Смуга пропускання підсилювача і методи її регулювання - дослідження принципів взаємодії

Смуга пропускання підсилювача і методи її регулювання

Вимоги до смуги пропускання є невід'ємною частиною обговорення перетворювача струму в напругу з кількох причин. Загальний вихідний шум збільшується пропорційно квадратному кореню з смуги пропускання системи, тому що охоплюється більш широкий спектр шумів. З'являється конфлікт між оптимальним співвідношенням сигнал / шум і смугою сигналу.

Для токового сигналу коефіцієнт зворотного зв'язку підсилювача дорівнює одиниці, і можна використовувати всю смугу його одиничного посилення. Крім того, дуже великий опір зворотного зв'язку, яке дає потрібне посилення, шунтируется паразитного ємністю на дуже низькій частоті. Щоб зменшити її вплив, використовуються резистори з малої паразитної ємністю і дотримуються обережності при монтажі.

Останнє обмеження, що впливає на вимірювання таких величин, - ємнісний зв'язок через повітря навколо корпусу резистора - завжди залишається. Розширення смуги за межі, обумовлені такими обмеженнями, вимагає зменшення опору зворотного зв'язку і, отже, меншого посилення перетворювача. Деякі можливості для відновлення посилення показані на рис. 2.5. Після перетворювача струму в напругу просто додається другий підсилювач, який доводить підсумкове вихідний опір до величини RT =. Таким чином, великий опір зменшується у стільки разів, у скільки разів підсилює підсилювач, і в стільки ж разів збільшується смуга пропускання.

Незважаючи на очевидність такого рішення, його вплив на смугу пропускання і шум виражається не так безпосередньо. Смуга другого підсилювача обмежує збільшення смуги системи. Зі збільшенням посилення напруги вона спочатку збільшується лінійно, так як зниження на резисторі R1 зменшує вплив паразитної ємності (рис.2.6). Однак збільшення вимог до підсилювача А2 в кінцевому підсумку перетворює смугу підсилювача в обмежуючий фактор.

Для даного набору умов існує оптимальне посилення. AV дає максимальну смугу, показану для трьох типів підсилювачів. Цей максимум проявляється тоді, коли смуга підсилювача з замкнутої зворотним зв'язком дорівнює обмеження через паразитної ємності на резисторі R1.

Малюнок 2.5 - Додавання посилення напруги для збільшення смуги при збереженні загального опору

Якщо потрібно ще більша смуга пропускання, то треба вибирати між більш швидким операційним підсилювачем, з гіршими, як правило, шумовими параметрами, і зменшенням опору. Для меншою смуги пропускання на місце підсилювача А1 потрібно поставити підсилювач з меншою смугою одиничного посилення, тому можна використовувати підсилювач з малим шумом.

Малюнок 2.6 - графіки залежності смуги пропускання і вхідного шуму (смуга пропускання збільшується швидше, ніж шум)

Платою за збільшення смуги пропускання за рахунок посилення напруги є збільшення вихідного шуму, як з-за цього посилення, так і з-за додавання підсилювача. У той час як менша величина резистора R1 знижує щільність шуму, цього ефекту протидіє збільшення смуги пропускання, аж до відсутності зміни підсумкового шуму від резистора, який збільшується за рахунок посилення напруги в другому підсилювачі, викликаючи відповідне збільшення вихідного шуму, пропорційне цьому посилення. До цього додається шум операційного підсилювача, що також показано на рис. 2.6. У нижньому діапазоні посилення, при коефіцієнті від 1 до 10, шум визначається, в першу чергу, операційними підсилювачами і їх максимальним посиленням. Також в цьому діапазоні смуга пропускання, показана на рис. 2.6, управляється паразитного ємністю і лінійно зростає зі збільшенням посилення через відповідного зменшення опору. Між коефіцієнтами посилення 10 і 100 смуга починає зменшуватися через обмеження А2. Одночасно з цим зменшенням спостерігається вирівнювання кривої вихідного шуму. Спад смуги підсилювача і одночасне зниження опору зводять до нуля ефект від збільшення посилення напруги, залишаючи вихідний шум незмінним. В діапазоні підсилень від 100 до 1000 ця тенденція зберігається, і сигнал стає менш якісним, так як смуга пропускання зменшується, а шум залишається постійним.

За умови, що допускається погіршення шуму при заміні опору на посилення напруги, гідності схеми в цілому збільшуються. Якщо ж враховувати смугу пропускання, то це поліпшення може компенсувати падіння співвідношення сигнал / шум. Раніше згадувалося, що простий перетворювач струму в напругу більше страждає від зайвої смуги пропускання при посиленні напруги шуму підсилювача, ніж при посиленні токового сигналу. Ця тенденція усунена в схемі на рис. 2.5, так як посилення напруги зростає, і підсилювач А2 починає фільтрувати вищі частоти. На підтвердження цього шумові криві, які наростають плавно (на відміну від кривих смуги пропускання) до точки оптимальної смуги пропускання. У цій оптимальній точці смуга пропускання шуму збігається зі смугою пропускання сигналу. В результаті підсилювач А1 тепер працює як вихідний активний фільтр, який обговорювався раніше.

У деяких випадках серйозним недоліком наведеної схеми є необхідність використання двох операційних підсилювачів на кожен фотодатчик: часто сотні датчиків працюють в одному масиві. Можна застосовувати і один ОУ для отримання того ж посилення, але без резисторів з дуже великим опором, якщо виявиться прийнятним деяке погіршення смуги пропускання і шумів. Один і той же ОУ може одночасно виконувати перетворення струму в напругу і подальше посилення напруги. Згідно традиційній техніці, це завдання вирішується так, як показано на рис. 2.7, a, - де резистор R2 необхідний для перетворення струму в напругу, а резистори R3 і R4 - для установки посилення по напрузі. Струм з діода тече через резистор, в результаті чого на неінвертуючий вході операційного підсилювача з'являється напруга сигналу. Однак цю напругу також докладено до фотодіоду, і через це виникає нелінійність, як було описано раніше.

Замість цього фотодиод підключається безпосередньо між входами операційного підсилювача, і тоді на ньому підтримується нульова напруга. Як показано на рис. 2.7, б, резистори виконують ті ж функції, що і в попередній схемі, але передавальна функція схеми буде лінійною. Струм з фотодіода також тече через резистор R2, створюючи таке ж сигнальне напруга. Цей струм тече і в ланцюг зворотного зв'язку, але дає менший ефект через найменшого опору резисторів.

a - вплив небажаної напруги на діоді;

б - усунення впливу за допомогою підключення діода між входами операційного підсилювача.

Малюнок 2.7 - Одночасне перетворення струму в напругу і посилення по напрузі на одному операційному підсилювачі

Тут додається невелика складова, яка виникає через те, що вилучений операційний підсилювач як джерело підвищення посилення. Однак нове джерело включений на рис. 2.7, б, знову через ємності діода, як показано на рис. 2.8, а. Напруга шуму підсилювача діє безпосередньо через ємність, породжуючи шумовий струм, який тече через резистор R2.

Вплив на частотну характеристику зображено на рис. 2.9, і воно також викликає підйом шумового посилення на високих частотах. Це відбувається на більш високих частотах, ніж у базовій схемі перетворювача струму в напругу, тому що застосовується менший опір, і цей підйом швидше припиняється через спад частотної характеристики операційного підсилювача. Для діода з малою ємністю, використаного в обох прикладах схем, він тепер охоплює невелику область на графіку, що, відповідно, зменшує вплив шуму. Для великих діодів, тим не менш, цей ефект теж присутній, як показано штриховою лінією для ємності близько 200 пФ. Частина спектра, що охоплюється підйомом, не перебуває на верхньому краю смуги пропускання підсилювача, як це було в базовій схемі. Отже, шум операційного підсилювача не став основним джерелом.

Малюнок 2.8 - Схема з ємністю фотодіода, що додає зворотний зв'язок до схеми на рис. 2.6

Малюнок 2.9 - Графік посилення