Основные параметры и характеристики ОУ

К основным параметрам ОУ, позволяющим сравнивать качество и возможности нескольких операционных усилителей, можно отнести:

- коэффициент усиления напряжения K_U0;

- напряжение смещения нуля U_см;

- входной ток I_вх;

- ток сдвига (разность входных токов) DI_вх;

- входное сопротивление R_вх;

- выходное сопротивление R_вых;

- коэффициент подавления синфазного сигнала K_{п сф};

- скорость нарастания выходного напряжения V_{U вых};

- граничная частота полосы пропускания f_гр;

- частота единичного усиления f₁.

Как видно, система параметров, характеризующих ОУ, помимо параметров общих для усилителей любого типа включает в себя ряд специфических показателей, присущих только ОУ. Рассмотрим перечисленные параметры более подробно.

Коэффициент усиления напряжения K_U0 характеризует способность ОУ усиливать подаваемый на его входы дифференциальный сигнал

. (3.2)

Типовые значения коэффициента усиления напряжения для разных типов ОУ – 500 … 10⁶.

Напряжение смещения нуля U_см – это такое значение входного дифференциального напряжения ( ), при котором напряжение на выходе ОУ равно нулю. В реальных операционных усилителях даже при отсутствии входного напряжения, напряжение на выходе ОУ не равно нулю (то есть при U_вх = 0 U_вых ¹ 0). Это обусловлено, в основном, неидентичностью напряжений эмиттерных переходов транзисторов входного дифференциального усилителя.

Для того чтобы при нулевом сигнале на входе усилителя напряжение на его выходе также было равным нулю, предусматривают специальные меры по компенсации напряжения смещения (коррекция нуля, балансировка).

Типовые значения U_см – 3 … 7 мВ (в отдельных ОУ может достигать 30 мВ).

Входной токI_вх (входной ток смещения) – ток, протекающий во входных выводах ОУ и необходимый для обеспечения требуемого режима работы его транзисторов по постоянному току. Типовое значение I_вх в схемах на биполярных транзисторах составляет 10^-9 … 10^-3 А, в схемах на полевых транзисторах – до 10^-12 А.

Ток сдвига DI_вх определяется разностью токов смещения входных транзисторов. Природа этого тока кроется, в основном, в неодинаковости коэффициентов передачи тока h_21Э транзисторов входного каскада ОУ. Численно ток сдвига равен модулю разности входных токов усилителя:

. (3.3)

Обычно DI_вх в три – десять раз меньше I_вх.

Различают два вида входных сопротивлений R_вх ОУ: входное сопротивление для дифференциального сигнала R_{вх диф} и входное сопротивление для синфазного сигнала R_{вх сф}. R_{вх диф} определяется как сопротивление между входами усилителя, а R_{вх сф} – как сопротивление между каждым из входов и общей шиной.

Типовые значения R_{вх диф} – единицы – сотни кОм (в ОУ с транзисторами супер-b или полевыми – до сотен МОм), R_{вх сф} – на несколько порядков выше, чем сопротивление для дифференциального сигнала.

Выходное сопротивление R_вых – это сопротивление усилителя, рассматриваемого как эквивалентный генератор. Определяется шунтированием цепи, подключенной к выходу ОУ при отсутствии обратной связи и составляет от 100 до 500 Ом.

Коэффициент подавления синфазного сигнала K_{п сф} определяет степень подавления (ослабления) синфазной составляющей входного сигнала. Он показывает, во сколько раз входное дифференциальное напряжение меньше входного синфазного напряжения при условии, что оба напряжения вызывают одинаковое выходное напряжение. Типовые значения K_{п сф} – 60 ... 80 дБ (в некоторых типах ОУ – более 90 дБ).

Скорость нарастания выходного напряжения V_{U вых} характеризует частотные свойства усилителя при его работе в импульсных схемах. Измеряется при подаче на вход ОУ напряжения ступенчатой формы. Численное значение V_{U вых} может быть найдено как отношение приращения выходного напряжения ОУ к интервалу времени, за которое имеет место это приращение, при подаче на вход ОУ скачка напряжения. На практике используют понятие времени установления t_уст – это временной интервал, в течение которого выходное напряжение ОУ изменяется от 10% до 90% от своих установившихся значений (наибольших значений). С учетом этого скорость нарастания выходного напряжения можно определить из выражения:

. (3.4)

Типовое значение скорости изменения выходного напряжения – 10 ... 50 В/мкс.

Граничная частота полосы пропускания f_гр – частота, на которой усиление ОУ без обратной связи составляет 0,707K_U0, где K_U0 – коэффициент усиления ОУ на постоянном токе. Типовые значения частот среза выпускаемых ОУ составляют десятки Гц – десятки кГц.

Частота единичного усиления f₁ – это частота, на которой модуль коэффициента усиления ОУ равен единице. Обычно эта частота не превышает нескольких мегагерц.

К основным характеристикам ОУ относятся передаточная, амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики. Поскольку ОУ имеет два входа – инвертирующий и неинвертирующий, то в общем случае может быть построено две передаточных характеристики, соответственно, для инвертирующего и неинвертирующего входов. Но основное применение ОУ – усиление дифференциального входного сигнала и_{вх диф}. С учетом этого под передаточной характеристикой понимают функцию вида и_вых = f(и_{вх диф}). Общий вид передаточной характеристики ОУ показан на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 – Типовая передаточная характеристика ОУ

Как видно из рисунка 3.5, максимальное напряжение на выходе ОУ (U_{вых макс}) всегда меньше напряжения источников питания. Передаточная характеристика может проходить как справа от нуля (как показано на рисунке), так и слева. Линейный участок на передаточной характеристике при изменении выходного напряжения от –U_{вых макс} до + U_{вых макс} называется областью усиления ОУ, а режим работы операционного усилителя, соответствующий области усиления, называется линейным режимом (режимом усиления). Диапазоны выходного напряжения вне области усиления называются областями насыщения. Поскольку обычно коэффициент усиления напряжения ОУ принимает достаточно большие значения, то при заданных напряжениях +Е_п и –Е_п диапазон значений напряжения и_{вх диф}, который соответствует линейному режиму, оказывается очень ограниченным. Например, если напряжение питания ОУ равно ±15 В, коэффициент усиления напряжения K_U0 = 100 000, то входное дифференциальное напряжение не может превышать значения мкВ.

Логарифмическая АЧХ (ЛАЧХ) и ФЧХ операционного усилителя имеют вид, представленный на рисунке 3.6. Спад ЛАЧХ в области высоких частот составляет около –20 дБ/дек.

Рисунок 3.6 – Типовые логарифмические АЧХ и ФЧХ

операционного усилителя

С учетом того, что ширина полосы пропускания ОУ существенно ограничена (f_в составляет десятки Гц – десятки кГц), основное достоинство ОУ – большой коэффициент усиления, может быть использовано, в основном, при усилении постоянных напряжений (токов). При использовании ОУ в качестве усилителя переменного тока, с целью расширения его полосы пропускания вводят отрицательную обратную связь (ООС). Частота единичного усиления f₁ обычно составляет 1 ... 10 МГц.