3.1.4. Основні параметри операційних підсилювачів

Є дуже багато параметрів ОП, які характеризують його якість, основними із яких є:

Коефіцієнт підсилення к – відношення зміни вихідної напруги до зміни диференціальної вхідної напруги, яка викликала цю зміну при роботі підсилювача на лінійній ділянці характеристики (рис. 3.3), де .

Інтегральні ОП мають коефіцієнт підсилення, який лежить в діапазоні 10³…10⁷.

Напруга зміщення е_зм – значення диференціальної вхідної напруги (е₊-е_-), при якій вихідна напруга підсилювача рівна нулю. Максимальне за модулем значення е_зм для підсилювачів, вхідні каскади яких виконані на біполярних транзисторах, переважно складають 1-10 мВ. В тих ОП, в яких вхідний каскад будується на польових транзисторах, напруга зміщення зазвичай на порядок більша, 10-100 мВ.

Середній вхідний струм І_вх – середньоарифметичне значення струмів Н- та І - входів підсилювача, виміряних при такій вхідній напрузі U_вх, при якій вихідна напруга U_вих=0 рівна нулю. На еквівалентній схемі (рис. 3.2) вхідні струми подані у вигляді джерела струму і₊ та і_-. Значення середніх вхідних струм інтегральних підсилювачів з вхідними каскадами на біполярних транзисторах лежить в діапазоні 0,01-1 мкА. Такі малі значення І_вх забезпечуються завдяки роботі вхідних транзисторів ОП в режимі дуже малих колекторних струмів (мікрострумів). Подальше зниження вхідних струмів (до 1 нА і менше) досягається при використанні польових транзисторів у вхідних каскадах ОП.

Різниця вхідних струмів ΔІ_вх – абсолютне значення різниці струмів двох входів підсилювача |i₊-i_-|, виміряних тоді, коли напруга на виході підсилювача рівна нулю. Цей різницевий струм в значній мірі говорить проте, наскільки велика несиметрія вхідного каскаду ОП. Якщо значення Δi_вх близьке до нуля, то вплив вхідних струмів і₊ та і_- на вхідну напругу ОП можна значно зменшити, встановлюючи однакові еквівалентні провідності зовнішніх кіл, приєднаних до Н- та І-входів ОП. Зазвичай Δі_вх складає 20-50% від значення і_вх.

Вхідний опір R_вх – опір зі сторони одного із входів ОП, причому другий заземлений. В деяких випадках цей опір називають вхідним опором для дифереціального сигналу, для того щоб відрізнити його від вхідного опору для синфазного сигналу. Значення вхідного опору ОП може складати 10³-10⁶ Ом і більше.

Вхідний опір для синфазного сигналу R_cф визначають як відношення приросту синфазної напруги до приросту середнього струму підсилювача. Значення опору R_cф, як правило, на 1-2 порядки і більше перевищує значення опору R_вх.

На еквівалентній схемі (рис. 3.2) вхідний опір R_вх показаний у вигляді опору включеного між входами підсилювача, а опір R_сф - у вигляді двох опорів включених паралельно джерелам струмів та .

Коефіцієнт послаблення синфазного сигналу М_сф – відношення коефіцієнта підсилення к до коефіцієнта передачі синфазного сигналу. Коефіцієнт послабленого синфазного сигналу при цьому визначається як відношення зміни вихідної напруги до зміни синфазної вхідної напруги, яка викликала цю зміну. Коефіцієнт послаблення синфазного сигналу може бути визначений по-іншому : як відношення синфазного сигналу до викликаної цим сигналом зміни напруги зміщення підсилювача. Часто використовується логарифмічна міра для визначення коефіцієнта послаблення синфазного сигналу . Зазвичай, для інтегральних ОП величина дБ.

Тракт передачі синфазного сигналу на еквівалентній схемі (рис. 3.2) показаний у вигляді суматора вхідних сигналів е₊ та е_- та безінерційної ланки з коефіцієнтом передачі 0,5/М_сф, напруга з виходу якої рівна обумовленій синфазним сигналом зміні напруги зміщення, подається на другий суматор на вхід основної підсилювальної ланки.

Коефіцієнт впливу нестабільності джерела живлення – відношення зміни напруги зміщення до викликаної нею зміною однієї з джерел напруги ΔU_n(іноді вплив нестабільності джерел позитивної і негативної напруг живлення характеризуються окремими коефіцієнтами впливу). Цей коефіцієнт, як правило, рівний 2∙10^-5-2∙10^-4, що відповідає 20–200 мкВ/В.

Вихідний опір ОП (r_вих) – визначається так само, як і для будь-якого іншого підсилювача і складає переважно величину, яка лежить в діапазоні від декількох десятків до декількох сотень ом.

Динамічні властивості ОП визначаються, зазвичай, двома параметрами : частотною смугою і швидкістю зміни вихідного сигналу.

Частотна смуга ОП визначається, як правило, частотою одиничного підсилення f₁, тобто частотою, на якій коефіцієнт підсилення ОП зменшується до одиниці. Значення f₁ у більшості інтегральних ОП лежить в діапазоні від десятих частин мегагерц до декількох десятків мегагерц.

Максимальна швидкість наростання вихідної напруги ОП (υ) визначається при подачі на його вхід імпульсу напруги прямокутної форми. Для типових інтегральних ОП максимальна швидкість наростання знаходиться в діапазоні 0,3–50 В/мкс. Так як найбільша швидкість зміни синусоїдального сигналу пропорційна амплітуді і частоті цього сигналу, то обмеження швидкості зміни вихідного сигналу ОП призводить до обмеження амплітуди вихідного неспотвореного гармонічного сигналу на високих частотах.

Параметри ОП залежать від температури навколишнього середовища.

Температурний дрейф напруги зміщення для інтегральних ОП з вхідними каскадами на біполярних транзисторах складає зазвичай 1–20 мкВ/К. Для підсилювачів, вхідні каскади яких побудовані на польових або на складених біполярних транзисторах, температурний дрейф напруги зміщення лежить в діапазоні 0,2–100 мкВ/К.

Температурні зміни вхідних струмів ОП мають різний характер в залежності від типу транзисторів, які використовуються у вхідних каскадах. В ОП з вхідними каскадами на біполярних транзисторах вхідний струм зменшується при збільшенні температури (це пояснюється тим, що коефіцієнт підсилення транзистора збільшується, в той час, як колекторний струм залишається сталим). При збільшенні температури від +20 до +125 ºС вхідний струм ОП на біполярних транзисторах зменшується майже у три рази і приблизно в стільки ж разів зростає при зменшенні температури від +20 до -60 ºС. В підсилювачах, вхідні каскади яких виконані на польових транзисторах, вхідний струм зростає зі збільшенням температури. В цьому випадку вхідний струм – це в основному струм закритого p-n-переходу, який, як відомо, збільшується приблизно у 2 рази при збільшенні температури на 10 К.

Температурна зміна різниці вхідних струмів носить такий же характер, як і температурна зміна середнього вхідного струму: в ОП з вхідними каскадами на біполярних транзисторах різниця вхідних струмів зменшується зі збільшенням температури, а в ОП з вхідними каскадами на польових транзисторах – зростає. Внаслідок неідентичності параметрів транзистора вхідного каскаду різниця вхідних струмів ОП може змінюватися з відносним температурним коефіцієнтом, в 1,5-2 більшим, від відносного ТК середнього вхідного струму ОП.

Температурний коефіцієнт коефіцієнта підсилення ОП може бути як додатнім, так і від’ємним в залежності від температури і типу ОП. В повному діапазоні допустимих температур навколишнього середовища коефіцієнт підсилення ОП змінюється, зазвичай, не більше, ніж в 3-5 раз.

Значення еквівалентної вхідної напруги реального ОП можна визначити за співвідношенням

(3.4)

де - зміна вихідної напруги ОП; - значення синфазної вхідної напруги; - еквівалентна напруга зміщення; - еквівалентна напруга шумів; - еквівалентний струм шумів; - еквівалентний опір вхідного кола ОП; - часовий дрейф еквівалентної напруги зміщення; - час, який пройшов після встановлення нульового рівня ОП (коригування).

Значення адитивної складової похибки (еквівалентної напруги зміщення, зведеної до входу ОП) визначається за співвідношенням

(3.5)

де , - еквівалентні значення опорів, що під’єднані до інвертувального та неінвертувального входів ОП; - відхилення температури від номінального робочого значення.

, (3.6)

, (3.7)

де , - еквівалентна спектральна густина шумів за напругою та струмом відповідно; , - частоти спряження флікер-та білих шумів відповідно за напругою та струмом.