СОДЕРЖАНИЕ

МАКРОМОДЕЛЬ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Для моделирования элементов аналоговых устройств используется макромодель операционного усилителя, которая в зависимости от количества учитываемых параметров, имеет различную степень сложности.

Наиболее простая модель учитывает К₀, R_{вых оу}, V_{m вых}, t_mнар, (для U_{m вых}), АЧХ усилителя (частоты излома ω₁; ω₂ ), входные синфазное и дифференциальное сопротивления R_{вx сф}, R_{вx диф}, токи смещения I_вх⁺ и I_вх^-, эдс смещения нуля Е_см0.

Рассмотрим модель ОУ, которая использует одну точку излома АЧХ. Ее условно можно разделить на три составные части (см. рис. 1.51):

Рис. 1.51. Модель операционного усилителя, которая использует одну точку излома АЧХ, условно разденную на три составные части

V_{вых m} = U_{вых m} / t_{нарт m}

I — моделирует входные параметры;

II — моделирует частоту излома АЧХ ω₁ и ограничение скорости нарастания выходного напряжения на уровне (с помощью управляемого источника тока с ВАХ типа симметричного ограничителя с линейным участком при малых входных напряжениях);

III — моделирует U_вых и ограничение U_вых на уровне U_выхт⁺, U_выхт^-.

R_{выx оу} для линейного режима и коэффициент усиления на НЧ К₀ — справочные параметры.

Коэффициент передачи блока II на НЧ S₁R₁ принимают равным 1.

Для обеспечения общего коэффициента усиления по напряжению К0 должно выполняться соотношение:

S_вых • R_вых = K₀; S = K₀ / R_вых

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения в режиме большого сигнала V_{вых т} определяется временем перезаряда емкости C₁ током источника S₁U_вx.

Так как выходное звено III имеет коэффициент передачи К₀, максимальная скорость заряда емкости C₁ — V_1m определяется как:

V = V_{вых m} / K₀ = U / K₀ • t_{нар m}

Ограничение скорости перезаряда V₁ на уровне V_1m (вне зависимости от скорости нарастания и величины входного напряжения U_вх) имеет место тогда, когда источник тока S₁U_вх — нелинейный, т.е. имеется участок насыщения, определяемый V_1max.

i_{C1 m} = C₁ / V_1m => I_1m = C₁V_1m

Поэтому передаточная характеристика зависимого источника S₁U_вх имеет вид рис. 1.52.

Рис. 1.52. Поэтому передаточная характеристика зависимого источника S₁U_вх

При этом точки перегиба передаточной характеристики U_{вx m} определяются как:

U = I_1m / S₁ = C₁ V_1m / S₀

Для нахождения I_1m надо знать величину С₁. Необходимо учесть, что блок II формирует и частотную характеристику усилителя (рис. 1.53).

Рис. 1.53. Частотная характеристика усилителя

ω₁ = 1 / R₁C₁

Задаемся произвольно величиной R₁ (единицы кОм), определяем C₁:

C₁ = 1 /ω₁R₁

Далее определяем значение S₁ (учитывая допущение, что коэффициенты передачи всех блоков, кроме последнего равны 1):

S₁ = 1 / R₁

Находим I_1m и U_{вx m}:

i_{C1 m} = C₁V_1m = V_{вых m} / ω₁R₁K₀

U_{вх m} = I_1m / S₁ = I_1mR₁ = V_{вых m} / ω₁K₀

Входные параметры (блок I) почти все справочные. Нельзя точно установить направление e_см0, т.к. она для ОУ гарантируется с точностью до знака. Входные токи в справочнике задаются так: I_вх и ∆I_вх.

Один из входных токов принимают равным справочному I_вх, второй — I_вх + ∆I_вх.

Нелинейное сопротивление R_нвыx обеспечивает ограничение выходного напряжения ОУ на уровне U_выxm⁺, U_выxm^-. В диапазоне рабочих значений U_выx R_нвыx=∞, оно не влияет на работу модели. При выходе за диапазон (U_вых > U_выxm⁺ или U_выx < -U_выxm^-) появляется малое дифференциальное сопротивление, шунтирующее избыточный ток источника S_выxU₁ (см. рис. 1.54).

Рис. 1.54. Зависимость малого дифференциального сопротивления, шунтирующего избыточный ток источника

Это сопротивление порядка 0,1...1 Ом обеспечивает быструю сходимость итерационных методов расчета.

Если ОУ имеет сложную АЧХ с несколькими изломами, то для моделирования частот излома (ω₂, ω₂ и т.д.) в схеме появляются дополнительные блоки, аналогичные блоку II. В этих блоках выполняются следующие соотношения. Есть элементы S₂, C₂, R₂, принимается S₂R₂ = 1, R₂ задается, С₂ определяется:

C₂ = 1 / ω₂R₂

Если есть еще блок, то в последнем блоке III источник тока не S_выхU₁, а S_выхU₂. Предполагается, что ω₂ >> ω₁ и на скорость нарастания эта ω₂ не влияет.