость нарастания порядка 0,5 В/мкс). Отсюда ясно, что ОУ с большим значением произведения ширины полосы пропускания на коэффициент усиления (f_ср) будет иметь большую скорость нарастания. Нельзя улучшить быстродействие ОУ только увеличивая ток I_э входного каскада, поскольку увеличение коэффициента усиления (за счет роста g_m) требует соответственного увеличения значения С для частотной коррекции. Добавочное усиление в других каскадах ОУ также не помогает.

Из изложенного ясно, что увеличение f_ср за счет увеличения токов коллекторов, подбора более быстродействующих транзисторов и т. д. увеличивает скорость нарастания. Конечно, всегда желательно иметь большое значение f_ср, и это хорошо известно разработчику ИС, который конечно же сделал, проектируя кристалл, все, что мог. Тем не менее существует способ обойти ограничение S = 0,3f_ср, и он основан на том, что крутизна определяется значением I_э (g_m = I_э/2U_T). Можно использовать простой прием для увеличения I_э (и соответственно скорости нарастания при фиксированном значении f_ср, а в силу этого и при фиксированной форме частотной характеристики).

Проще всего добавить некоторое сопротивление в эмиттерную цепь дифференциального входного каскада. Предположим, что мы сделали что-нибудь в этом роде, в результате чего I_э вырос в m раз при постоянном значении g_m. Повторив приведенные выше выкладки, получим S = 0,3mf_ср.

Упражнение 7.1. Покажите, что описанный прием дает указанный эффект.