Идеальные и неидеальные ОУ

•Чем реальные ОУ отличаются от идеальных? Нарушением всех своих правил:

–Токи входов ОУ не равны нулю. У самых плохих ОУ это наноамперы, у самых хороших - фемтоамперы

–В полностью исправной схеме напряжения на входах не равны а составляют 10мкВ…10мВ

–Коэффициент усиления ОУ конечен, но очень велик (порой более 1 000 000)

–Коэффициент усиления ОУ зависит от частоты. Есть быстродействующие ОУ (на частоты порядка ГГц) и низкопотребляющие (10-100 кГц)

–Выходной ток ОУ конечен и, как правило, невелик. Для обычных ОУ он составляет единицы и десятки мА

Идеальные и неидеальные ОУ

•Напряжение между входами ОУ называется напряжением смещения или Input Offset Voltage.

•Его полярность неизвестна. С точки зрения

входов оно может быть как «положительным» так и «отрицательным»

• Указывается лишь максимальное значение в идеальных условиях и полном диапазоне рабочих температур

•Напряжение питания ОУ обычно задается в виде диапазона от минимального до максимального. Параметры ОУ зависят от напряжения питания.

•Приводится несколько таблиц для разных напряжений питания

Идеальные и неидеальные ОУ

•Пусть, во входы ОУ текут токи Ib1 и Ib2 (от англ. «bias» - смещение)

•Разница этих токов по модулю,

| Ib1 - Ib2 | называется Input Offset Current. Он соответствует

напряжению смещения по закону Ома

•Среднее арифметическое этих

токов, (Ib1 + Ib2 ) / 2, называется Input Bias Current

Идеальные и неидеальные ОУ

•Частотные характеристики ОУ описываются параметрами:

–Gain Bandwidth Product (GBP) – частота, на которой собственный коэффициент усиления обращается в единицу. Размерность – [Гц]

–Slew Rate – максимальная скорость изменения напряжения на выходе ОУ. Размерность – [В/с]

Идеальные и неидеальные ОУ

•Очевидно, выходное напряжение ОУ не может выходить за пределы –UП…+UП

•А может ли быть равно напряжению питания?

–Если выходное напряжение может вплотную приближаться к напряжениям питания (на несколько мВ или десятков мВ), операционный усилитель называется ОУ с выходом Rail-to Rail (Rail-to-Rail Output OpAmp, RRO)

–Если диапазон выходных напряжение ОУ уже диапазона –

UП…+UП на 1-3 В с каждой стороны, это обычный ОУ (not RRO)

Идеальные и неидеальные ОУ

•То же касается входных напряжений. В усилительной схеме U(+) = U(-) (с «ошибкой» в виде напряжения смещения), но оба этих напряжения могут меняться в разных пределах:

–Если входные напряжения могут быть равны напряжениям питания, операционный усилитель называется ОУ с входом Rail-to-Rail (Rail-to-Rail Input OpAmp, RRI)

–Если диапазон выходных напряжение ОУ уже диапазона –UП…+UП на 1-3 В с каждой стороны, это обычный ОУ (not RRI)

–Диапазон входных напряжений называется Common-mode Input Voltage Range

•Лучшие ОУ работают в полном диапазоне* напряжений питания и по входу, и по выходу, это ОУ типа RRIO

•Обычно диапазон напряжений питания RRIO-микросхем уже и далек от (-15…+15) В, типичных для not-RRIO микросхем

Насыщение ОУ

•Если в схеме от ОУ требуется выдать напряжение за пределами возможного, он переходит в режим насыщения:

–Напряжение на выходе оказывается равным (+UП ) / -UП для RRO либо +(UП – 1…3В) – (UП – 1…3В) для обычного ОУ

–ОУ перестает реагировать на малые изменения сигнала

–ОУ возвращается в нормальный усилительный режим с некоторой задержкой («saturation recovery time»)

–Правило равенства напряжений на входах больше не работает

Применение ОУ

•На ОУ строят:

–Усилители сигналов

–Преобразователи ток-напряжение

–Компараторы (устройства сравнения напряжений)

–Генераторы сигналов

–Активные фильтры

Буферизованный ОУ

•Со схемами инвертирующего и неинвертирующего усилителя мы уже знакомы

•Если выходного тока ОУ недостаточно, его можно буферизовать

транзистором. Например, так:

• Чем эта схема отличается

от обычного каскада?

– Выходное напряжение

каскада меньше, чем у

небуферизованного

минимум на 0.6-0.7В

– Быстродействие может быть

снижено «медленным»

мощным транзистором

– Схема стабильна только при некотором ненулевом токе эмиттера Q1!