Файл: С.Н. Гринфельд Физические основы электроники уч. пособие.doc

Входные характеристики

Входное сопротивление, входные токи смещения, разность и дрейф входных токов смещения, а также максимальное входное дифференциальное напряжение характеризуют основные параметры входных цепей ОУ, которые зависят от схемы используемого дифференциального входного каскада.

Входной ток смещения (I_см) – ток на входах усилителя. Входные токи смещения обусловлены базовыми токами входных биполярных транзисторов и токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Другими словами, I_см– это токи, потребляемые входами ОУ. Они обуславливается конечным значением входного сопротивления дифференциального каскада. Входной ток смещения (I_см), приводимый в справочных данных на ОУ, определяется как средний ток смещения:

I_см = (I_см1 –I_см2) / 2.

Входной ток сдвига– это разность токов смещения. Он появляется вследствие неточного согласования коэффициентов усиления по току входных транзисторов. Ток сдвига является переменной величиной, лежащей в диапазоне от нескольких единиц до нескольких сотен наноампер.

Вследствие наличия входного напряжения смещения и входных токов смещения схемы ОУ приходится дополнять элементами, предназначенными для начальной их балансировки. Балансировка осуществляется подачей на один из входов ОУ некоторого дополнительного напряжения и введения резисторов в его входные цепи.

Температурный дрейф входного тока – коэффициент, равный отношению максимального изменения входного тока ОУ к вызвавшему его изменению окружающей температуры.

Температурный дрейф входных токов приводит к дополнительной погрешности. Температурные дрейфы важны для прецизионных усилителей, так как, в отличии от напряжения смещения и входных токов, их очень сложно скомпенсировать

Максимальным дифференциальным входным напряжениемлимитируется напряжение, подаваемое между входами ОУ в схеме, для исключения повреждения транзисторов дифференциального каскада

Входное сопротивлениезависит от типа входного сигнала. Различают:

• дифференциальное входное сопротивление (R_{вх диф}) - (сопротивление между входами усилителя);

• синфазное входное сопротивление (R_{вх сф}) - сопротивление между объединенными входными выводами и общей точкой.

Значения R_{вх диф} лежат в интервале от нескольких десятков килоом до сотен мегаом. Входное синфазное сопротивление R_{вх сф}на несколько порядков больше R_{вх диф}.

Выходные характеристики

Выходными параметрами ОУ являются выходное сопротивление, а также максимальное выходное напряжение и ток.

Операционный усилитель должен обладать малым выходным сопротивлением (R_вых) для обеспечения высоких значений напряжения на выходе при малых сопротивлениях нагрузки. Малое выходное сопротивление достигается применением на выходе ОУ эмиттерного повторителя. РеальноеR_выхсоставляет единицы и сотни ом.

Максимальное выходное напряжение (положительное или отрицательное) близко к напряжению питания. Максимальный выходной ток ограничивается допустимым коллекторным током выходного каскада ОУ.

Энергетические характеристики

Энергетические параметры ОУ оценивают максимальными потребляемыми токамиот обоих источников питания и соответственно суммарнойпотребляемой мощностью.

Частотные характеристики

Усиление гармонических сигналов характеризуется частотными параметрами ОУ, а усиление импульсных сигналов – его скоростными или динамическими параметрами.

Частотная зависимость коэффициента усиления ОУ без обратной связи называется амплитудно-частотной характеристикой(АЧХ).

На низких частотах коэффициент усиления операционного усилителя без ОС очень велик и остается постоянным до частоты, называемой частотой среза (f_ср,), а затем появляется спад АЧХ, коэффициент усиления начинает уменьшаться. Причиной этого является частотная зависимость параметров транзисторов и паразитных емкостей схемы ОУ. По граничной частоте (f_гр), которой соответствует снижение коэффициента усиления ОУ в , оцениваютполосу пропускания частот усилителя, составляющую для современных ОУ десятки мегагерц.

Частота (f₁), при которой коэффициент усиления ОУ равен единице, называетсячастотой единичного усиления.

Вследствие создаваемого усилителем в области высоких частот фазового сдвига выходного сигнала относительно входного фазо-частотная характеристика ОУ по инвертирующему входу приобретает дополнительный (сверх 180°) фазовый сдвиг (рис. 8.8).

Для обеспечения устойчивой работы ОУ необходимо уменьшать запаздывание по фазе, т.е. корректировать амплитудно-частотную характеристику ОУ.

Скоростные характеристики

Динамическими параметрами ОУ являются скорость нарастания выходного напряжения(скорость отклика) ивремя установления выходного напряжения. Они определяются по реакции ОУ на воздействие скачка напряжения на входе (рис. 8.9).

Скорость нарастания выходного напряжения– это отношение приращения (U_вых) к интервалу времени (t), за который происходит это приращение при подаче на вход прямоугольного импульса. То есть

V_{U вых}=U_вых/t

Чем выше частота среза, тем больше скорость нарастания выходного напряжения. Типовые значения V_{U вых} – единицы вольт на микросекунды.

Время установления выходного напряжения(t_уст) – время, в течение которогоU_выхоперационного усилителя изменяется от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значенияU_выхпри воздействии на вход ОУ прямоугольных импульсов. Время установления обратно пропорционально частоте среза.

8.3. Классификация оу

В соответствии с ГОСТ 4.465 – 86 все ОУ делятся на следующие группы по совокупности их параметров:

• универсальные (общего применения), у которых К_u = 10³...10⁵; f₁ = 1,5...10 МГц;

• прецизионные (инструментальные), у которых К_u>и гарантированные малые уровни U_см(меньше 0,5 мВ) и его дрейфа;

• быстродействующие со скоростью нарастания выходного напряжения V_{u вых} > 20 В/мкс и частотой единичного усиления f₁ > 15 МГц;

• регулируемые (микромощные) с током потребления I_пот< 1 мА;

• мощные и высоковольтные ОУ;

• многоканальные.

8.4. Применение операционных усилителей

Операционный усилитель является базовым элементом устройств аналоговой обработки сигналов и применяется в самых разнообразных схемах. На основе операционных усилителей (ОУ) создаются схемы, предназначенные для выполнения математических операций над входными сигналами (сложения, вычитания, интегрирования,выделения модуляфункции и т.п.). Такие схемы находят широкое применение в устройствах автоматического управления. Наиболее распространенными являются суммирующие и интегрирующие схемы на ОУ, а также ряд схем, в которых ОУ используются в нелинейном режиме (мультивибратор, одновибратор, генератор линейно изменяющегося напряжения и т.д.).

Главным недостатком ОУ является нестабильность коэффициента усиления, который в полупроводниковых усилителях очень сильно зависит от режима работы, в первую очередь от температуры, и меняется от экземпляра к экземпляру в очень широких пределах. Кроме того, линейный участок АЧХ ограничен весьма малыми значениями входных напряжений. Поэтому ОУ используются с цепями обратной связи.

О

Рис. 8.10. Схема неинвертирующего

усилителя

При анализе схем на ОУ обычно принимают следующие упрощающие предположения

• коэффициент усиления стремится к бесконечности;

• входы ОУ не потребляют тока;

• входное сопротивление стремиться к бесконечности;

• напряжение между входами равно нулю.