27. Основные параметры и характеристики операционного усилителя.

Операционным усилителем (ОУ) принято называть интегральный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и двухтактным выходом, предназначенный для работы с цепями обратных связей.

Интегральный ОУ имеет следующие основные параметры:

1. Коэффициент усиления напряжения KyU - отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению входного напряжения. В общем случае коэффициент напряжения ОУ, не охваченного обратной связью, равен произведению KyU всех его каскадов.

2. Частота единичного усиления fI - значение частоты входного сигнала, при котором значение коэффициента усиления напряжения ОУ падает до единицы. Этот параметр определяет максимально реализуемую полосу усиления ОУ.

3. Максимальное выходное напряжение UВЫХ макс - максимальное значение выходного напряжения, при котором искажения не превышают заданного значения.

4. Скорость нарастания выходного напряжения VUвых - отношение изменения UВЫХ от 10 до 90% от своего номинального значения ко времени, за которое произошло это изменение. Параметр характеризует скорость отклика ОУ на ступенчатое изменение сигнала на входе; при измерении ОУ охвачен ООС с общим коэффициентом усиления от 1 до 10.

5. Напряжение смещения UСМ - значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы на выходе напряжение было равно 0.

6. Входные токи IВХ - токи, протекающие через входные контакты ОУ. Эти токи обусловлены базовыми токами входных биполярных транзисторов и токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе.

7. Разность входных токов D IВХ. Входные токи могут отличаться друг от друга на 10 ... 20%. Зная разность входных токов, можно легко подобрать номинал балансировочного резистора. Все параметры ОУ изменяют свое значение - дрейфуют с изменением температуры. Особенно важными дрейфами являются: Дрейф напряжения смещения D UСМ и Дрейф разности входных токов D D IВХ.

8. Максимальное входное напряжение UВХ - напряжение, прикладываемое между входными выводами ОУ, превышение которого ведет к выходу параметров за установленные границы или к разрушению прибора.

9. Максимальное синфазное входное напряжение UВХ СФ - наибольшее значение напряжения прикладываемого одновременно к обоим входным выводам ОУ относительно нулевого потенциала, превышение которого нарушает работоспособность прибора.

10. Коэффициент ослабления синфазного сигнала КОССФ - отношение коэффициента усиления напряжения, приложенного между входами ОУ, к коэффициенту усиления общего для обоих входов напряжения.

11. Выходной ток IВЫХ - максимальное значение выходного тока ОУ, при котором гарантируется работоспособность прибора. Это значение определяет минимальное сопротивление нагрузки.

Как правило достичь максимальных значений для всех параметров невозможно. Достижение максимального значения одного параметра часто осуществляется за счет ухудшения другого. Так, увеличение коэффициента усиления по напряжению влечет за собой снижение частотных свойств, и наоборот.

28. Сдвиг нуля ОУ, его причины. Схемы компенсации сдвига нуля ОУ апряжением смещения нуля (входным напряжением смещения) ОУ называется такое напряжение, при подаче которого на вход выходное напряжение будет равно нулю. Входным током сдвига ОУ называется разность входных токов усилите ля. Обычно используется приведенное к входу значение напряжения смещения нуля, так как выходные параметры ОУ зависят от обратной связи. Влияние напряжения смещения нуля и входного тока сдвига заключается в том, что входной сигнал должен компенсировать некоторое начальное смещение на входе, прежде чем появится выходной сигнал. Кроме того, при отсутствии входного сигнала существует некоторое постоянное смещение начального уровня на выходе.  Применение ПТ во входных каскадах ОУ позволило снизить входной ток до нескольких десятков пикоампер. Однако в этом случае входной ток при изменении температуры изменяется по экспоненциальному закону, что затрудняет его компенсацию.Напряжение смещения нуля и дрейф в ОУ с использованием ПТ несколько выше, чем у подобных ОУ на биполярных транзисторах. Дифференциальная структура ОУ не только снижает дрейф нуля, но и уменьшает его зависимость от изменений питающих напряжений. Структурная схема усилителя с параллельными каналами усиления.

29. Инвертирующий усилитель. Коэффициент усиления. При инвертирующем включении (Рис. 2.8.) неинвертируюший вход ОУ соединен с общей шиной.

Типовая схема инвертирующего включения операционного усилителя

В типовой схеме (рис. 2.8.а) R3 = ∞ и R4 = 0 и коэффициент усиления по напряжению определяется соотношением

K = -V_OUT / V₂ = - R₂ / R₁ Таким образом, типовое выходное напряжение усилителя в инвертирующем включении находится в противофазе по отношению к входному. Для этой схемы коэффициент усиления входного сигнала по напряжению в зависимости от соотношения сопротивлений резисторов может быть как больше единицы, так и меньше единицы.

30. Неинвертирующий усилитель. Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя.  Данная схема позволяет использовать в качестве неинвертирующего усилителя ОУ, схема обладает высоким полным входным сопротивлением, причем коэффициент усиления всей схемы по напряжению может быть жестко задан с помощью сопротивлений R₁ и R_ос.

В данной схеме входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ.

Усилитель содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению, создаваемую на резисторе R_оси поданную на инвертирующий вход.

Полное входное сопротивление всей схемы оказывается высоким, так как единственным путем для тока между входом и землей является высокое полное входное сопротивление ОУ.

Сопротивления R₁ и R_ос образуют делитель напряжения с очень малой нагрузкой, так как ток, необходимый для управления усилителем, очень мал ( I_см >> 0 ).

Поэтому через R₁ и R_ос течет одинаковый ток и напряжение, приложенное к инвертирующему входу, равно:

U_вх.инв = U_выхR₁/R₁+R_ос

Так как IR₁ = IR_ос , R_вх     , имеем

IR₁ = UR₁/R₁ , IR_ос = UR_ос/R_ос , U_вх.инв = U_вх + U_q,

поэтому

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

Следовательно:

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

Так как

U_вых = KU_q и U_q = U_вых / K,

то если K     , U_q >>0, можно написать

U_вх / R₁ = (U_вых - U_вх) / R_ос

Найдем отсюда коэффициент усиления схемы U_вых / U_вх , который называют коэффициентом усиления с замкнутой ОС (Kос), или коэффициентом усиления замкнутого усилителя, т.е.

U_вхR_ос = R₁U_вых - R₁U_вх

U_вх(R_ос + R₁) = R₁U_вых

(R_ос + R₁) / R₁ = U_вых / U_вх = К_ос

К_ос = R_ос / R₁ +1 , когда К>>К_ос.

Сопротивления R₁ + R_ос следует выбирать так, чтобы общий ток нагрузки с учетом этого сопротивления не превышал максимального выходного тока усиления.