Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электроника и схемотехника. Учебное пособие для СПО
.pdf
111
Схема замещения фотодиода реализует протекание фото-
тока благодаря наличию зависимого источника тока G, сила отдаваемого тока которого определяется воздействием на вход IN
светового потока мощностью V:
( ) ( )I G RESPONSIVITY V IN=
,
(6.14)
где
RESPONSIVITY
— коэффициент интегральной чувствитель-
ности.
Параметры диода D соответствуют параметрам P-Spice
модели полупроводниковому диоду. В табл. 6.1 приведены параметры макромодели фотодиода.
Таблица 6.1
Параметры макромодели фотодиода
Обозначение
Параметр
Размерность
Типовые
значения
RESPONSIVITY
Коэффициент
интегральной
чувствительности
—
0,5 … 0,62
IDARK
Темновой ток
А
1 … 200
E-9
R
Объемное сопротивление
Ом
1 … 1 000
Е-3
CJO
Барьерная емкость
р-n-перехода при
нулевом смещении
Ф
10 … 1 000
Е-12
BV
Напряжение обратного пробоя
В
30 … 300
N
Коэффициент
неидеальности
тока насыщения
—
1 … 1,5
112
Макромодель фототранзистора реализует воздействие
светового потока на базу, приводящее к возникновению фототока. На рис. 6.18 приведена эквивалентная схема замещения фототранзистора.
Q
G
EMITTERCOLLECTOR
IN
Рис. 6.18. Эквивалентная схема
замещения фототранзистора
Параметры транзистора Q соответствуют параметрам
P-Spice модели биполярного транзистора. Входящий в эквивалентную схему зависимый источник тока G формирует ток, который определяется воздействием на вход IN светового потока
мощностью V согласно формуле (6.14). Коэффициент интегральной чувствительности, входящий в выражение (6.14), для
фототранзисторов принимает значения 0,05 … 0,2. Результирующее значение коллекторного тока, отдаваемого в нагрузку,
определится как:
( ) ( )
С
I Q BF I G=
,
(6.15)
где BF — коэффициент передачи тока в нормальном режиме в
схеме с ОЭ.
Статические характеристики фототранзистора соответствуют характеристикам биполярного транзистора с тем отличием, что ток в базовой цепи определяется световым воздействием. Динамические характеристики фототранзистора полностью соответствуют характеристикам биполярного транзистора,
в качестве модели которого используется модель Гуммеля —
Пуна.
Макромодель оптопары может быть реализована на основе физического эквивалентного представления источника излу-
113
чения и фотоприемника. На рис. 6.19 приведена эквивалентная
схема замещения транзисторной оптопары.
Q
G
LED
ANODE
EMITTER
COLLECTOR
CATHODE
Рис. 6.19. Эквивалентная схема
замещения транзисторной оптопары
Параметры биполярного транзистора Q и излучающего
диода LED соответствуют параметрам P-Spice моделей. Зависимый источник тока G формирует ток, пропорциональный току
излучающего диода:
( ) ( )I G RESPONSIVITY I LED=
.
(6.15)
Спектр излученного диодом LED сигнала в рассматриваемой модели принимается за монохроматический. Чувствительность фототранзистора к воздействию излучения учитывается
при помощи коэффициента интегральной чувствительности RE-
SPONSIVITY, входящего в соотношение (6.15). На формирование статической характеристики передачи тока оказывает влияние нелинейная в общем случае зависимость тока коллектора от
тока базы. Быстродействие оптопары при передаче импульсных
сигналов в рассматриваемой модели связано с параметрами диода и транзистора, отвечающих за время переноса зарядов (ТТ,
ТF, XTF, ITF, VTF), влияние емкостных элементов (CJC, CJE).
На все рассмотренные макромодели разработаны базы
данных оптоэлектронных приборов зарубежного и отечественного производства.
114
7. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель постоянного тока с симметричной входной цепью и несимметричным выходом, предназначенный для обработки аналоговых сигналов, — усиления, сложения, вычитания, интегрирования, дифференцирования, логарифмирования, потенцирования, преобразования формы и др. Все эти операции ОУ выполняет с помощью
цепей положительной и отрицательной обратной связи. К характеристикам ОУ предъявляют определенные требования, которые
сводятся к тому, чтобы ОУ как можно ближе соответствовал идеальному источнику напряжения, управляемому напряжением, с
бесконечно большим коэффициентом усиления. При этом входное сопротивление идеального ОУ стремится к бесконечности,
выходное сопротивление должно быть близким к нулю, а частотный диапазон усиливаемых сигналов должен простираться от
постоянного напряжения до очень высокой частоты.
Входная цепь ОУ выполняется по схеме дифференциального усилительного каскада, входные сигналы можно подавать
на любой из двух входов, один из которых изменяет полярность
выходного напряжения и поэтому называется инвертирующим,
а другой не изменяет полярности выходного напряжения и
называется неинвертирующим.
Выходное напряжение для ОУ определяется выражением:
12
()
вых вх вх д
U U U К=−
, (7.1)
где
д
К
— коэффициент усиления дифференциальных сигналов
при разомкнутой цепи обратной связи (
д
К →
), а
1вх
U
,
2вх
U
—
входные напряжения ОУ.
7.1. Характеристики операционных усилителей
Основные характеристики операционных усилителей подразделяются на две группы: статические и динамические. К статическим относятся характеристики, определяющие работу ОУ
в установившемся режиме:
115
– коэффициент усиления дифференциальных сигналов
при разомкнутой цепи обратной связи (
д
К
);
– коэффициент усиления синфазных сигналов (
с
К
);
– токи покоя и напряжения покоя при воздействии которых
на входные зажимы ОУ выходное напряжение обращается в ноль;
– ток смещения (
см
I
) и напряжение смещения (
см
U
);
– чувствительность напряжения смещения к изменению
температуры окружающей среды (
см
U
T
);
– коэффициент подавления синфазного сигнала (
псс
K
);
– максимальный выходной ток и максимальное выходное
напряжение;
– потребляемый ток (
потр
I
).
К динамическим характеристикам, учитывающим быстродействие работы ОУ, относятся:
– скорость нарастания выходного напряжения
(
вых
вых
U
dU
V
dt
=
);
– частота единичного усиления (
Т
f
);
– время установления (
уст
t
), за которое выходное напря-
жение ОУ достигнет установившегося значения с допустимой
колебательностью;
– время спада (
cп
t
), за которое выходное напряжение до-
стигнет значение равное напряжению в отсутствии сигнала.
Скорость нарастания выходного напряжения зависит от
крутизны
S
дифференциального каскада на входе и выходной
емкости
вых
C
на выходе ОУ. Для определения скорости нарас-
тания на вход ОУ необходимо подавать столь большое входное
напряжение, чтобы входной дифференциальный каскад полностью переключался из одного состояния в другое.
На рис. 7.1 показана типовая амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристика коэффициента передачи ОУ. Пер-
вая угловая частота
1
f
называется доминантно-полюсной часто-
116
той,
2
f
и
3
f
— частоты перегиба; а частота, при которой кривая
()Kf
усиления
.
Т
f
При наличии цепей обратной связи полоса про-
пускания ОУ ограничена значением верхней граничной частоты
В
f
, соответствующей петлевому усилению со значением
1К
=
и вносимому фазовому сдвигу
.
Рис. 7.1. Частотные характеристики
операционного усилителя
Параметры ОУ в динамическом режиме работы во многом
зависят от цепей частотной коррекции, которая осуществляется
с помощью RC-цепей, подключаемых к соответствующим зажимам ОУ. Основное назначение коррекции — предотвращать
возникновение автоколебаний в ОУ при охвате его цепью отрицательной обратной связи. Причина возникновения автоколеба-
f
T
1К
=
fВ f
1
f
2
f
3
10
5
104 103 102 10
1
1
К 1 101 102 103 104 105 106 107 f, Гц
f
В
0
,
0
-90
-180
-270
117
ний кроется в том, что в самом ОУ и в цепях обратной связи
имеются фазовые сдвиги, вследствие чего отрицательная обратная связь на некоторой частоте превращается в положительную.
Корректирующие цепи обычно рекомендуются предприятиемизготовителем и приводятся в справочных руководствах. Для
корректированного ОУ при расчете скорости нарастания выход-
ного напряжения вместо выходной емкости
вых
C
необходимо
подставлять корректирующую емкость
кор
C
. Уменьшение емко-
сти
кор
C
приводит к увеличению усиления и максимальной ско-
рости нарастания, однако это можно сделать только в том случае, если коррекция выполняется с помощью внешних элемен-
тов. При внутренней коррекции емкость
кор
C
является элемен-
том интегральной микросхемы, и уменьшить ее нельзя.
7.2. Классификация операционных усилителей
По совокупности параметров ОУ делятся на следующие
группы:
– универсальные;
– прецизионные;
– быстродействующие;
– микромощные.
В табл. 7.1 приведены сравнительные данные для некоторых типов ОУ из различных групп. Универсальные ОУ применяют в случаях, когда нет специальных требований к току и
напряжению смещения, скорости нарастания выходного сигнала, потребления от источника; частота единичного усиления для
универсальных ОУ не превышает 1 МГц, а относительная погрешность преобразования не больше 5 %. Прецизионные ОУ
имеют малые значения напряжения смещения, чувствительности параметров к изменению температуры, кроме этого они отличаются большим значением коэффициента передачи при
разомкнутой цепи обратной связи (
д
К
), что приближает их к
идеальным ОУ.
118
Таблица 7.1
Сравнительные характеристики ОУ
Тип
ОУ
Группа
д
K
,
3
10
,
см
U
мкВ
см
U
T
,
К/мкВ
,
см
I
нА
,
псс
K
дБ
,
T
f
МГц
,
/
вых
U
V
В мкс
К140
УД7
универ-
сальные
50
4000
6,00
50
70
0,8
10,0
К140
УД24
преци-
зионные
1000
5
0,05
2
10
−
120
2,0
2,5
154
УД2
быстро-
дей-
ствую-
щие
10
2000
10,00
10
100
>
50,0
75,0
К1423
УД1
микро-
мощные
10
5000
5,00
4
5 10−
70
…
1,4 … 1,6
Быстродействующие усилители отличаются широкой полосой пропускания и высокой скоростью нарастания выходного
напряжения. Микромощные усилители отличаются высокой
экономичностью; они могут работать при напряжении питания
от 1,5 В и потреблять ток 10 … 1000 мкА.
119
7.3. Макромодели операционных усилителей
Модель идеального ОУ (модель первого уровня) может
быть построена на основе источника напряжения, управляемого
напряжением (рис. 7.2). Входящий в модель зависимый источник тока формирует усиленный сигнал в соответствии с выражениями:
д
K
GM
R
=
,
(7.2)
12
( ) ( )
вх вх
I G GM U U= −
.
(7.3)
Рис. 7.2. Модель идеального
операционного усилителя
Модель идеального ОУ обладает неограниченной скоростью переключения, полосой пропускания, что не позволяет ее
использовать при оценке скорости нарастания выходного сигнала, частотных характеристик. Поэтому модель первого уровня
замещения ОУ имеет ограниченное применение.
Реализуемые промышленным способом ОУ отличаются
рядом параметров. Точную модель ОУ можно получить заменой
содержащихся в нем транзисторов и диодов их схемными моделями. Однако, учитывая сложность подобных моделей, обычно
используют так называемые макромодели. С помощью макромоделей можно учесть конечные значения входных и выходных
импедансов, их емкостной характер, конечность коэффициента
передачи и его частотную зависимость. В случае нелинейной
макромодели можно также отобразить режим ограничения вы-
(+)
(-)
GM
R
U
Выход
120
ходного напряжения и конечное ограничение скорости нарастания выходного напряжения. На рис. 7.3 приведена двухполюсная макромодель ОУ (модель второго уровня).
Рис. 7.3. Двухполюсная макромодель
операционного усилителя
Коэффициент передачи двухполюсной модели ОУ равен:
12
0
( ) /[(1 )(1 )],K p K p p
= + +
(7.4)
где
0
K
— коэффициент передачи по напряжению в области
низких частот,
1
1
1 1/(2 )R C f
==
— постоянная времени пер-
вого полюса,
2
2
2 1/(2 )R C f
==
— постоянная времени второ-
го полюса,
1
f
и
2
f
— полюсные частоты.
Стандартная модель ОУ (модель третьего уровня) представлена на рис. 8.4 Входной дифференциальный каскад на
транзисторах
1Q, 2Q
учитывает такие эффекты, как наличие
токов смещения и зависимость скорости нарастания выходного
напряжения от входного дифференциального напряжения. Емкость
1С
вместе с емкостями переходов транзисторов позволя-
ют имитировать двухполюсный характер частотной характеристики ОУ. Управляемые источники тока GA,
GSM
и резисторы
2R
,
02R
моделируют дифференциальное и синфазное усиление
ОУ. Емкость 2С, включаемая в схему по выбору пользователя,
реализует внутреннюю или внешнюю коррекцию ОУ.
(+)
(-)
U
вх
GM
С2
R
С1
R
GM
Выход
GM
R
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]