72_026.pdf

Podzespoły

Część 10

Pasmo i

częstotliwość graniczna

A teraz pora uczulić Cię na kolejne bardzo

istotne zagadnienie praktyczne.

Początkujący bardzo często są zachwyce−

ni informacją, że wzmacniacz operacyjny ma

górną częstotliwość graniczną kilka, kilka−

dziesiąt, czy nawet kilkaset megaherców.

Wydaje im się, że można taki wzmacniacz

operacyjny zastosować w układach w.cz.,

choćby nawet w nadajnikach.

Niestety, rzeczywistość nie jest wcale taka

wesoła.

Owszem, częstotliwość graniczna rzeczy−

wiście jest bardzo duża, ale przy tej częstotli−

wości wzmacniacz ma wzmocnienie równe

1, czyli jest... bezużyteczny.

Zapamiętaj ten fakt – przy częstotliwości

granicznej wzmocnienie wynosi 1, więc

trudno mówić, że jest to jeszcze wzmacniacz

operacyjny , który z założenia powinien mieć

duże wzmocnienie.

Ma to ważne konsekwencje praktyczne.

Oto przykład. Chcemy zbudować przed−

wzmacniacz do dalmierza ultradźwiękowego.

Zastosowane przetworniki ultradźwiękowe

pracują z częstotliwością równą 40kHz.

Wzmocnienie powinno wynosić około

400x(52dB). Ponieważ dalmierz ma zasilanie

bateryjne, zależy nam na zmniejszeniu pobo−

ru prądu. Dlatego decydujemy się na kostkę

TL061, która ma pobór prądu typowo 0,2mA

(max 0,25mA). Według katalogu ten oszczęd−

ny wzmacniacz ma wzmocnienie typowo

6000x (76dB), minimalnie 3000x (70dB),

aczęstotliwość graniczna wynosi 1MHz. Wy−

gląda, że mamy duży zapas ikostka znakomi−

cie sobie poradzi z postawionym zadaniem.

Decydujemy się na wzmacniacz nieodwraca−

jący według rysunku 28 , stosując dodatkowo

kondensator C1, by nie wzmacniać napięcia

niezrównoważenia.

Niestety, taki wzmacniacz absolutnie nie

zrealizuje przedstawionego zadania. Podana

wartość typowego wzmocnienia z otwartą

pętlą jest prawdziwa, ale tylko przy sygna−

łach stałych izmiennych oczęstotliwości do

około 100Hz. Począwszy od częstotliwości

100Hz wzmocnienie zmniejsza się z szyb−

kością 20dB/dekadę. W katalogu podana

jest stosowna charakterystyka, pokazująca

wzmocnienie z otwartą pętlą. Charaktery−

styka układu TL06x pokazana jest na ry−

sunku 29 . Wynika z niej, że przy częstotli−

wości 40kHz wzmocnienie „własne wzmac−

niacza” jest zadziwiająco małe iwynosi nie−

co ponad 20x (26dB). Nie ma więc żadnych

szans, by kostka ta wzmocniła sygnał

z ultradźwiękowego przetwornika 200−krot−

nie, nie wspominając już o jakimkolwiek

zapasie wzmocnienia.

Jedynym ratunkiem byłoby wykorzysta−

nie wzmacniacza dwustopniowego, a i to

pracującego „ostatkiem sił” bez zapasu

wzmocnienia. W tym konkretnym przypad−

ku możemy to dopuścić, bo ewentualne

zniekształcenia nieliniowe nie mają znacze−

nia. Schemat mógłby wyglądać jak na ry−

sunku 30 . Wartości rezystorów R3...R6 na

pierwszy rzut oka sugerują, że wypadkowe

wzmocnienie obu stopni jest ogromne.

W rzeczywistości dla małych częstotliwo−

ści będzie niewielkie, ze względu na małą

pojemność kondensatorów C1, C2. Dla czę−

stotliwości 40kHz wzmocnienie jednego

stopnia wyniesie, zgodnie z rysunkiem 29,

około 20x.

A może uda się z kostką TL061 zbudo−

wać oszczędny przedwzmacniacz mikrofo−

nowy o wzmocnieniu 100x. Górna częstotli−

wość graniczna oczywiście powinna wyno−

sić 20kHz, ostatecznie 16kHz. Rysunek 29

pokazuje, że przy częstotliwości 20kHz

wzmocnienie z otwartą pętlą wyniesie tylko

około 50x. Znowu trzeba szukać innej drogi.

Nie myśl jednak, że wzmacniacz z układem

TL06x może mieć wzmocnienie 50x i (trzy−

decybelowe) pasmo przenoszenia sięgające

20kHz. Przy największych częstotliwo−

ściach wzmacniacz taki nie ma żadnego za−

pasu wzmocnienia, pracuje „ostatkiem sił”,

zniekształcenia nieliniowe są duże, rośnie

rezystancja wyjściowa. Przypomnij sobie

wnioski z rysunków 26 i 27. Właśnie przy

dużych częstotliwościach mamy sytuację jak

na rysunku 27, gdy wzmocnienie samego

wzmacniacza jest żałośnie małe. Nic tu nie

pomoże pętla ujemnego sprzężenia zwrotne−

go, która poprawia liniowość i zmniejsza

zniekształcenia tylko wtedy, jeśli jest duży

zapas wzmocnienia.

Żeby uzyskać małe zniekształcenia, tak

istotne w układach audio, trzeba po prostu

zastosować dużo szybszy wzmacniacz, naj−

lepiej przeznaczony specjalnie do układów

audio. Niech będzie to popularna nisko−

szumna kostka NE5532. Jej charakterystyka

wzmocnienia z otwartą pętlą pokazana jest

na rysunku 31 . Jak widać, przy częstotliwo−

ści 20kHz wzmocnienie „własne” wynosi

ponad 1000x (60dB), więc „nadwyżka

wzmocnienia” w tym wypadku zapewni do−

brą liniowość i małe zniekształcenia, nawet

Rys. 28

Rys. 29

Elektronika dla Wszystkich

Podzespoły

przy najwyższych częstotliwościach pasma

akustycznego. Nieco gorsze możliwości

mają bardzo popularne wzmacniacze

TL07xiTL08x, których charakterystyka czę−

stotliwościowa pokazana jest na rysunku 32 .

Także ione dobrze nadają się do układów au−

dio, ale tam, gdzie wzmocnienie jest małe.

Przykładowo w układzie equalizera, gdzie naj−

większe wypadkowe wzmocnienie może wy−

nieść 12dB, czyli 4x, przy częstotliwości 15kHz

zapas wzmocnienia wyniesie 50x(bo wzmoc−

nienie z otwartą pętlą wynosi około 200).

Warto natomiast zapamiętać, że podana

górna częstotliwość graniczna dla zdecydo−

wanej większości wzmacniaczy jest jedno−

cześnie iloczynem wzmocnienia i szeroko−

ści pasma . Dlatego w niektórych katalogach

można znaleźć nie górną częstotliwość gra−

niczną, tylko iloczyn wzmocnienia iszeroko−

ści pasma, oznaczony angielskim skrótem

GBP – Gain Bandwidth Product lub GB .

Znając wartość GBP danego wzmacniacza

można szybko obliczyć wzmocnienie

z otwartą pętlą dla danej częstotliwości. Za−

leżność jest tu bardzo prosta.

Sprawdź, że dotyczy charaktery−

styk z rysunków 29, 31, 32. Jeśli

przykładowo GBP wynosi 1MHz

(np. kostka 741), to oczywiście

wzmocnienie wynosi 1 dla często−

tliwości 1MHz i jest to górna czę−

stotliwość graniczna. Dla częstotli−

wości dziesięciokrotnie mniejszej

(100kHz) wzmocnienie jest dzie−

sięciokrotnie większe, czyli wyno−

si 10x, dla 1kHz wzmocnienie wy−

nosi 1000x, a dla 20kHz – 50x.

Podobnie jeśli dla innego wzmac−

niacza (TL08x) GBP wynosi

3MHz, to dla częstotliwości 1kHz

wzmocnienie z otwartą pętlą wyniesie 3000,

a dla 20kHz – 150. Nie znaczy jednak, że

przy częstotliwości 1Hz wzmocnienie wynie−

sie 3000000, bo zwykle maksymalne

wzmocnienie stałoprądowe, też podane wka−

talogu, bywa mniejsze (dla TL08xwynosi ty−

powo 200000, minimalnie 25000).

Wtym miejscu wspomnę jeszcze króciut−

ko, że większość wzmacniaczy operacyjnych

ma wewnętrzne obwody... zmniejszające

górną częstotliwość graniczną. Tak! Wzmac−

niacz mógłby być trochę szybszy, a tymcza−

sem specjalnie dodany wewnętrzny konden−

sator obcina mu pasmo i w rezultacie otrzy−

mujemy charakterystyki jak na rysunkach 29,

31, 32.

Dlaczego i po co?

Ograniczając pasmo w odpowiedni spo−

sób, zmieniamy też

inne właściwości

wzmacniacza,

a konkretnie cha−

rakterystykę fazo−

wą. Dzięki takiej

kompensacji zy−

skujemy ważną ce−

chę wzmacniacza –

może on pracować

także przy wzmoc−

nieniu bliskim lub

równym jedności,

a wzmacniacze

operacyjne często

pracują przy takim

wzmocnieniu. Mo−

że ci się to wyda

dziwne, ale tak jest

Rys. 32

Rys. 30

– wzmacniacz bez obwodu kompensacji jest

szybszy i ma znacząco lepsze parametry, ale

nie może pracować przy wzmocnieniu bli−

skim jedności. Gdy spróbujemy go do tego

zmusić, wzbudzi się – stanie się generatorem

wysokiej częstotliwości. Przyczyną są prze−

sunięcia fazy w poszczególnych stopniach

wzmacniacza – temat ten jest trudny ina razie

nie będziemy się weń wgłębiać. Jeśli chcesz,

możesz we własnym zakresie porównać wła−

ściwości dwóch wzmacniaczy: LF356 oraz

LF357. Mają one taką samą budowę. Układ

LF356 ma wewnętrzny obwód kompensacji,

umożliwiający pracę przy wzmocnieniu rów−

nym 1. Nieskompensowana kostka LF357

jest szybsza, ale może pracować tylko wapli−

kacjach, gdzie wzmocnienie wynosi co naj−

mniej 5. Większość parametrów jest identycz−

na, jednak GBP dla układu LF356 wynosi

5MHz, a dla LF357 – 20MHz, szybkość

zmian napięcia wyjściowego wynosi odpo−

wiednio 12V/µs i 50V/µs.

Podobnie jest ze starymi kostkami 741

i 748. Układ 748 to nieskompensowana we−

rsja 741. Jest szybsza, ale nie może pracować

przy wzmocnieniu równym 1.

Rys. 31

Informacje podane w tym fragmencie po−

kazują, że nie można bezkrytycznie zachwy−

cać się dużymi częstotliwościami graniczny−

mi. Rzeczywisty zakres częstotliwości pracy

jest dużo węższy. Aw przypadku wzmacnia−

czy jeszcze szybszych, o częstotliwościach

granicznych sięgających setek megaherców,

trzeba brać pod uwagę jeszcze inne czynniki,

takie jak charakterystyka fazowa, charaktery−

styka opóźnieniowa, szybkość zmian napię−

cia wyjściowego (SR), wydajność prądową

wyjścia oraz pojemność obciążenia. Wrezul−

tacie okazuje się na przykład, że wzmacniacz

o górnej częstotliwości granicznej 240MHz

dobrze radzi sobie z sygnałami wideo o pa−

śmie do 6,5MHz. Wykorzystanie wzmacnia−

czy operacyjnych do obróbki sygnałów

oczęstotliwościach rzędu megaherców to już

wyższa szkoła jazdy inie będziemy się na ra−

zie tym zajmować.

Ciąg dalszy za miesiąc.

Piotr Górecki

REKLAMA . REKLAMA . REKLAMA

Elektronika dla Wszystkich

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: