3.2. Параметры и характеристики оу

Передаточные характеристики ОУ. Передаточные (амплитудные) характеристики ОУ представляют собой две кривые, соответствующие инвертирующему (а) и неинвертирующему (б) входам (рис. 3.4).

Режимам насыщения выходного каскада ОУ соответствуют горизонтальные участки характеристик U⁺_{вых. макс} и U^–_{вых. макс}, близкие к напряжению источников питания. Наклонный участок кривых соответствует зависимости U_вых=K_UU_вх, угол наклона соответствует коэффициенту усиления по напряжению K_U. Этот участок называют областью усиления. Обычно величина K_U лежит в пределах 10⁴—10⁶. К примеру, для ОУ типа К140УД7 (аналог LM741) она не менее 45000.

а) б)

Рис. 3.4. Передаточные характеристики ОУ

В идеальном ОУ при нулевом входном сигнале сигнал на выходе отсутствует (баланс ОУ). В реальных усилителях наблюдается разбаланс ОУ. Значение напряжения U_д, при котором выполняется условие U_вых=0, называют напряжением смещения U_см. Для операционного усилителя К140УД7 напряжение смещения лежит в диапазоне от ±4,5 мВ. Для усилителей с большим коэффициентом усиления это может быть серьезной проблемой: если результирующий коэффициент усиления равен 1000, то один милливольт входного смещения проявится как один вольт напряжения на выходе.

Когда усилитель предназначен для работы только с переменными сигналами, на выходе используется разделительный конденсатор, который отсекает любое смещение по постоянному току, и все будет в порядке до тех пор, пока смещение не уведет точку покоя так далеко, что выходные колебания будут ограничиваться.

Чтобы при нулевом усиливаемом сигнале напряжение на выходе было равным нулю, т. е. для того, чтобы передаточная характеристика проходила через начало координат, предусматривают меры по компенсации напряжения смещения (балансу нуля).

Рис. 3.5. АЧХ и ФЧХ ОУ с полной частотной коррекцией и без нее

Частотные характеристики ОУ. Из-за наличия паразитных емкостей и многокаскадной структуры ОУ по своим свойствам аналогичен фильтру нижних частот высокого порядка. Типичные частотные характеристики ОУ без частотной коррекции приведены на рис. 3.5 в виде штриховых линий.

Выше частоты f₁ частотная характеристика определяется инерционным звеном с минимальной граничной частотой. Коэффициент усиления в этой области падает (наклон –20 дБ/дек), а фазовый сдвиг выходного напряжения относительно входного достигает φ=–90°. Это означает, что выходное напряжение отстает от входного на 90°. Выше частоты f₂ начинает действовать второй фильтр нижних частот, коэффициент усиления уменьшается сильнее (наклон –40 дБ/дек), а фазовый сдвиг достигает φ=–180°. Это означает, что инвертирующий и неинвертирующий выходы фактически поменялись ролями, и отрицательная обратная связь, которая обычно используется в усилителях в этой частотной области, становится положительной. В этом случае могут возникнуть условия баланса амплитуд и баланса фаз, и в схеме возникнут автоколебания.

Рис. 3.6. Подключение кон­денсатора коррекции и резистора балансировки к ОУ LM748

Для устранения этого явления используют частотную коррекцию. Она осуществляется подключением внешних цепей к входам FC или выполняется конструктивно встроенной в схему ОУ. АЧХ и ФЧХ ОУ, скорректированного по частоте, представлены на рис. 3.5 сплошными линиями. Очевидно, что для самого неблагоприятного случая не возникает условий возникновения автоколебаний. Схема подключения внешней коррекции для усилителя LM748 приведена рис. 3.6.

Можно отметить, что из-за наличия частотной коррекции полоса пропускания разомкнутого ОУ сужается. Однако так как ОУ используют в усилительных схемах с отрицательной обратной связью (ООС), то введение ООС расширяет частотный диапазон (рис. 3.7).

Основные параметры ОУ можно разделить на две группы: статические и динамические. К статическим относят параметры, характеризующие работу ОУ в установившемся режиме:

Рис. 3.7. Частотные характеристики ОУ К140УД7 при различных значениях коэффици­ента усиления с обратной связью

коэффициент усиления по напряжению K'_U= =ΔU_вых/ΔU_вх;

напряжение смещения U_см — напряжение, которое нужно приложить к входу ОУ, чтобы сделать U_вых=0;

входные токи I⁺_вх и I^–_вх — токи, протекающие через входные цепи ОУ;

разность входных токов ΔI_вх=I⁺_вх–I^–_вх;

температурный коэффициент напряжения смещения ΔU_см/ΔT;

температурный коэффициент разности входных токов ΔI_вх/ΔT;

коэффициент ослабления синфазного сигнала K_ОСС — отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту усиления синфазного сигнала K_ОСС= =K_д/K_сф;

максимальный выходной ток I_{вых. макс}.

Часто в числе основных параметров ОУ используют входное и выходное сопротивления R_вх и R_вых.

Динамические свойства ОУ описывают двумя параметрами: предельной частотой f_пр (частотой единичного усиления f_т) и максимальной скоростью нарастания выходного напряжения V_{Uвых. макс}. Эти параметры взаимосвязаны и во многом зависят от цепей частотной коррекции.

У большинства современных ОУ общего назначения скорость нарастания сигнала от 10 В/мкс и выше. У быстродействующих ОУ этот параметр может достигать значения 1000 В/мкс.

Идеальный операционный усилитель характеризуется следующими параметрами, не зависящими от температуры и изменений напряжения питания:

коэффициент усиления по напряжению при разомкнутой петле обратной связи K_U' равен бесконечности;

коэффициент усиления синфазного входного сигнала равен нулю;

входное сопротивление (для дифференциального и синфазного входных сигналов) равно бесконечности, а входные токи — нулю;

выходное сопротивление (при разомкнутой ОС) равно нулю;

выходное напряжение может изменяться мгновенно (бесконечная скорость нарастания и бесконечная частота единичного усиления);

выходное напряжение равно нулю, когда напряжение на обоих входах одинаково (напряжение смещения равно нулю).

Последняя характеристика очень важна. Так как U_вых/K'_U=U_вх, то, если U_вых имеет конечное значение, а коэффициент K'_U бесконечно велик, будем иметь U_д=0 и U_вх.1=U_вх.2.

Поскольку входное сопротивление для дифференциального сигнала также очень велико, то можно пренебречь током через R_вх.д.

Эти два допущения существенно упрощают разработку схем на ОУ, поскольку допускают пользоваться следующими правилами.

Правило 1. При работе ОУ в линейной области на двух его входах действуют одинаковые напряжения.

Правило 2. Входные токи для обоих входов ОУ равны нулю.

В большинстве схем ОУ используется в конфигурации с замкнутой петлей ОС.