10.1.2. Распределение линейных искажений по каскадам

Для многокаскадного усилителя гармонических сигналов в первую очередь распределяется по каскадам заданный коэффициент частотных искажений в области верхних частот . Это обусловлено тем, что коэффициент усиления каскада и уровень вносимых им линейных искажений определяют выбор типа ОУ.

, (10.2)

где  коэффициент частотных искажений i-го каскада, дБ.

Суммирование (n+1) слагаемых производится в случае необходимости учета влияния входной цепи. Если ее влияние несущественно, то верхний предел суммы принимается равным числу каскадов n.

Предварительно распределить искажения можно равномерно, при этом .

В последующем электрический расчет может показать целесообразность перераспределения искажений между каскадами (в том числе неравномерное распределение частотных искажений по каскадам, например, для унификации типов ОУ в разных каскадах усилителя).

Примечание. Заданные частотные искажения в области нижних частот распределяются по цепям и каскадам после предварительного электрического расчета, который определит необходимость и места включения разделительных и блокировочных конденсаторов.

После распределения линейных искажений в области верхних частот для каждого из каскадов определены:

• номинальная амплитуда выходного сигнала;

• допустимая величина на заданной верхней частоте рабочего диапазона частот;

• требуемый коэффициент усиления .

Эти параметры позволяют приступить к выбору типа ОУ.

Для многокаскадного усилителя импульсных сигналов (ИУ) в основном все изложенное выше тоже справедливо. Исключение составляет распределение линейных искажений импульсного сигнала в области малых времен.

Для многокаскадного ИУ (раздел 5), каскады которого имеет монотонные переходные характеристики, результирующее время установления равно:

, (10.3)

где - время установления для i-го каскада;

n  число каскадов усилителя.

результирующее время установления в ТЗ может быть задано косвенно через длительность фронта входного сигнала и длительность фронта выходного сигнала . Тогда

.

При равномерном распределении заданного времени установления по каскадам усилителя время установления одного каскада

После распределения линейных искажений в области малых времен для каждого из каскадов определены:

• номинальная амплитуда выходного сигнала;

• допустимое время установления ;

• требуемый коэффициент усиления .

Эти параметры позволяют приступить к выбору типа ОУ.

10.1.3. Выбор операционного усилителя

Для каскадов усилителей гармонических сигналов операционный усилитель выбирается по трем основным параметрам (рисунок 10.1).

1. Частота единичного усиления  (здесь и далее звездочкой будем отмечать справочный параметр ОУ, обозначение, принятое для зарубежных ОУ). Это частота, на которой модуль коэффициента передачи ОУ становится равным 1 (на более высоких частотах ОУ не усиливает напряжение). Частота является мерой усилительной способности ОУ. Для ОУ с внутренней коррекцией АЧХ частота по смыслу аналогична площади усиления каскада на полевом транзисторе (подразд. 6.2). для ОУ без внутренней коррекции (со вторым полюсом диаграммы Боде в полосе частот до частоты единичного усиления) – аналогична площади усиления биполярного транзистора (граничной частоте усиления по току базы в схеме с ОЭ  ).

при коэффициенте частотных искажений на заданной верхней рабочей частоте усилителя для обеспечения коэффициента усиления i-го каскада выбираемый ОУ с внутренней коррекцией АЧХ (подразд. 6.2) должен иметь

, (10.4)

где  верхняя граничная частота i-го каскада.

2. М аксимальная амплитуда выходного напряжения ОУ (п. 6.1.2) характеризует низкочастотное значение максимально-достижимой амплитуды гармонического сигнала (рисунок 10.2).

определяется напряжением питания ОУ  и остаточным напряжением на выходном электроде транзистора выходного каскада (повторителя). Обычно она определяется справочными данными ОУ и лежит в пределах .

Для обеспечения заданной амплитуды выходного напряжения i-го каскада выбираемый ОУ (подразд. 6.2) должен иметь .

3. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения ОУ   определяется при подаче на его вход перепада (скачка) напряжения перекрывающего весь раствор линейного участка зависимости (п.6.1.2). характеризуется касательной в точке перегиба выходного напряжения реального инерционного ОУ (рисунок 10.3). Для идеального безынерционного ОУ (пунктирная линия на рисунке 10.3) скорость нарастания выходного напряжения . Реальный ОУ (за счет инерционных свойств элементов схемы ОУ, в первую очередь транзисторов) не может моментально отреагировать на скачок напряжения на входе (сплошная кривая на рис. 10.3). Максимальный угол наклона касательной характеризует быстродействие ОУ (для идеального ОУ угол наклона касательной 90⁰). определяет быстродействие ОУ, т.е. максимально-достижимую амплитуду выходного напряжения высокочастотного сигнала на заданной частоте .

.

Скорость изменения этого напряжения

.

Максимальное значение принимает при переходе выходного напряжения через нулевое значение (при )

.

Требуемое значение должно быть не менее максимального значения

.

для обеспечения требуемой амплитуды выходного напряжения i-го каскада на верхней рабочей частоте усилителя выбираемый ОУ с (подразд. 6.2) должен иметь

. (10.5)

4. Кроме перечисленных выше параметров при выборе ОУ следует принимать во внимание особенности требований к параметрам ОУ, налагаемые необходимостью реализации особых требований ТЗ. К ним относятся: шумовые параметры, если задано отношение сигнал/шум или по назначению рассматриваемый каскад усилителя должен обеспечивать повышенную чувствительность и определять отношение сигнал/шум проектируемого устройства; напряжение смещения, входной ток, ток сдвига (разность входных токов), если рассчитываемый каскад будет определять напряжение сдвига нуля на выходе всего усилителя, ограничивать достижимую амплитуду его выходного напряжения усилителя и существенно влиять на коэффициент гармоник усилителя (п.п. 6.2.1, 6.2.2); коэффициент ослабления синфазной помехи; допустимый рабочий диапазон температур и т.д.

Примечания.

При выборе ОУ не рекомендуется брать запас более 5 10 раз по любому из параметров, если это не обусловлено особыми соображениями, связанными с реализацией требований ТЗ или унификацией комплектующих разрабатываемого устройства.

При выборе ОУ следует внимательно ознакомиться с вводной частью используемого справочника, в которой даются аббревиатуры, условные обозначения характеристик, термины и определения, принятые в этом справочнике. Кроме того, в справочных данных ОУ ряд характеристик может быть задан косвенно (например: диаграмма Боде, вместо частоты единичного усиления; размах выходного напряжения вместо его максимальной амплитуды; графические зависимости спектральной плотности входного шумового напряжения вместо спектральной плотности белого шума и частоты сопряжения белого и фликкер-шума и др.)

Для каскада усилителя импульсных сигналов операционный усилитель выбирается (6.37, 6.38) по тем же трем основным параметрам (рисунок 10.1), что и в усилителе гармонических сигналов (подразд. 6.2):

,

,

. (10.6)

Кроме этих параметров при выборе ОУ следует принимать во внимание, как и в каскаде усилителя гармонических сигналов, особенности требований к параметрам ОУ, налагаемые необходимостью реализации особых требований ТЗ.