переходного процесса н его частота. Приблизительную макаимальную амплитуду колебательного процесса можно оценить при помощи параметра Z. На рис. 5.33

О 0,1 о,г 0,3 о,ц 0,5 0,6 г

Рис 5 33 Подт.ем частотной характеристики как функция парамзтра Z (с разрешения фирмы .\\otoro]a )

приведена заниюимость (подъема частотной характери-стини от неличины Z. Таблица 2 содержит приблизительные значения подъема частотной характеристики в децибелах для некоторых значений Z.

т ч Б л и ц л 2

5.22.3. ПРИМЕР ИЗМЕРЕНИЙ

Ниже приводится пример того, как можно измерить устойчивость системы, используя переходную характеристику. Как частота подъема характеристики, так и амплитуда колебаний измеряются в испытательной схеме, эквивалентной схеме предполагае-

мого применения. Если частота, получаемая путем вычислений, соответствует требуемому диапазону частот, то ОУ можно рассматривать как устойчивый, по меньшей мере, в данно.м диапазоне.

Допустим, что ОУ включер! в измерительную схему рис. 5.31, а его характеристика подобна приведенной на рис. 5.32. При этом значения выбросов напряжения Vp и времени / paBFibi: Vpi= 1,867; 1/р2 = 0,366; Урз= 1,534; /i-l,16 мкс; з = 3,48 мкс.

Подстановка этих значений в уравнения, приведенные под рис. 5.32, дает:

1.867-1,534

0,366

1,867- 1.534

0,366

= 0,029.

i- 1,8615

Частота подъема 6,28/(3,48-1 ,16 - Z) 431 кГц.

1о 1-ш

Как видно из рис. 5.33, значение Z, равное 0,029, соответствует величине подъема приблизительно 24 дБ. Таким образом, частотная характеристика усилителя должна быть подобна приведе(гной

на рис. 5.34. Это означает, что характеристика должна быть от-нос11тельио плоской при коэффициенте усиления по напряжению, равном 10 (20 дБ), но иметь подъем на 24 дБ на частоте около 431 кГц. Частотная характеристика, показанная на рис. 5.34, типична для ОУ, работающего с замкнутой обратной связью, если логарифмическая амплитудно-частотная характеристика с замкнутой обратной связью проходит через нуль на частоте, соответствующей участку характеристики с разомкнутой обратной связью, и.меющему наклон 12 дБ/октава.

Если частота или величина подъема выходит из допустимых значений, необходимо изменить параметры элементов коррекции и повторить испытание. Это следует проделывать до получения удовлетворительных результатов. Величина подъема должна быть минимальной, а частота - максимальной. Однако ширина полосы и подъем зависят от предполагаемого применения. После выбора окончательных значений параметров корректирующих цепей и получения переходной характеристики, которая с хорошим запасом укладывается в допустимые пределы, можно порекомендовать измерить частотную характеристику системы, как указано в § 5.1 и 5.2.

1111 hill I 1.11 lull I I I lull I i,\ mil

/ fO WO WOO Частота ,пГи,

Рис. 5.34. Частотная характеристика с подъемом

5.23. Фазовый сдвиг

В ОУ используется принадп подачи обратной связи \с выхода на вход, поэтоэду величина фазового сдвига 1между выходным и выходньим сигналами является весьма критичвой. Все схемы частотной коррекции, применяемые в ОУ, основаны на принципе обратной связи. При идеальных условиях и разомкнутой ОС выходной сигнал должен (быть сдвинут на 180°, т. е. находиться в нротивофазе по отношению к входному на инвертирующем входе н в фазе с сигналом на неинвертирующем входе. Как говорилось в гл. 1, величина фазового сдвига в реальньих усилителях не остается неизменной ири изменении частоты. Воо^бще говоря, фазовый сдвиг возрастает при увеличении частоты. Во всяком случае, часто оказывается необходимым производить фазовые измерения при работе с ОУ для определения многих факторов (ианри.мер, частотной характеристики), выбора наилучшей схемы частотной коррекции и т д.

В последующих подразделах описываются два метода измерения фазового сдвига между входным и выходным сигналами ОУ, применимые для обоих входов - инвертирующего т неинвертирующего. Методика пригодна для любого ОУ, усиливающего сигналы таких частот, которые можно измерять при помощи осциллографа.

Идеальным приборо.м для фазовых измерений является осциллопраф. Наиболее удобный метод основан на использовании двухлучевого осциллографа или электронного коммутатора, создающего второй луч. Если оба этих прибора недоступны, все же можно обеспечить проведение точных фазовых измерений до частот приблизительно 100 кГц при помощи .метода фигур Лиссажу.

5.23.1. ДВУХЛУЧЕВОЙ МЕТОД ФАЗОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Двухлучевой метод фазовых измерений обеспечивает высокую степень точности на любых частотах, однако он особенно полезен на частотах, превышающих 100 кГц, когда фазовые измерения с помощью фигур Лиасажу могут дать ошибочные результаты. Последнее

обусловлено юобспвенным фазовым сдвигом осциллографа.

Преимуществом двухлучевого метода является также возможность измерений разности фаз между оитна-лами с различными амплитудами и формами, что характерно для входных и вьгходных сигналов ОУ. Для измерений двухлучевы.м методом иепосредственио пригодны двухлучевые осциллотрафы или однолучевые осциллографы € электронными коммутаторами. В обоих случаях методика заключается в том, чтобы сначала пол1учить одновременное изображение на экране осциллографа входного и выходного сигналов, измерить по делениям масштабной сетки расстояние между соответ-ствующими точками на ,каждо.м из лучей, а затем пересчитать данное расстояние в фазу.

Схема измерений фазы двухлученым методом приведена на рис. 5.35а. Для получения результатов с максимальной точностью необходимо, чтобы оба кабеля.

Рис 5 35 Измерение фазового сдвига при помощи дв\х.1учевого осциллографа-

а) 1-двухлучевой осциллограф, 2 - однолучевой осцил1ограф, 3 - электронный коммутатор, б), в) 1 - входной сигнал, 2 - отстающий выходной сигнал

подключенные ко входу и к выходу, обладали одинаковыми характериетиками и длиной. На высоких частотах разница в длине или параметрах кабелей может вызвать фазовый сдвиг.

Регулировкой осциллографа следует добиться, чтобы один период в.ходного сигт1ала занимал ровно девять делений, т. е. 9 см по горизонтали экрана. Затем определяется .масштаб по фазе для входного сигнала. Например, если 9 см соответствуют полному периоду, т. е. 360°, то 1 см соответствует 40°, так как 360/9 = 40.

После определения масштаба по фазе измеряется расстояние по горизонтальной оси между соответству-юшими точками входного и выходного сигналов. Измеренное расстояние умножается на масштаб но фазе, равный 407см, с целью точного онределення величины фазового сдвига. Допустим, например, что разность по горизонтальной оси составляет 0,6 см при масштабе по фазе 40°, как показано на рис 5.356. Умножаем разность но горизонтали (0,6 см) на маси1таб но фазе (40°/см) и находим фазовый сдвиг (24°) между входным и выходным сигналами.

Следует отметить, что схема измерений, приведенная на рис. 5.35а, соответствует отображению на экране сигнала, присутствующего на инвертирующем входе. Этим создается фазовый сдвиг на 180° .между входо.м и выходом обычного ОУ. Таки.м образом, если в схе.ме, приведенной на рис. 5.35а, измеряется фазовый сдвиг величиной, например, 160°, то фаза отличается от нормальной всего на 20°.

Более точные фазовые измерения можно проделать при помощи осциллографа с множителем развертки (<Myna времени ), который позволяет увеличить скорость развертки в определенное число раз (5Х, ЮХ и т. д.) и отобразить на экране только часть одного периода. В этом случае масштаб по фазе и приблизительное значение разности фаз определяются таким же образом, как было описано выше. Затем при неизменных положениях остальных органов управления скорость развертки увеличивается при по.мощи ручки множителя развертки или ручки управления частотой развертки и производится новое измерение расстояния но горизонтали, как показано на рис. 5.35б.

Например, если скорость развертки увеличена в 10 раз, новое значение масштаба но фазе равно 40°/10=-==4°/см. На рис. 5.35б показан тот же самый сигнал,

что ,и На рис. 5.356, но при установке скорости развертки В положение 10X. При разности расстояний по горизонтальной оси, ра(вной 6 см, разность фаз составит 6X4° = 24°.

5.23.2. ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗЫ МЕТОДОМ ФИГУР ЛИССАЖУ

На частотах приблиз'ительно До 100 кГц для из.мерения разности фаз между входным и выходньбм сигналами ОУ находит применение метод фигур Лис-сажу. На более (вы.соких частотах собственная фазовая погрешность осциллографа, обусловленная различием между горизонтальным или вертикальным (каналами, затрудняет проведение точных фазовых измерений.

При использовании метода ф1игур Лиссажу один из сигналов, обычно входной, создает горизонтальное от-

1 Ф

Рис 5 36 Измерение фазового сдвига методом фигур Лиссажу а) собственного, б) уси.тителя; в) к оиределсиию синуса угла фагового сдвига Л/В

клонение (X), а другой - вертикальное отклонение (Y). Фазовый угол между двумя сигналами можно определить (ПО фигуре, (возн.икаюшей npiH этом (на экране. Схема измерений по М'стоду фигур Лиссажу пр(иведена на рис. 5 36.

На рис. 5.36а приведена схема измерений, нужная для Определения собственного фазового сдвига (разумеется, если он сушествует) между горизонтальнькми и вертикальными (каналами осциллографа. При наличии гакого фазового (одвига его следует измерить и запи-ать. Если фазовый сдв(иг слишком велик по сравнению с разностью фаз, измеряемых сигналом, то данным ос-

циллографом нельзя пользоваться Возможное исключение относится к сигналам, амплитуда которых достаточно велика, чтобы подать (Их непосредственно на отклоняющие пластины осциллографа, минуя горизонтальный и Вертикальный усилители.

Органы управления осциллографа устанавливаются в такие положения, чтобы фигура Лиасажу разместилась в центре экрана, как показано на рис. 5 Збв. При подключении выхода ОУ к входу Y обычно приходится снижать коэффициент усиления вертикального -канала, чтобы скомпенсировать избыточное усиление сигнала самим ОУ. После установки изображения но центру относительно оси У измеряются расстояния А и В, как показано на ipnc. 5.36в.

Расстояние А измеряется по вертикальной оси между двумя точ/ками, в которых фигура Лиссажу пересекается с центральной осью. Расстояние В - это .максимальная высота фигуры по вертикали Синус фазового

О илиЗбО-

30 или 330

эо илигю

Рнс 5 37 Определение приблизительной величины фазы по фигурам Лиссажу

угла между обоими сигналами определяется как отношение А к В Ту же методику можно использовать для нахождения собственного фазового сдвига -или фазового угла. Это по-ка-зано на рис. 5.36а и б соответственно.

На рис. 5.37 приведены фигуры Лиссажу для разных значений фазового сдвига- от О до 360° Необходимо отметить, что .при фазовом сдвиге, превышающем 180°, фигура будет такой же, как на некоторой более нижой частоте Поэтому трудно сказать, является ли сигнал опережающим или отстающим по фазе. О'дин из способов оиределения знака (опережающий или отстающий) заключается во ведении небольшого фазового

сдвига известного знака в один из сигналов. Тогда можно найти соответствующий угол, заметив направление, в котором сдвигается фигура.

Как видно из рис. 5.37, если фигура Лиссажу представляет собой диагональную прямую линию, то оба сигнала либо находятся в фазе (направление слева направо и снизу вверх), либо в противофазе (направление слева направо и сверху вниз). Эти условия являются идеальными для ОУ. Если фигура представляет co6oji правильную окружность, то сигналы сдвинуты по фазе на 90°.

После определения собственного фазового сдвига осциллографа (см. рис. 5.36а) и измерения фазового сдвига ОУ (см. рис. 5.366) следует вычесть собственную разность фаз из данного фазового угла, чтобы найти истинное значение разности фаз.

Допустим, например, что собственная разность фаз равна 3°, а фигура подобна показанной на рис. 5.36в, причем расстояние А равно 2 см и расстояние В - 4 см. Синус угла сдвига фаз равен Л/Б, т. е. 2/4, пли 0,5. По таблице синусов находим, что значение 0,5 соответствует углу 30°. Для того чтобы учесть разность фаз между каналами X w У осциллографа, вычитаем собственный фазовый сдвиг (30°-3°) и находим истинную разность фаз, равную 27°.

5.24. Скорость нарастания выходного напряжения

Простой способ ртблюдення и измерения скорости нарастания выходного напряжения ОУ заключается в измерении наклона фронта вьгчодного сигнала при подаче па вход перепада напряжения (прямоугольный или ИМПУЛЬСНЫЙ сигнал) Скорость нарастання входного сигнала при этом заведомо должна превьипать скорость нарастания выходного напряжения данного ОУ. Таким образом, выходной сигнал ие будет иметп форму прямоугольного или импульсного напряжения, а окажется проинтегрированным. Однако амплитуда входного сигнала должна быть достаточно малой, чтобы гарантировать отсутствие насыщения ОУ.

Скорость нарастання выходного напряжения можно из.мерить как в схеме с разо.мкнутой, так и в схе.ме с замкнутой ОС. В общем, скорость нарастания возрастает при увеличении коэффициента усиления. Таким 312

образом, oKoipacTb нарастания ib юхеме с разомкнутой ОС обычно 1выше, чем ib схеме с замкнутой ОС.

Важно, чтобы при измерении скорости Н'зрастания усилитель не был перегружен но амплитуде. Если соотношение амплитуды в.ходного сигнала и коэффициента усиления (с разомкнутой или с замкнутой ОС) таково, что приводит к насыщению ОУ и скорость нарастания измеряется по результирующему сигналу на 1выходе, то результаты окажутся неоиределеннььми. Допустим, на-

Л

я осциллограсру

Рис 5 38. Измерение скорости нарастания выходного напряжения. Иа вход схемы подается прямоугольное напряжение с крутыми фронтами На осциллограмме цена делений по вертикали 10 В/см, по горизонтали 500 нс/см

пример, ЧТО данный ОУ имеет скорость нарастания, равную 30 В/мкс, но в течение 1 мкс этот усилитель насыщается при напряжении величиной 20 В на выходе. Это приведет iK тому, что измеренное значение скорости нарастания составит 20 В/мкс, потому что напряжение на выходе не .может возрасти до полных 30 В.

Основная схема измерений и типичная форма выходного сигнала для измерения приведены на рис. 5.38. Заметим, что используется схема с единичным .коэффи-циентом усиления. Этим обеспечивается -работа с замкнутой ОС 1И одновременно исключаются излишний раз-иМах напряжения иа выходе и насыщение, которое может произойти, если установить большее значение ко-

эффиц1ие.нт.а усиления. Если амилит-уда в.ходното сигнала иоддерживается в .нор.мальнььх для данного ОУ пределах, то насыщения ие возникает. Время нарастания входного сигнала должно быть порядка 100 ис. Оно превышает возможности любого соере.менното ОУ по быстродействию и приводит к появлению выходного сигнала с заметным наклоном фронта, как видно из рис. 5.38.

Для определения скорости Н1а'растания выходного напряжения необ.ходи.мо установить такую частоту входного сигнала, чтобы можно было легко измерить фронт выходного сигнала длительностью в 1 мкс. Если это удобнее, можно использовать часть выходного сигнала длительностью полмикросекунды (500 не). Н\ рис. 5.38 показано HBMepeHHe скорости нарастания с использованием масштаба 10 В/см по вертикали и 500 нс/с.м ino горизонтали. Поскольку полный раз.мах выходного напряжения величиной 20 В (двойное ам-плитз'дное значение) происходит ириблизителыю за 500 НС, выходной сигнал должен увеличиться примерно на 40 В за 1 .мкс. Таким образом, скорость нарастания равна приблизительно 40 В/мкс. В некоторых технических паспортах это может быть обозначено просто цифрой 40.

5.25. Тестер для проверки О У

Существуют четыре параметра, измерение которых важно с точки зрения потребителя: коэффициент усиления по напряжению с разомкнутой ОС, напряжение амещения, предельные значения выходного напряжения и передаточная функция, т. е. зависи.мость между выходным и входным сигналами. Фирма Motorola разработала основную схему для проверки этих четырех первичных пар.а.метров. Тестер фирмы Motorola , первойачалшо разработанный для испытаний ОУ в интегральном исполнении, является простым и недорогим. (Об этом пойдет речь в последующих подразделах.) Кроме того, в элементарной форме будут обсуждаться измеряемые параметры и их связь с характеристиками ОУ в схеме с замкнутой ОС.

5.25.1. СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ ТЕСТЕРА

Как и почти во всяком тестере, в расо.матри-ваемом приборе долж.ны быть [источагик сигналов, источник питания, проверяемый прибор (ПП) и ячейка