Lektsionnye_materialy_osen_2013 (1) / 33 Операционные усилители и их свойства

33 Операционные усилители и их свойства

Операционные усилители (ОУ) являются одним из широко используемых элементов схемотехнических построений электронных цепей усиления сигналов, их суммирования, частотной фильтрации, создания устройств согласования трактов с различающимися входными и выходными сопротивлениями и целого ряда других функциональных звеньев для линейного и нелинейного преобразования аналоговых сигналов.

В современной электронике под операционными усилителями понимают особый класс микроэлектронных устройств, обладающих высоким (порядка 10⁵...10⁶) собственным усилением, в том числе и на постоянном токе, очень большим входным сопротивлением и очень малым выходным, т. е. ОУ в усилительных трактах может быть использован как усилитель напряжения управляемый напряжением. По своему схемному построению ОУ являются усилителями постоянного тока, выполненными по дифференциальной схеме (рисунок 1).

Рисунок 1. Дифференциальная схема усиления

Качество ОУ во многом определяется тем, насколько перечисленные и ряд других свойств приближаются к предельно достижимым. Так, у идеального операционного усилителя дифференциальный коэффициент передачи K_д имеет неограниченно большое значение, отсутствует реакция на выходе на воздействие синфазной составляющей сигналов (K_с=0). Он обладает бесконечно большим входным сопротивлением относительно дифференциальной R_вхд и синфазной R_вхс составляющих сигналов. Идеальный ОУ является безинерционной по передаточным свойствам схемой, т. е. схемой, в которой коэффициент усиления остается частотно-независимым даже в области сколь угодно высоких частот. В идеальном ОУ нет ограничений на уровни создаваемых с его помощью токов и напряжений.

Свойства реальных ОУ в той или иной степени отличаются от идеальных, поэтому вся номенклатура операционных усилителей подразделяется на классы в зависимости от того, какие параметры в пределах той или иной группы в наибольшей степени приближаются к свойствам идеального ОУ. Например, класс быстродействующих ОУ объединяет операционные усилители, обладающие пониженной инерционностью (повышенной широкополосностью). Большую номенклатуру охватывает класс так называемых прецизионных операционных усилителей – усилителей, которые по своим свойствам в наибольшей степени приближаются к идеальным УПТ. В особый класс выделяются сильноточные ОУ (ОУ, способные создавать на своем выходе повышенные значения токов и, соответственно, работать на низкоомную нагрузку), микромощные ОУ (ОУ с малым токопотреблением) и т.д.

Отклонения свойств реальных ОУ накладывают ряд ограничений на область возможного использования операционных усилителей в схемах обработки аналоговых сигналов, вызывают отличие результатов преобразования от ожидаемых. Рассмотрим основные источники этих отличий и сущность параметров, с помощью которых характеризуют несоответствие свойств реальных ОУ идеальным. В первую очередь проведем анализ этого несоответствия реальных ОУ идеальным как усилителей постоянного тока (УПТ).

На работу схем УПТ, в том числе и ОУ, могут оказывать влияние внутренние паразитные источники постоянного напряжения и тока, вызывающие появление постоянного напряжения на выходе ОУ в условиях отсутствия постоянных сигналов на его входах. Эти источники называют источниками статической погрешности, а сами отклонения постоянного напряжения от номинального значения – напряжением статической погрешности или статической ошибки.

Действие источников статической ошибки характеризуют с помощью одного эквивалентного генератора ЭДС U_ошвх, включенного последовательно с не инвертирующим входом (рисунок 2).

Рисунок 2. Эквивалентное представление напряжения статической ошибки

На рисунке 3 изображена схема, на которой основные источники, обуславливающие напряжение U_ошвх, представлены эквивалентными генераторами постоянных токов I_вх+ и I_вх– и генератором постоянного напряжения . Токи I_вх+ и I_вх-, протекая по внешним по отношению к входным клеммам ОУ цепям, создают постоянные напряжения U_Rc+ и U_Rc–. Генератор U_см0 характеризует сдвиг относительно начала координат графика амплитудной характеристики ОУ по оси напряжений U_д (рисунок 4). Напряжение U_см0 называется напряжением смещения нуля.

Рисунок 3. Источники напряжения статической ошибки

Рисунок 4. Смещение амплитудной характеристики ОУ

В наихудшем случае, когда все факторы, порождающие эквивалентное напряжение U_{ош вх}, не создают взаимно компенсирующего воздействия, оценка значения напряжения U_{ош вх} может быть осуществлена по формуле

U_{ош вх}   U_см0  +  _t  t | + | a_E E_п| + | I_вх+ R_с+ – I_вх– R_с– |, (1)

где R_c+, R_c– – полное сопротивление на постоянном токе цепей, внешних по отношению к не инвертирующему и инвертирующему входам ОУ; a_t – температурный коэффициент напряжения смещения нуля, В/град.; a_Е – коэффициент влияния изменений напряжения источника питания E_п на напряжение смещения нуля; Δt, ΔE_п – отклонения температуры и напряжения источника питания от их номинальных значений.

Приближенный характер соотношения (1) обусловлен тем, что оно не учитывает воздействие на ОУ синфазной составляющей паразитных постоянных напряжений. Обычно при типовом построении схемы влияние этой составляющей имеет пренебрежимо малое значение.

Токи I_вх+ и I_вх– наиболее существенны в схемах, организованных на ОУ, в которых входной каскад выполнен на биполярных транзисторах. В таких ОУ в качестве этих токов выступают базовые токи транзисторов входного дифференциального каскада, в результате чего токи I_вх+ и I_вх– имеют приблизительно одинаковые значения. В этих условиях, согласно (1), для уменьшения напряжения U_{ош вх} желательно по возможности обеспечить равенство сопротивлений R_с+ и R_с–, например, за счет включения последовательно с одним из входов ОУ дополнительного сопротивления. При равенстве сопротивлений R_с+ и R_с-- последнее слагаемое в (1) имеет наименьшее значение, а соотношение (1) можно представить в следующем виде:

U_{ош вх}   U_см0  +  _t  t | + | a_E E_п| + | I_вх R_с |, (2)

где ΔI_вх= I_вх+ - I_вх- – разность входных токов I_вх+ и I_вх- в условиях, когда R_с+.= R_с– = R_с.

Для существующей номенклатуры операционных усилителей значения напряжения лежат в пределах от единиц микровольт до десятков милливольт. Первые из указанных значений относятся к высококачественным прецизионным ОУ, вторые – к ОУ с полевыми транзисторами на входе.

Пример 1 Оценить ожидаемое предельное значение статической ошибки U_{ош вх}, приведенной ко входу ОУ типа КР544УД1, для случая, когда он применен в схеме с R_с+.= R_с– = 1 МОм. Схема работает при номинальном питании (ΔE_п = 0). В процессе работы возможны отклонения температуры от номинального значения .

Решение.

1. ОУ КР544УД1 имеет следующие параметры: U_см0 = 5 мВ,

a_t = 20 мкВ/град, DI_вх = 0,15нА.

2. В соответствии с этими данными по формуле (2) вычисляем

U_{ош вх} = 5 10^–3 + 20 10^–6 30 + 0,15 10^–9 10⁶  5,8 мВ.

Типовые значения U_{ош вх} для ОУ общего применения, выполненного на биполярных транзисторах, составляют 1...5 мВ. Напряжения на выходе ОУ U_{ош вых}, вычисленные по формуле U_{ош вых} = U_{ош вх} К в соответствии с приведенными данными о U_{ош вх} = 1...3 мВ и типовыми величинами К_д=10⁵...10⁶, существенно превышают предельно достигаемые для ОУ значения выходного напряжения, которые не превосходят напряжений источников питания (обычно 10...15 В). Данное обстоятельство указывает на то, что в условиях отсутствия отрицательной обратной связи, действующей на постоянном токе, ОУ, как правило, находится в перегруженном состояния (состоянии, при котором он теряет, как способность неискаженного воспроизведения сигналов на своем выходе, так и способность выполнять функцию усиления вообще). По указанным обстоятельствам линейные схемы преобразования аналоговых сигналов организуются как схемы с глубокими отрицательными обратными связями, действующими на постоянном токе.

Область применения ОУ в схемах обработки в ряде случаев также оказывается ограничена тем, что ОУ не обладают достаточной широкополосностью (имеют невысокое быстродействие). Указанные частотно-временные ограничения обусловленные наличием в структуре ОУ ряда инерционных звеньев. Следствием этого является то, что амплитудно-частотная характеристика ОУ соответствует ФНЧ. Существенная инерционность ОУ, особенно ОУ с так называемой встроенной схемой частотно-фазовой коррекции, ограничивает быстродействие устройств обработки аналоговых сигналов, затрудняет организацию широкополосных усилительных трактов на ОУ.

Следствием нелинейной инерционности ОУ также является невозможность создания на выходе ОУ высокоскоростных сигнальных изменений. Для каждого типа ОУ существует предельная скорость изменения выходного напряжения _max, значения которой не могут быть превышены ни при каких условиях. Для синусоидального сигнала наибольшее значение этой скорости определяется произведением амплитуды U_m на частоту  = 2f , т. е. _max = U_m 2f . Из сказанного выше и приведенных соотношений следует, что невозможно получить на выходе ОУ на частоте f синусоидальный сигнал с амплитудой U_m, превышающей значение

U_{m вых}(f) = _max / 2f, (3)

где _max (В/мкс) – предельно достижимое для данного ОУ значение скорости изменения выходного сигнала. Считается, что начиная с некоторой частоты f_гр предельно достижимое значение амплитуда сигнала на выходе ОУ убывает пропорционально увеличению частоты. При этом

, (4)

где U_{m вых}(0) – значение предельно достижимой амплитуды на низких частотах.