Глава 9. Операционные усилители Как следует из (9.16), соответствующее отклонение, приве-

денное ко входу, с точностью до величин второго порядка мало-

сти ∆U BX = ∆U ВЫХ β , откуда находим окончательно относитель-

ную погрешность, приведенную к входу:

∆U

ВХ11

(9.19)

.=−≈−

βK U1 + βK UU ВХ

Из последнего выражения следует, что погрешность преоб-

разования входного сигнала схемой на ОУ обратно пропорциональ-

на коэффициенту петлевого усиления. Для гармонических сигна-

лов можно получить аналогичное соотношение:

11

(9.20)

.≈−

1 + βK UβK UU BX

Погрешность, обусловленная синфазным входным напря-

жением ОУ, может быть определена следующим образом. Вы-

ходное напряжение усилителя является функцией как дифферен-

=−

циального U Д = U р − U n , так и синфазного U C = U p + U n / 2

входных напряжений U ВЫХ = U ВЫХ (U Д , U С ) .

Приращение этого напряжение определяется соотношением:

∆U

ВЫХ =

∂U

ВЫХ

∂U Д

∆U

Д +

U С = const

∆ U

BX

(

)

∂U

ВЫХ

∂U С

∆U

С ,

U Д = const

или

∆U

ВЫХ = К U ∆U Д + К С ∆U С ,

(9.21)

где K C – коэффициент усиления синфазного сигнала. При ∆U ВЫХ = 0

из (9.21) следует:

∆U

С KU

== КОСС .

∆U Д KC

Коэффициент ослабления синфазного сигнала показывает,

какое значение дифференциального входного напряжения ∆U Д

−

– 183 –

Л.В. Кропочева. «Усилительные устройства»

следует приложить ко входу усилителя, чтобы скомпенсировать

усиление входного синфазного сигнала.

Найдем погрешность, обусловленную смещением нуля уси-

лителя. Смещение нуля ОУ проявляется в наличии постоянного

напряжения на выходе усилителя при отсутствии входного напря-

жения. Обычно определяют смещение нуля, приведенное к входу,

т.е. смещение выходного напряжения, умноженное на коэффици-

ент передачи цепи обратной связи β . Смещение нуля является

результатом действия двух факторов: собственно напряжением

+

смещения U СМ и постоянными входными токами усилителя I BX

−

и I BX (см. рис. 9.11). Величина U СМ определяется в основном

разбросом напряжений эмиттерно-базовых переходов входных

транзисторов дифференциального каскада в усилителях на бипо-

лярных транзисторах или напряжений затвор-исток в ОУ с поле-

выми транзисторами на входах. Эта величина составляет 0,1 – 5

мВ для усилителей общего назначения с биполярными и 0,5 – 20

мВ с полевыми транзисторами на входе. Путем лазерной подгон-

ки удается уменьшить смещение нуля до 10 мкВ (МАХ400М) у

первого типа усилителей и до 100 мкВ (ОРА627В) у второго. Даль-

нейшее снижение смещения нуля достигается применением схем

автоматической компенсации смещения нуля. Например, ОУ с

прерыванием имеют типичное напряжение смещения нуля менее

1 мкВ (ICL7650S, MAX430). Снизить U СМ можно подстройкой

внешним резистором, для подключения которого некоторые опе-

рационные усилители (например, 140УД7, 140УД8) имеют специ-

альные выводы.

Постоянные входные токи, протекая по резисторам цепей

обратной связи и источников сигналов, создают разность падений

напряжения ∆U . Например, в дифференциальной схеме включе-

ния ОУ (рис. 9.4) эта разность определяется выражением:

+−

Обозначим I BX = I BX + I P / 2; I BX = I BX − I P / 2 . Тогда

∆U = I BX [(R3 R 4 ) − (R1 R 2 )]+ I P [(R3 R 4 ) + (R1 R 2 )] / 2 . (9.22)

Величину I BX называют в технических характеристиках ОУ

входным током, а I P – разностью входных токов. Анализ выра-

жения (9.22) показывает, что составляющая ∆U , вызванная вход-

+−

∆U = I BX (R3 R 4 ) − I BX (R1 R 2 ) .

– 184 –

Л.В. Кропочева. «Усилительные устройства»

ным током, может быть устранена правильным выбором соотно-

шения резисторов, другую же составляющую ∆U , обусловлен-

ную разностью входных токов, можно только уменьшить, выби-

рая номиналы резисторов по возможности минимальными.

Пример 2. Для снижения смещения нуля инвертирующего

усилителя, имеющего существенные входные токи, следует меж-

ду неинвертирующим входом и общей точкой схемы включить

компенсирующий резистор R K (рис. 9.18). Сопротивление этого

резистора определяется соотношением: R K = R1 R 2 / (R1 + R 2 ) .

На точность преобразования постоянного входного сигнала

существенное влияние оказывают температурные дрейфы напря-

жения смещения ∆U СМ ∆Т и входного тока ∆I BX / ∆T .

Особенно существенное влияние может оказать дрейф про-

грева, который проявляется при быстром изменении температу-

ры в первое время после включения питания. При этом прираще-

ние U СМ может быть существенно больше значения, получаемо-

го при медленном изменении температуры.

Рис. 9.18. Включение компенсирующего резистора

Это явление связано с возникновением термического гради-

ента внутри подложки микросхемы. Наибольшее влияние разницы

температур проявляется в парных транзисторах дифференциаль-

ного усилительного каскада, где она нарушает баланс дрейфов их

эмиттерно-базовых напряжений. Длительность процесса установ-

ления температуры может достигать несколько десятков секунд.

Коэффициент влияния источников питания обычно оп-

ределяют как приведенное ко входу ОУ статическое (т.е. очень

медленное) изменение выходного напряжения ∆U ВЫХ , обуслов-

ленное изменением одного из источников питания на 1 вольт. Обыч-

но имеет размерность децибел или мкВ/В. С ростом частоты

– 185 –

Л.В. Кропочева. «Усилительные устройства»

пульсаций напряжения питания коэффициент влияния источников

питания увеличивается, поэтому для ослабления паразитных ка-

налов прохождения сигналов по цепям питания между выводами

питания ОУ и общей точкой включают конденсаторы.

Динамические параметры ОУ

Параметры, характеризующие быстродействие ОУ, можно

разделить на параметры для малого и большого сигналов. К пер-

вой группе динамических параметров относятся полоса пропус-

кания f П , частота единичного усиления f Т и время установле-

ния t Y . Эти параметры называются малосигнальными, т.к. они

измеряются в линейном режиме работы каскадов ОУ

( ∆U ВЫХ 〈1 В ). Ко второй группе относятся скорость нарастания

выходного напряжения r и мощностная полоса пропускания f p .

Эти параметры измеряются при большом дифференциальном вход-

ном сигнале ОУ (более 50 мВ). Некоторые из этих параметров

рассмотрены выше. Время установления отсчитывается от мо-

мента подачи на вход ОУ ступеньки входного напряжения до мо-

мента, когда в последний раз станет справедливым равенство

U ВЫХ .УСТ − U ВЫХ (t ) = δ , где U ВЫХ .УСТ – установившееся значение

выходного напряжения, δ – допустимая ошибка.

Мощностная полоса пропускания ОУ определяется по виду

амплитудно-частотной характеристики, снятой при максимально

возможной амплитуде неискаженного выходного сигнала. Внача-

ле на низких частотах устанавливают такую амплитуду сигнала

от генератора гармонических колебаний, чтобы амплитуда вы-

ходного сигнала U ВЫХ .МАКС немного не доходила до границ насы-

щения усилителя. Затем увеличивают частоту входного сигнала.

Мощностная полоса пропускания f р соответствует значению

U ВЫХ .МАКС , равному 0,707 от первоначального значения. Величи-

на мощностной полосы пропускания снижается при увеличении

емкости корректирующего конденсатора.

Эксплуатационные параметры ОУ определяют допусти-

мые режимы работы его входных и выходных цепей и требования

к источникам питания, а также температурный диапазон работы

усилителя. Ограничения эксплуатационных параметров обуслов-

– 186 –