Основные параметры и характеристики ОУ

Основным параметром ОУ коэффициент усиления по напряжению без обратной связи K_{u ОУ}, называемый также полным коэффициентом усиления по напряжению. В области НЧ и СЧ он иногда обозначается K_{u ОУ0} и может достигать нескольких десятков и сотен тысяч.

Важными параметрами ОУ являются его точностные параметры, определяемые входным дифференциальным каскадом. Поскольку точностные параметры ДУ были рассмотрены в подразделе 5.5, то здесь ограничимся их перечислением:

◆ напряжение смещения нуля U_см;

◆ температурная чувствительность напряжения смещения нуля dU_см/dT;

◆ ток смещения ΔI_вх;

◆ средний входной ток I_{вх ср}.

Входные и выходные цепи ОУ представляются входным R_вхОУ и выходным R_выхОУ сопротивлениями, приводимыми для ОУ без цепей ООС. Для выходной цепи даются также такие параметры, как максимальный выходной ток I_выхОУ и минимальное сопротивление нагрузки R_{н min}, а иногда и максимальная емкость нагрузки. Входная цепь ОУ может включать емкость между входами и общей шиной. Упрощенные эквивалентные схемы входной и выходной цепи ОУ представлены на рисунке 6.4.

Рисунок 6.4. Простая линейная макромодель ОУ

Среди параметров ОУ следует отметить КОСС и коэффициент ослабления влияния нестабильности источника питания КОВНП=20lg·(ΔE/ΔU_вх). Оба этих параметра в современных ОУ имеют свои значения в пределах (60…120)дБ.

К энергетическим параметрам ОУ относятся напряжение источников питания ±E, ток потребления (покоя) I_П и потребляемая мощность. Как правило, I_П составляет десятые доли — десятки миллиампер, а потребляемая мощность, однозначно определяемая I_П, единицы — десятки милливатт.

К максимально допустимым параметрам ОУ относятся:

◆ максимально возможное (неискаженное) выходное напряжение сигнала U_{вых max} (обычно чуть меньше Е);

◆ максимально допустимая мощность рассеивания;

◆ рабочий диапазон температур;

◆ максимальное напряжение питания;

◆ максимальное входное дифференциальное напряжение и др.

К частотным параметрам относится абсолютная граничная частота или частота единичного усиления f_T (F₁), т.е. частота, на которой K_{u ОУ}=1. Иногда используется понятие скорости нарастания и времени установления выходного напряжения, определяемые по реакции ОУ на воздействие скачка напряжения на его входе. Для некоторых ОУ приводятся также дополнительные параметры, отражающие специфическую область их применения.

Амплитудные (передаточные) характеристики ОУ представлены на рисунке 6.5 в виде двух зависимостей U_вых=f(U_вх) для инвертирующего и не инвертирующего входов.

Когда на обоих входах ОУ U_вх=0, то на выходе будет присутствовать напряжение ошибки U_ош, определяемое точностными параметрами ОУ (на рисунке 6.5 U_ош не показано ввиду его малости).

Рисунок 6.5. АХ ОУ

Частотные свойства ОУ представляются его АЧХ, выполненной в логарифмическом масштабе, K_{u ОУ}=φ(lg f). Такая АЧХ называется логарифмической (ЛАЧХ), ее типовой вид приведен на рисунке 6.6 (для ОУ К140УД10).

Рисунок 6.6. ЛАЧХ и ЛФЧХ ОУ К140УД10

Частотную зависимость K_{u ОУ} можно представить в виде:

Здесь τ_в постоянная времени ОУ, которая при M_в=3 дБ определяет частоту сопряжения (среза) ОУ (см. рисунок 6.6);

ω_в = 1/τ_в = 2πf_в.

Заменив в выражении для K_{u ОУ} τ_в на 1/ω_в, получим запись ЛАЧХ:

На НЧ и СЧ K_{u ОУ}=20lgK_{u ОУ0}, т.е. ЛАЧХ представляет собой прямую, параллельную оси частот. С некоторым приближением можем считать, что в области ВЧ спад K_{u ОУ} происходит со скоростью 20дБ на декаду(6дБ на октаву). Тогда при ω>>ω_в можно упростить выражение для ЛАЧХ:

K_{u ОУ} = 20lgK_{u ОУ0} – 20lg(ω/ω_в).

Таким образом, ЛАЧХ в области ВЧ представляется прямой линией с наклоном к оси частот 20дБ/дек. Точка пересечения рассмотренных прямых, представляющих ЛАЧХ, соответствует частоте сопряжения ω_в (f_в). Разница между реальной ЛАЧХ и идеальной на частоте f_в составляет порядка 3дБ (см. рисунок 6.6), однако для удобства анализа с этим мирятся, и такие графики принято называть диаграммами Боде.

Следует заметить, что скорость спада ЛАЧХ 20дБ/дек характерна для скорректированных ОУ с внешней или внутренней коррекцией, основные принципы которой будут рассмотрены ниже.

Для скорректированного ОУ можно рассчитать K_{u ОУ} на любой частоте f как K_{u ОУ}=f_T/f, а K_{u ОУ0}=f_T/f_в.

На рисунке 6.6 представлена также логарифмическая ФЧХ (ЛФЧХ), представляющая собой зависимость фазового сдвига j выходного сигнала относительно входного от частоты. Реальная ЛФЧХ отличается от представленной не более чем на 6°. Отметим, что и для реального ОУ j=45° на частоте f_в, а на частоте f_T — 90°. Таким образом, собственный фазовый сдвиг рабочего сигнала в скорректированном ОУ в области ВЧ может достигнуть 90°.

Рассмотренные выше параметры и характеристики ОУ описывают его при отсутствии цепей ООС. Однако, как отмечалось, ОУ практически всегда используется с цепями ООС, которые существенно влияют на все его показатели.

22. Инвертирующий и неинвертирующий усилители на ОУ.

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель изображен на (рис. 1.12)

Рис. 1.12

Входной и выходной сигналы инвертирующего усилителя сдвинуты по фазе на 180°. Изменение знака выходного сигнала относительно входного создается введением по инвертирующему входу ОУ с помощью резистора R_ос параллельной обратной связи по напряжению. Неинвертирующий вход связан с общей точкой входа и выхода схемы (заземляется). Входной сигнал подается через резистор R₁ на инвертирующий вход ОУ.

Благодаря высокому коэффициенту усиления усилителя без ОС для изменения выходного напряжения усилителя во всем рабочем диапазоне достаточно весьма малого значения Uз (обычно U_вых.max< U_и.п.).

Если на схему подать положительное входное напряжение U_вх, то U_q станет положительным и выходной потенциал начнет снижаться. Выходное напряжение будет меняться в отрицательном направлении до тех пор, пока напряжение на инвертирующем входе в точке А не станет почти нулевым: U_q = U_вых / Kоу >> 0.

Таким образом, R₁ и R_ос действует как делитель напряжения между U_вых и U_вх и U_вых / U_вх = R_ос / R₁.

Точка А называется потенциально заземленной, поскольку потенциал почти равен потенциалу Земли, так как U_q>> 0.

Если принять R_вх.оу и входной ток ОУ I_оу = 0, то

IR₁ = (U_вх - U_q) / R₁ и IR₁ = - (U_вых - U_q) / R_ос,

следовательно

(U_вх - U_q) / R₁ = - (U_вых - U_q) / R_ос.

Полагая,что U_q>> 0 и К , запишем

Uвх/R₁ = U_вых/R_ос, К_ос = U_вых/U_вх = - R_ос/R₁

Таким образом, коэффициент усиления инвертирующего каскада ОУ зависит только от параметров внешней цепи и не зависит от коэффициента усиления самого ОУ. Обычно R₁ выбирается так, чтобы не нагружать источник напряжения U_вх, а R_ос должно быть достаточно большим, чтобы чрезмерно не нагружать операционный усилитель.

Если выбрать R_ос = R₁, когда К_uос = - 1, то схема (рис. 1.12) получит свойства инвертирующего повторителя напряжения(инвертор сигнала).

Поскольку U_q 0, входное сопротивление схемы R_вх = R₁, выходное сопротивление усилителя:

R_вых = ((R_вых оу (1+R_ос/R₁)) / К_u,оу

При К_u,оу , R_вых 0.