ПАРАМЕТРЫ ОУ

 

После знакомства с устройством операционных усилителей рассмотрим ряд электрических параметров, определяющих основные свойства ОУ. Понимание значения того или иного параметра позволяет выбрать необходимый тип ОУ для каждого конкретного применения и схемотехнически обеспечить его работу в допустимом режиме. Обратимся сначала к «идеальному» ОУ.

 

«Идеальным» ОУ называется усилитель, обладающий очень высокими или, как принято говорить, идеальными параметрами.

 

Основные характеристики такого ОУ следующие:

· коэффициент усиления бесконечно велик (А -->¥);

· полоса пропускания бесконечно велика (ÙF -->¥);

· входное сопротивление бесконечно велико (Z_вх-->¥);

· выходное сопротивление бесконечно мало (Z_вых -->0)

· выходное напряжение равно нулю при нулевом напряжении на входе,

 

Хотя столь высокие параметры не могут быть реализованы, развитие техники ОУ идет в направлении приближения характеристик реальных усилителей к идеальным, а качество ОУ определяется степенью этого приближения.

 

Переходя к реальным значениям параметров, характеризующих современные ОУ, необходимо иметь в виду, что параметры ОУ, охваченных цепями обратных связей, в конкретных схемах включения могут значительно отличаться от собственных параметров ОУ, рассматриваемых ниже.

 

1. Коэффициент усиления ОУ определяется отношением изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению напряжения между дифференциальными входами усилителя прн разомкнутой цепи обратной связи. В современных ОУ величина коэффициента усиления достигает десятков, а иногда и сотен тысяч.

Коэффициент усиления ОУ без обратной связи зависит от сопротивления нагрузки, температуры окружающей среды, напряжения питания и др. ОУ редко используются с разомкнутой цепью обратной связи, за исключением случаев применения в компараторах напряжении.

 

2. Входное сопротивление. В зависимости от способа подачи входного сигнала в ОУ с дифференциальными входами различают дифференциальное входное сопротивление и входное сопротивление для синфазных сигналов (рис. 3). Дифференциальное входное сопротивление, т. е. сопротивление ОУ для входного сигнала, разность потенциалов которого приложена между дифференциальными входами ОУ, определяется величиной сопротивления между этими входами. Оно имеет величину от нескольких килоом до нескольких мегаом. Входное сопротивление для синфазного сигнала, т. е. сопротивление ОУ для входного напряжения, приложенного одновременно к обоим дифференциальным входам ОУ относительно земли, определяется сопротивлением между замкнутыми

 

- -

 

+

+

-

 

а) б)

 

Рис. 3. Входное сопротивление ОУ: а - дифференциальное; б - дя синфазных входных сигналов

 

накоротко входами ОУ и заземляющей шиной. Входное сопротивление для синфазных сигналов обычно очень велико и составляет десятки мегаом.

3. Выходное сопротивление — это сопротивление ОУ, измеренное со стороны подключения нагрузки. Для разных типов ОУ находится в пределах от 50 до 2000 Ом. Величина выходного сопротивления определяет максимальную силу выходного тока независимо от вида нагрузки. Этот параметр особенно важен для ОУ с разомкнутым контуром обратной связи, например для компараторов,

4. Полоса пропускания определяется видом частотной характеристики ОУ, т. е. зависимостью его усиления от частоты входного сигнала. Типовая идеализированная частотная характеристика ОУ (рис. 4) имеет две характерные точки, лежащие на частотах fc и f1, где

fc — частота среза, соответствующая падению усиления на 3 дБ, т. е. до уровня 0,707;

f1— частота усиления, на которой коэффициент усиления становится равным единице.

 

Зависимость коэффициента усиления от частоты не полностью характеризует частотные свойства реального усилителя. С повышением частоты уменьшается также предельно достижимая амплитуда выходного сигнала из-за ограничения по току, наступающего в одном из каскадов ОУ.

При этом сохраняется неизменной скорость нарастания выходного напряжения, максимальная величина которой и используется для характеристики этой особенности ОУ. Максимальная скорость нарастания современных ОУ находится в пределах 0,3—50 В/мкс.

 

5. Смещение уровня выходного напряжения ОУ. Как отмечалось выше, идеальный ОУ при входном напряжении, равном нулю, должен иметь точно нулевое напряжение на выходе. Однако в реальном усилителе из-за неизбежного рассогласования параметров схемных элементов даже при отсутствии входного сигнала на выходе ОУ появляется

 

 

 

Рис. 4.

 

Идеализированная логарифмическая амплитудно-частотная характеристика ОУ

 

 

небольшое постоянное напряжение. Величина этого напряжения, а главное, его уход (дрейф) в зависимости от температуры, времени и других факторов, который неотличим от полезного сигнала, является одним нз главных ограничений, определяющим точность работы ОУ. Эти погрешности можно оценить с помощью приведенных ниже параметров.

 

5.1.Напряжение смещения нуля определяется величиной напряжения, приложенного между входами усилителя, необходимого для приведения напряжения на выходе ОУ к нулю. Основную долю этого напряжения составляет разность напряжений база-эмиттер входных транзисторов дифференциального каскада. Напряжение смещения зависит от температуры и напряжения источников питания. Типичная паспортная величина напряжения смещения нуля 10 — 50 мВ. Величина дрейфа 1 — 50 мкВ/°С.

 

5.2.Входные токи ОУ обусловлены конечной величиной входного сопротивления реального ОУ. Для характеристики входных токов используются два параметра:

 

· начальный входной ток, который определяется входным сопротивлением ОУ; обычно сила входного тока составляет 1—100 мкА;

 

· начальный разностный входной ток, определяемый разностью начальных входных токов каждого из входов усилителя и вызванный разницей коэффициентов усиления по току входных транзисторов дифференциального каскада. Как правило, сила разностного входного тока лежит в пределах 0,1 — 10 мкА.

Входные токи усилителя протекают по внешним цепям каждого из его входов через сопротивление соответствующего источника сигнала. Если эти сопротивления неодинаковы, то разность падения напряжения на них вызывает смещение напряжения на выходе ОУ. Для исключения этой погрешности неоходимо при проектировании схем с ОУ стремиться к вы­равниванию сопротивлений, включенных между входами усилителя и землей, однако не во всех схемах включения ОУ это возможно.

Кроме того, даже в этом случае остается погрешность за счет разностного входного тока.

Так же как и напряжение смещения, входные токи и разностный ток зависят от температуры и других факторов. Для компенсации смещения уровня во многих ОУ предусматривается начальная балансировка с помощью подключения подстроечного резистора. Подстройка производится при заземленных входах ОУ до установки напряжения на выходе, равного нулю.

 

6. Коэффициент подавления синфазных сигналов. Одно из важных достоинств ОУ — подавление совпадающих по фазе сигналов. В идеальном случае коэффициенты усиления по обоим входам должны быть одинаковы по величине и противоположны по знаку. И если к обоим входам приложено одинаковое напряжение, выходное напряжение не должно изменяться. Реально коэффициенты усиления по обоим входам не точно равны друг другу и на выходе присутствует выходное напряжение. Отношение изменения выходного напряжения к изменению входных напряжений, совпадающих по фазе, деленное на коэффициент усиления ОУ без обратной связи, называется коэффициентом подавления синфазного сигнала. Его величина лежит в пределах от 80 до 100 дБ.