Учебное пособие «Микросхемотехника Аналоговая микросхемотехника»

дУ˝ЩЩЛˆЛВМЪ ЫТЛОВМЛfl ТЛМЩ‡БМУ„У ТЛ„М‡О‡

Идеальный ОУ чувствителен только к дифференциальному сигналу Uвх.д, поданному на его вход, и абсолютно не реагирует

на синфазное входное напряжение, поэтому

Uвых KuUвх.д Ku.дUвх.д,

где Ku.д — коэффициент усиления дифференциального сигнала.

В реальном ОУ на выход будет проходить небольшая часть синфазного входного напряжения

– 121 –

Выходное напряжение, которое является результатом воздействия синфазного входного напряжения, записывается в виде

где Ku.сн — коэффициент усиления синфазного сигнала.

Отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала Ku.д (или Ku ) к коэффициенту усиления синфазного сигнала

Ku.сн называется коэффициентом ослабления синфазного сигнала

Kосс и обычно выражается в децибелах. Типичное значение Kосс

для ОУ от 80 до 120 дБ.

Чтобы оценить влияние коэффициента усиления синфазного сигнала ОУ с обратной связью, рассмотрим схему дифференциального усилителя, представленную на рисунке 3.15.

Рисунок 3.15 — Схема усилителя для анализа влияния коэффициента усиления синфазного сигнала

Если коэффициент усиления без обратной связи Ku стре-

мится к бесконечности, то Uвых RR12 U1 U2 , то есть схема чув-

ствительна только к дифференциальной составляющей входного сигнала и полностью не чувствительна к любой синфазной составляющей.

– 122 –

Проведем анализ схемы на рисунке 3.15 при конечных значения коэффициентов Ku.д (или Ku ) и Ku.сн.

Для этой схемы справедливы следующие уравнения:

Подставив выражения для Ux и U y в уравнение (3.35) и решая относительно Uвых, найдем

Из выражения (3.40) следует, что на выходное напряжение также влияет синфазная составляющая входного напряжения, но

– 123 –

это влияние сильно снижается отношением Ku.д , то есть коэф-

Ku.сн

фициентом ослабления синфазного сигнала.

ЗıУ‰МУВ ТУФрУЪЛ‚ОВМЛВ

Идеальный ОУ имеет бесконечное входное сопротивление Zвх . Это означает, что ко входу ОУ можно подключить источник

сигнала с любым внутренним сопротивлением и это не приведет к потере входной информации, связанной с высоким внутренним сопротивлением источника сигнала.

Реальный ОУ имеет конечное входное сопротивление, которое в ряде случаев сильно влияет на его работу.

Для анализа влияния входного сопротивления воспользуемся схемой замещения входной цепи ОУ (рисунок 3.16), где Zвх.д —

дифференциальное входное сопротивление, Zвх.сн — синфазное входное сопротивление.

Zвх.сн

Uвх.д Zвх.д

i~ Zвх.сн

U~

Рисунок 3.16 — Эквивалентная схема для анализа входного сопротивления

Оценим влияние дифференциального входного сопротивления Zвх.д при замкнутой петле обратной связи. Переменный ток

i~ , втекающий через неинвертирующий вход, можно записать в виде

– 124 –

Решая относительно входного сопротивления петли обратной связи, получим

Из соотношения (3.41) следует, что входное сопротивление при замкнутой петле обратной связи увеличилось относительно

разомкнутой петле обратной связи.

Сопротивление Zвх.д при разомкнутой обратной связи может

принимать значения от 100 кОм до нескольких гигаом у ОУ с МОП-транзисторами на входе. Это в сочетании с большим значением Ku Ku.ос дает большое входное сопротивление Zвх(ос) петли

обратной связи, а такое входное дифференциальное сопротивление практически не нагружает источник сигнала.

Рассмотрим влияние синфазного входного сопротивления Zвх.сн, используя схему на рисунке 3.16. При больших значениях

коэффициента усиления без обратной связи падение напряжения Uвх.д на сопротивлении Zвх.д будет таким незначительным, что

током через сопротивление Zвх.д можно пренебречь. Следовательно, для тока i~ можно записать

i~ ZU~ .

вх.сн

Тогда входное сопротивление при замкнутой обратной связи

Zвх(ос) U~ Zвх.сн.

i~

Величина Zвх.сн обычно лежит в диапазоне от нескольких ме-

гаом до 100 ГОм у МОП-ОУ с параллельной входной емкостью порядка 3–10 пФ.

– 125 –

Полное входное сопротивление ОУ с обратной связью:

Несмотря на то что синфазное входное сопротивление Zвх.сн много больше дифференциального входного сопротивления Zвх.д,

З˚ıУ‰МУВ ТУФрУЪЛ‚ОВМЛВ

Идеальный ОУ работает как источник напряжения KuUвх.д с

нулевым выходным сопротивлением. В этом случае выходное напряжение полностью определяется самим ОУ и не зависит от сопротивления нагрузки Zн. Любой реальный ОУ имеет отличное

от нуля выходное сопротивление, поэтому выходное напряжение и, следовательно, коэффициент усиления с обратной связью зависят от сопротивления нагрузки.

Для анализа влияния выходного сопротивления на работу ОУ воспользуемся схемой замещения выходной цепи ОУ (рису-

нок 3.17).

Для выходного напряжения справедливо выражение

– 126 –

Выражение для Uвых через напряжение сигнала U~ имеет вид

– 127 –

где Zвых(ос) ZвыхKu.ос — выходное сопротивление при замкну-

Ku

той обратной связи.

Выходное сопротивление ОУ без обратной связи обычно составляет 10–100 Ом, но в связи с тем, что Ku.ос, как правило, мно-

го меньше Ku , выходное сопротивление при замкнутой обратной

связи уменьшается до нескольких миллиом.

Диапазон синфазной составляющей входного напряжения

Uвх.сн.max определяет границы области, в пределах которой изме-

нение этой составляющей не вызовет отклонения параметров ОУ от заданных. Приводимые в технических характеристиках максимальные положительные и отрицательные значения данного напряжения всегда меньше напряжений источников питания и для современных ОУ эта разница не превышает 1–3 В.

Диапазон дифференциальной составляющей входного напря-

жения Uвх.д.max определяет максимальную дифференциальную

составляющую входного напряжения, которое может быть приложено между входами ОУ, не вызывая его выхода из рабочего состояния. Диапазон Uвх.д.max зависит от напряжения пробоя пере-

ходов база-эмиттер транзисторов входного дифференциального каскада. Для защиты цепей могут применяться последовательно включенные внешние сопротивления, которые в случае достижения входного напряжения Uвх.д.max ограничивают входной ток на

уровне единиц миллиампер.

Диапазон выходного напряжения Uвых.max — диапазон значе-

ний выходного напряжения (между выходом и общим узлом ОУ),

вкотором параметры ОУ, определяемые малым сигналом, лежат

вгарантированных пределах.

Всовременных ОУ, использующих двухтактные выходные каскады, амплитуды положительных и отрицательных импульсов обычно равны и меньше не более чем на 1–2 В напряжений пита-

ния UИП, UИП.

Выходной ток Iвых.max представляет собой предельное амплитудное значение выходного тока (положительное или отрицатель-

– 128 –

ное) при оговоренном выходном напряжении, не вызывающее необратимые изменения в ОУ.

Большинство ОУ предназначено для работы с двухполярным источником питания и имеет схему двухстороннего ограничения

как максимального отрицательного тока Iвых.max , так и максимального положительного тока Iвых.max . На практике эти токи

примерно одинаковы и имеют величину 20–25 мА.

Время установления выходного напряжения tуст — время

от подачи на вход импульса напряжения прямоугольной формы до момента последнего вхождения выходного напряжения в зону заданной погрешности (рисунок 3.18). Схема измерения tуст при-

ведена на рисунке 3.19. Обычно время установления нормируется для зоны заданной погрешности 1 %; 0,1 % и (или) 0,01 % при максимальной амплитуде входного импульса для данного типа ОУ.

Рисунок 3.18 — Время установления, время нарастания и скорость нарастания выходного напряжения операционного усилителя (зона погрешности дана в увеличенном по отношению к сигналу масштабе)

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения

Vu вых.max — это наибольшая скорость изменения выходного

– 129 –

напряжения ОУ при воздействии импульса максимального входного напряжения прямоугольной формы (см. рисунок 3.18). Она определяется как отношение приращения выходного напряжения

к времени tнар, за которое произошло это приращение: dUвых . dt

Максимальная скорость нарастания лежит в пределах от десятых долей (прецизионные ОУ) до сотен (быстродействующие ОУ) вольт в микросекунду.

Рисунок 3.19 — Схема измерения времени установления, скорости нарастания, времени восстановления выходного напряжения операционного усилителя

Для передачи без искажений синусоидального сигнала необ-

Uт 2 f Vu вых.max , где Um и f — амплитуда и частота синусоидального сигнала.

Время восстановления tв. Если ОУ находится в режиме на-

сыщения под действием избыточного входного сигнала, то он возвращается в линейным режим не сразу после снятия этого сигнала. Время восстановления — время с момента снятия скачком входного сигнала перегрузки до момента последнего вхождения выходного напряжения в зону погрешности, заданную относительно идеального значения (рисунок 3.20).

Несмотря на то что время восстановления очень важный параметр, он часто не указывается в технических характеристиках и поэтому пользователь должен определять его эмпирически.

– 130 –