Определение переходной характеристики
Переходная характеристика (ПХ) h(t) — это реакция усилителя на единичный скачок напряжения на входе, не вызывающий его перегрузку.
Оценивается ПХ через отношение мгновенного значения выходного напряжения uвых(t) к установившемуся Uвых:
Данная характеристика используется для оценки временных свойств усилителя при усилении импульсных сигналов.
Параметры переходной характеристики
Численно по переходной характеристике определяют два параметра:
- Время нарастания входного сигнала tнар — это время, в течение которого фронт нормированной переходной характеристики нарастает от уровня 0,1 до уровня 0,9 от установившегося значения выходного сигнала Uвых;
- Амплитуду перерегулирования выходного напряжения ΔUвых.
Рисунок - Переходная характеристика
Переходная характеристика усилителя однозначно определяет его АЧХ и ФЧХ. Она представляет собой лишь иной метод оценки качества усилителя, называемый временным.
В отличие от него оценку показателей с помощью АЧХ и ФЧХ называют частотным методом.
Применение переходной характеристики
Прежде всего ПХ используют для оценки искажений формы прямоугольных импульсов при их усилении, так как такой импульс длительностью tи, действующий на входе, может быть представлен в виде суммы двух разнополярных перепадов, взаимно сдвинутых во времени на tи.
Тогда по принципу суперпозиции форма импульса на выходе может быть найдена простым вычитанием ПХ самой из себя, сдвинутой во времени на tи.
Изредка оценку усилителя временным методом ведут по импульсной характеристике, которая представляет реакцию усилителя на очень короткий импульс и по существу является производной от ПХ.
Поскольку единичный скачок (функция Хевисайда) содержит в себе все частоты, его реакция — то есть ПХ — позволяет оценить, как усилитель ведет себя во всей полосе частот во временной области. Это особенно наглядно для оценки искажений импульсных сигналов.
Основные способы использования переходной характеристики
1. Оценка искажения формы импульсных сигналов
Это самое прямое применение. Если на вход подать прямоугольный импульс (который можно представить как два скачка: вверх и вниз), его форма на выходе будет искажена характерным образом. По ПХ можно предсказать эти искажения:
Наклон плоской вершины (спад вершины, ΔU)
- Причина: Неидеальная АЧХ на низких частотах (падение коэффициента усиления при f → 0).
- Что показывает ПХ: Чем больше наклон, тем хуже усилитель передает низкие частоты. Это критично для усилителей постоянного тока (УПТ).
- Связь с АЧХ: Время спада ts (время, за которое выходное напряжение спадает на определенный процент) связано с нижней граничной частотой fL:
fL ≈ 1 / (2π · ts)
Время нарастания (tr, rise time)
- Определение: Время, за которое выходной сигнал нарастает от 10% до 90% от установившегося значения.
- Причина: Ограниченная полоса пропускания на высоких частотах.
- Что показывает ПХ: Чем меньше tr, тем быстрее усилитель может реагировать на быстрые изменения входного сигнала, и тем шире его полоса пропускания.
- Связь с АЧХ: Существует фундаментальная связь между временем нарастания и верхней граничной частотой fH:
tr ≈ 0.35 / fHЭто одно из самых важных практических применений ПХ. Не измеряя АЧХ, можно быстро оценить полосу пропускания усилителя по его реакции на скачок.
Выброс (overshoot, δ)
- Определение: Максимальное превышение выходным сигналом своего установившегося значения, выраженное в процентах.
- Причина: Неравномерность АЧХ в области верхних частот (часто из-за паразитных реактивностей и явлений резонанса).
- Что показывает ПХ: Наличие выброса указывает на подъем АЧХ перед срезом. Большой выброс нежелателен, так как приводит к искажениям и может вызвать звон (колебания).
Длительность переходного процесса
- Время, за которое выходной сигнал окончательно устанавливается вблизи своего steady-state значения (обычно с некоторой допустимой погрешностью, например, 1%).
2. Сравнение и выбор усилителей
Инженер может быстро сравнить несколько усилителей, подав на их входы один и тот же скачок и сравнив осциллограммы на выходе.
Усилитель с меньшим временем нарастания и меньшим выбросом будет лучше передавать сложные импульсные и цифровые сигналы.
3. Диагностика и поиск неисправностей
Если известна "идеальная" ПХ исправного усилителя, то отклонение реальной ПХ от эталона может указать на возможную неисправность в схеме (например, изменение номиналов конденсаторов, влияющих на ВЧ и НЧ свойства).
Практический пример
Задача: Нужно выбрать операционный усилитель для усиления цифрового сигнала с частотой 1 МГц (длительность импульса 500 нс).
Действие: Вместо того чтобы сразу строить полную АЧХ, разработчик смотрит в даташите на раздел "Large-Signal Transient Response" или самостоятельно подает на испытуемый ОУ единичный скачок.
Анализ:
-
Смотрим на время нарастания tr. Допустим, оно равно 100 нс. Оцениваем верхнюю частоту:
fH ≈ 0.35 / 100 нс = 3.5 МГцЭто значит, что усилитель в принципе способен работать с нашим сигналом 1 МГц.
- Смотрим на выброс. Если выброс составляет 15% — это может быть неприемлемо для нашей точной системы, так как фронты импульсов будут "зазванивать". Мы можем поискать ОУ с таким же tr, но с выбросом < 1%.
- Смотрим на наклон вершины. Если он значительный, это значит, что амплитуда импульса будет "проваливаться" за время его действия, что тоже является искажением.
Итог
Переходная характеристика — это "окно" во временную область, которое позволяет инженеру:
- Наглядно оценить способность усилителя передавать быстрые изменения сигнала.
- Количественно измерить ключевые параметры (время нарастания, выброс), которые напрямую связаны с амплитудно-частотной характеристикой.
- Быстро принять решение о пригодности усилителя для работы с импульсными и цифровыми сигналами без сложных частотных измерений.
