3. Основные усилительные каскады на оу
3.1. Основные понятия и определения
Под современным
ОУ понимают УПТ с дифференциальным
входом (т.е. с двумя входными зажимами
– инвертирующим, обозначаемым знаком
(-), и неинвертирующим, обозначаемым
знаком (+)) и одним выходом. Такой УПТ
характеризуется большим коэффициентом
усиления, широкой полосой пропускания,
большим входным и малым выходным
сопротивлениями. Его условное
обозначение приведено на рис.3.1.
Рис.3.1. Условное обозначение ОУ
В общем случае усилительные свойства ОУ с дифференциальным входом характеризуются следующими коэффициентами усиления:
собственный коэффициент усиления:
дифференциальный коэффициент усиления:
синфазный коэффициент усиления:
В общем случае
Если U1=U2=UВХ, тогда в силу линейности ОУ
Следовательно, при этом условии КСФ = 0. Равенство нулю величины КСФ обусловлено полной идентичностью инвертирующего и неинвертирующего коэффициентов усиления. В реальном устройстве такая идентичность недостижима.
Для оценки рассогласования усиления по двум входам дифференциального усилителя используют коэффициент ослабления синфазной составляющей:
По своим совокупным характеристикам ОУ приближается к идеальному усилителю, который представляет собой идеальный источник напряжения, управляемый напряжением (ИНУН).
3.2. Основные параметры оу
Полный перечень параметров ОУ, который приводят разработчики, насчитывает до 70 позиций. Рассмотрим основные из них.
Коэффициент усиления (собственный) μ. Его величина у современных ОУ достигает 100 – 120 дБ.
Частота единичного усиления fТ (МГц) – частота, на которой коэффициент усиления ОУ падает до 1. Значение данного параметра для современных ОУ достигает единиц ГГц.
Коэффициент ослабления синфазной составляющей КОСС. Величина этого коэффициента в зависимости от типа ОУ колеблется в пределах от – 60 до –120 дБ.
Входное сопротивление RВХ. Диапазон значений RВХ – от сотен килоом до десятков и сотен мегаом. Различают входное сопротивление для дифференциального сигнала (Rвх.д), т.е. сопротивление между входными зажимами ОУ, и входное сопротивление для синфазного сигнала (Rвх.сф), т.е. сопротивление между соединенными входными зажимами ОУ и землей.
Выходное сопротивление RВЫХ. Типовое значение этого сопротивления для современных ОУ – десятки Ом.
Напряжение смещения eсм. Нежелательное напряжение, определяемое неидеальностью входного ДК, наличие которого приводит к появлению на выходе ОУ ненулевого напряжения при нулевых напряжениях на его входах.
Входной ток IВХ – ток, необходимый для работы входного ДК ОУ. По своей сути это ток базы для входных транзисторов ДК, если он реализован на биполярных транзисторах. Для ДК на полевых транзисторах этот ток пренебрежимо мал.
Максимальная амплитуда выходного сигнала – максимальное неискаженное напряжение выходного сигнала Uвых.макс.неиск, которое можно получить при определенных нагрузочных условиях.
Напряжение питания EП. Схемотехника “классического” ОУ требует двухполярного источника питания. Диапазон питающих напряжений составляет, как правило, 5 – 20 В для каждого источника. Однако в номенклатуре современной элементной базы имеются ОУ с однополярным питанием, которые способны работать при напряжении 1.5 – 3 В.
Скорость нарастания выходного напряжения V (В/мкс) – параметр, который характеризует быстродействие ОУ. Для современных ОУ значение этого параметра достигает величины единиц кВ/мкс.
С учетом введенных в рассмотрение основных параметров ОУ его
обобщенную эквивалентную схему можно представить в виде рис. 3.2.
Рис. 3.2. Обобщенная эквивалентная схема ОУ
Данная эквивалентная схема по сути есть схема ИНУН с двумя входами (с дифференциальным входом). Схема отражает конечность входных и выходных параметров, при этом она позволяет легко учесть, например, паразитные входные емкости ОУ посредством простой замены активного входного сопротивления RВХ соответствующим комплексным сопротивлением. Кроме того, все частотные свойства ОУ можно учесть соответствующим видом коэффициента μ – коэффициента управления выходного источника напряжения.
Частотные характеристики ОУ. Собственный коэффициент усиления ОУ зависит от частоты и убывает с ее ростом. Наиболее простой моделью, учитывающей зависимость коэффициента усиления от частоты, является модель первого порядка:
где μ0 – коэффициент усиления на постоянном токе (на нулевой частоте), паспортный параметр ОУ;
f0 – частота полюса передаточной функции ОУ, иначе – это частота среза АЧХ ОУ, определенная по уровню 0.707 (–3дБ) от величины μ0.
Произведение μ0 на f0 называют площадью усиления (П):
П – постоянная величина для данного типа ОУ, она является паспортным параметром (для ОУ зарубежного производства этот параметр обозначается GBP). Величина П совпадает с величиной частоты единичного усиления fТ:
Частотные свойства ОУ определяются амплитудночастотной характеристикой (АЧХ), которая описывается модулем коэффициента усиления:
и фазочастотной характеристикой (ФЧХ), которая описывается аргументом коэффициента усиления:
Графики частотных характеристик ОУ в виде диаграмм Боде представлены на рис. 3.3.
μ
μ0
0.707μ0 (–3 дБ)
АЧХ ОУ Крутизна спада –6 дБ/окт
0 f0 fТ f
ФЧХ ОУ
–450
Максимальный набег фазы –900
–900
φ(f)
Рис. 3.3. Вид частотных характеристик ОУ