Верификация скорости нарастания выходного напряжения
В теории для определения скорости нарастания выходного напряжения SR в качестве входного воздействия используется входной сигнал в виде ступеньки (рис. 1).
А сама скорость нарастания выходного напряжения определяется как производная выходного напряжения по времени.
V0 – выходное напряжение ОУ
Наименьшая скорость нарастания выходного напряжения получается при единичном усилении, поэтому это значение и приводят в справочных данных.
При воздействии синусоидального сигнала на входе ОУ имеем:
Скорость нарастания выходного напряжения имеет вид:
С конечным значением скорости нарастания связано также уменьшение амплитуды выходного напряжения усилителя с ростом частоты входного сигнала (рис. 2).
Рис. 2. Влияние скорости нарастания выходного напряжения на амплитуду и форму выходного напряжения
Как показывает практика, разные авторы и производители ОУ применяют различные методики определения указанного параметра
Компания Texas Instruments предлагает методику, основанную на моделировании тестовой схемы, представленной на рис. 3а. На вход схемы подается сигнал в виде серии импульсов, а с выхода (в точке out) снимается производная выходного напряжения по времени, равная, как было показано выше, значению скорости нарастания выходного напряжения.
Авторы портала eCircuit Center предлагают методику, основанную на схеме, представленной на рис. 3б. На вход схемы подается сигнал – ступенька, а с выхода (в точке out) снимается выходное напряжение (рис. 4б), а скорость нарастания выходного напряжения рассчитывается как отношение приращения выходного напряжения ко времени. Этот подход соответствует методу измерения скорости нарастания выходного напряжения, установленному ГОСТ 23089.10-83.
Рис. 3. Схемы для расчета скорости нарастания выходного напряжения
Рис. 4. Скорость нарастания выходного напряжения: а) по схеме рис. 3а, б) по схеме рис. 3б
Из графика (рис. 4а) видно, что SR=130В/мкс, а из графика (рис. 4б) видно, что выходное напряжение за 30нс нарастает до 4.5В, что соответствует SR=150В/мкс.
Еще одна методика определения скорости нарастания выходного напряжения заключается в следующем. На вход тестовой схемы (рис. 5а) подают синусоидальный сигнал увеличивая частоту до тех пор, пока выходное напряжение не станет треугольной формы.
Рис. 5. а) тестовая схема, б) результаты моделирования
Скорость нарастания выходного напряжения определяется как приращение выходного напряжения за соответствующее время. Из рис. 5б – SR=134В/мкс.
Во всех трех случаях получены значения близкие к 130В/мкс, что соответствует техническим условиям (Datasheet) моделируемого операционного усилителя LMH6642.
По предложенным методикам проведем верификацию скорости нарастания выходного напряжения макромодели ОУ OP37 компании Analog Devices.
На рис. 6 представлены результаты моделирования тестовых схем (рис. 3а, 3б и 5а).
а)
б)
в)
Рис. 6. Результаты моделирования ОУ OP37
Из результатов, представленных на рисунках 6б и 6в можно однозначно определить скорость нарастания выходного напряжения, которая в первом случае равна 11В/мкс, а, во-втором, – 15В/мкс, что соответствует приведенному в технических условиях (datasheet) диапазону: 11 В/мкс – 17В/мкс.
Результаты моделирования, представленные на рис. 6а, объясняются наличием высокочастотных синусоидальных колебаний небольшой амплитуды, наложенных на импульсное выходное напряжение (рис. 7б).
Рис. 7. Результаты моделирования тестовой схемы рис. 3а
Их наличие существенно меняет картину производной выходного напряжения ОУ по времени и, соответственно, не позволяет определить скорость нарастания выходного напряжения.
В заключении отметим, что методика, предложенная компанией Texas Instruments для верификации скорости нарастания выходного напряжения, не дает гарантированного результата, поэтому для верификации этого параметра полезно иметь несколько тестовых схем.
Затраты времени и сил на проверку макромоделей и документирование результатов верификации являются однократными, а полученные результаты, многократно используются в повседневной деятельности.