Реальный операционный усилитель

Рассмотрим на примере одного из усилителей базы MultiSim как реальные операционные усилители отличаются от идеальных.

В качестве исследуемого операционного усилителя выберем LM224AJ из библиотеки Multisim 8.3.30. Изучим его паспортные данные из этой библиотеки:

.SUBCKT LM224_3 1 2 3 4 5

* EWB Version 4 - 5 Terminal Opamp Model

* nodes: 3=+ 2=- 1=out 5=V+ 4=V-

* VCC= 16 VEE= -16 CC= 3e-011 A= 100000 RI= 3e+007

* RO= 75 VOS= 0.002 IOS= 3e-009 IBS= 4.5e-008

* VSW+= 14 VSW-= -14 CMMR= 85

* ISC= 0.025 SR= 0.5 Fu= 1e+006 Pm= 1.2183e-006

Обозначим эти паспортные данные в российской терминологии:

Измерение выходного сопротивления ОУ производится по схеме рис. 1.4а.

Рассмотрим подробно принцип работы данной схемы. С помощью резистора R_н и выходного резистора R_вых (обозначение согласно рис. 1.3) создается делитель напряжения (см. приложение к работе). При замкнутом ключе Кл₁ получается делитель напряжения, аналогичный рисунку П1.1. Выходное напряжение этого делителя определяется по формуле П1.1:

.

При разомкнутом ключе напряжение  на выходе усилителя меньше напряжения  на величину падения напряжения на резисторе R_вых:

.

Сопротивление R_вых хоть и мало, но всё-таки составляет в лучшем случае несколько десятков Ом, поэтому вычитаемым можно пренебречь. Тогда получим:

.

Решим относительно R_вых:

,                                      (1.9)

где U’ — напряжение при отключенной нагрузке,

U” — напряжение при включенной нагрузке,

R_н — сопротивление нагрузки.

Для определения R_вых на вход микросхемы подаем некоторый достаточно большой синусоидальный сигнал. Выходное напряжение схемы определяем дважды при включенной и отключенной нагрузке (ключ Кл₁ замкнут и разомкнут соответственно). Выходное сопротивление определяется по формуле (1.9)

Математическая модель MultiSim в этом случае дает очевидный сбой, поскольку не может на выходе электронного устройства быть сигнал больший напряжения питания. Тем не менее, расчет по формуле (1.9) приводит к «верному» результату — выходное сопротивление для случая рис. 1.4 будет равно

.

Если объединить входы операционного усилителя, не подавая на них сигнал, то слабые базовые токи, текущие от питания через замкнутый входной каскад ОУ, создадут достаточную разность потенциалов между входами ОУ, и он войдет в насыщение (см. формулу 1.7).

Под напряжением смещения ОУпонимают такое напряжение, которое необходимо подать на вход усилителя, чтобы выход его в описанном случае равнялся нулю. Схема определения напряжения смещения приведена на рис. 1.5.

Для того, чтобы найти напряжение смещения, необходимо подобрать напряжение источника U₁ так, чтобы U_вых=0 и посчитать U_см. — падение напряжения на сопротивлении R₁. Это можно сделать по формуле делителя напряжения (П1.1):

.

В рассматриваемом случае U_см.≈2 мВ, что соответствует паспортным данным.

В схемах рис. 1.4-1.5 сопротивления следует выбирать из соотношений:

, .                  (1.10)