§ 4.3. Операционные усилители

Многокаскадные усилители с непосредственными связями широко используют в качестве усилителей переменных и медленно, изменяю­щихся сигналов. Если они предназначены для усиления переменных

с игналов, то на входе и выходе обычно имеется разделительный реак­тивный элемент (конденсатор или трансформатор), не пропускающий постоянную составляющую сигнала. В случае необходимости усиле­ния не только переменных, нои медленно изменяющихся сигналов'раз- делительные реактивные элементы в усилителе полностью отсутствуют. Такие усилители носят название усилителей постоянного тока (УПТ). Их основное назначение — обеспечить усиление сигналов в диапазоне частот от /_н->0 ло /в- Принципы построения усилителей переменно­го тока с непосредственными связями и УПТ одинаковы. Но к УПТ предъявляются значительно боле_е жесткие требования. Наиболее общими из них являются сле­дующие:

1. стабильность заданного коэф­фициента усиления в широком диа­пазоне частот-,

2. широкий динамический диа­пазон выходных сигналов-,

3. стабильность параметров

Рис. 4 6. Частотная (а) и амплитуд- УПТ при изменении температу- пая (б) характеристики УПТ р_Ы> влажности и свойств отдель­ных компонентов.

Так как УПТ усиливает как переменную, так и постоянную со­ставляющие сигнала, то при отсутствии входного напряжения желатель­но, чтобы на выходных зажимах не было не только переменной со­ставляющей, но и постоянной составляющей напряжения. Частотная и амплитудная характеристики УПТ должны иметь вид, показанный на рис. 4.6, а, б.

По принципу действия и схемному выполнению УПТ делят на два

основных типа:

1. усилители о непосредственными связями (прямого усиления);

2. усилители о преобразованием сигнала.

Последние, в свою очередь, подразделяют на усилители с проме­жуточным преобразованием (модуляцией) сигнала постоянного тока в переменное напряжение усилением на несущей частоте с последую­щей демодуляцией (УПТ—МДМ)и усилители, в которых входной сиг­нал воздействует на параметры автоколебаний автогенератра: ампли­туду, частоту или фазу (усилители с управляемыми генераторами УПТ— УГ). Иногда УПТ—УТ называют автогенераторными усилителями.

Во втором типе УПТ используют обычные схемы усилителей пере­менного тока, в том числе и с непосредственными связями. Основные схемные особенности касаются лишь цепей преобразования сигнала.

В схемах УПТ с непосредственными связями полностью отсутствуют реактивные элементы в цепях междукаскадной связи, т. е. междукас- кадная связь только гальваническая. При этом возникает необходи­мость согласования напряжений на различных участках схемы уси­лителя и уменьшения изменения сигнала на выходе усилителя при не­изменном сигнале на входе.

Обычно изменение выходного сигнала оценивают по приведенному к входу изменению выходного напряжения при отсутствии входного

с

Рис. 4.7. Условные обозначения ОУ (а, б); принципиальная схема цепи, обеспечивающей сдвиг уровней напря­жения (в)

игнала (дрейф нуля). Другими словами, дрейф нуля показывает, на сколько надо было бы изменить напряжение на входе усилителя для того, чтобы изменение выходного напряжения было равно самопроиз­вольному изменению в течение часа выходного напряжения усилителя. В УПТ дрейф нуля находится в диапазоне от единиц микровольт в час до сотен микровольт и даже сотен милливольт в чае. В полупроводнико­вых УПТ с непосредственными связями дрейф нуля обычно 100—500 мкВ/ч при неизменной темпера­туре окружающей среды.

В настоящее время в качест­ве УПТ с непосредственными связями в основном используют интегральные операционные уси­лители¹⁰ (рис. 4.7, а).

Операционный усилитель по конструктивному выполнению является законченным высоко­стабильным, широкополосным, высококачественным усилителем постоянного тока, имеющим вы­сокий коэффициент усиления. ОУ, как правило, сложное мно­гокаскадное электронное устрой­ство, частично выполненное на дифференциальных усилитель­ных каскадах.

Успехи интегральной технологии позволяют выполнять ОУ с за­данными техническими параметрами в одном корпусе. Это дает воз­можность рассматривать его как самостоятельный элемент с определен­ными параметрами, не вникая глубоко в его внутреннюю структуру.

Обычно ОУ, условное обозначение которого приведено на рис. 4.7, б¹¹, имеет две пары входных и одну пару выходных электро­дов. Вход, напряжение на котором совпадает по фазе с выходным на­пряжением, носит название неинвертирующего. Второй вход, напряже­ние на котором сдвинуто по фазе на 180° относительно выходного на­пряжения, носит название инвертирующего.Характерной особенностью ОУ является то, что он дает возможность получить близкое к нулю выходное напряжение при отсутствии вход­ного сигнала. При этом потенциалы обоих входов будут близки к по­тенциалу выхода усилителя. Эти свойства ОУ позволяют подключать нагрузку и источники входных напряжений, не заботясь о разделении переменной и постоянной составляющих.

В составе ОУ условно можно выделить входную, выходную части и каскады связи между ними.

Входная часть ОУ содержит дифференциальные усилители. Выход­ная часть включает каскады усиления по мощности и обеспечивает работу ОУ на заданную нагрузку с определенной амплитудой выход­ного напряжения. Каскады связи служат для усиления по напряже­нию и позволяют осуществить согласование уровней сигнала. Они обес­печивают «нулевое» выходное напряжение при отсутствии входного сигнала.

В зависимости от количества каскадов, вносящих основной вклад в получение требуемого коэффициента усиления по напряжению, ОУ условно делят на двухкаскадные и трехкаскадные*.

В новейших разработках предпочтение отдают двухкаскадным ОУ. Они имеют лучшую стабильность параметров, нормально работают при значительных изменениях напряжения питания, более экономичны. Для коррекции частотной характеристики двухкаскадные ОУ требуют введения минимального количества внешних элементов (практически необходим один конденсатор малой емкости). Кроме того, в них легко осуществляется регулировка уровня выходного напряжения (установ- - ка нуля), для чего обычно требуется установка только одного внешнего регулируемого резистора балансировки.

Трехкаскадные ОУ имеют схемотехнические решения входной и вы­ходной частей, напоминающие рассмотренные выше схемы усилитель­ных каскадов, которые в том или ином виде входят в их состав в различ- ₁ ных комбинациях.

Рассмотрим цепи, обеспечивающие требуемое согласование уровней напряжения. Одна из возможных схем, иллюстрирующая принцип изменения уровня напряжения, показана на рис. 4.7, в. В ней исполь­зованы транзисторы одного типа электропроводности. Транзистор 7\, на базу которого подается входной сигнал, выполняет роль эмиттер­ного повторителя. Транзистор Т₂ включен генератором тока, и потен­циал его базы в схеме задается от специальной цепи смещения. Уро­вень выходного напряжения определяется падением напряжения на резисторе R_v Действительно, ток в цепи транзистора 7\ определяется генератором тока. Этот ток создает на резисторе R_t напряжение Ur\ ж IkzRv

Следовательно, потенциал базы транзистора Т _3t также включен­ного эмиттерным повторителем, отличается от потенциала базы тран­зистора 7\ приблизительно на Uri.

♦ Наименования вводят по функциональному назначению каскадов, 236Напряжение эмиттера транзистора Т_а близко к напряжению кол­лектора транзистора Т₂ и смещено по уровню относительно напряже­ния базы транзистора 7\ приблизительно на

U =* Uri + ^БЭ1 4* ^БЭз»

где Uksi— напряжение база—эмиттер t-го транзистора.

Для увеличения коэффициента передачи по напряжению эмиттер­ный резистор 7?з транзистора Т₃ подключен к эмиттеру транзистора Т_г. Такое включение позволяет последнему кроме функции генератора тока выполнять функции усилительного каскада с ОБ. Если бы не было этого соединения, коэффициент передачи по напряжению каска­да не превышал бы единицы и каскад осуществлял бы только смещение уровня.

Рис. 4.8. Принципиальная схема операционного усилителя 140УД1Б (а) и схема включения его усилителем напряжения (б)

В подобном каскаде смещение уровня обеспечивает высокое вход­ное сопротивление, стабильный коэффициент усиления, низкое выход­ное сопротивление, стабильный уровень выходного напряжения.

Комбинации известных схемотехнических решений позволяют стро­ить различные по сложности и основным характеристикам ОУ. На рис. 4.8, а, б показан один из первых отечественных операционных уси­лителей серии 140УД1Б, который в настоящее время находит широкое применение. Он состоит из двух дифференциальных усилительных кас­кадов (I, II), один из которых является входным (/); каскада согласо­вания уровня напряжения (III) и выходного каскада (IV),. выполнен­ного по схеме эмиттерного повторителя. Вывод 4 является общим. Относительно него выходной вывод 5 имеет нулевой потенциал при ну­левом дифференциальном сигнале входов 9 и 10 дифференциального каскада. Сигналы на оба входа подаются относительно вывода 4.

Если оба вывода 9, 10 соединены с выводом 4, т. е. на них подан синфазный сигнал, который условно считается «нулевым», то в идеаль­ном ОУ разность потенциалов между выходным выводом 5 и выводом 4 равна нулю. Это свойство ОУ обеспечивается каскадом согласования уровня. В реальном ОУ из-за неидеальности элементов схемы этот потенциал несколько отличается от нуля. На рис. 4.8, б приведена

схема включения ОУ, обеспечивающая работу его в качестве широко­полосного усилителя.

Принципиальная схема более современного ОУ типа 153УД1 при­ведена на рис. 4.9. Входной каскад ОУ собран по дифференциальной схеме на транзисторах Л и Та- Второй усилительный каскад, также дифференциальный, выполнен на составных транзисторах Т₃, T_t, включенных по схеме Дарлингтона. На транзисторах Т_в, Т₃ соб­ран эмиттерный повторитель. Транзистор Т₁₀ осуществляет согласова­ние уровня напряжения, а на транзисторах Т_1Ъ Т^ выполнен выходной

Рис. 4.9. Принципиальная схема операционного усилителя 153УД1

каскад, собранный по схеме эмиттерного повторителя с дополнитель­ной симметрией. Транзистор Т₇, включенный эмиттерным повторите­лем, снижает напряжение питания входного каскада и несколько улуч­шает его динамические характеристики.

Транзистор Tis, включенный генератором тока, служит динамиче­ской нагрузкой в эмиттерной цепи транзисторов Т\,Т\. Он управляется эмиттерным напряжением второго каскада, что уменьшает синфазный коэффициент усиления ОУ. Транзисторы Т_и, Т_и, включенные диода­ми, выполняют роль нелинейных сопротивлений, обеспечивающих тем­пературную стабильность ОУ.

Для уменьшения входных токов входной каскад работает в микро­режиме при токах коллектора порядка 20 мкА. Его коэффициент уси­ления по напряжению невелик, поэтому основное усиление обеспечи­вается за счет второго каскада, собранного на составных транзисторах. Вывод 3 — неинвертирующий вход, 2 — инвертирующий вход, 6 — выход. К выводам 7 и 4 подключается напряжение питания. Выводы 1, 5 и 8 служат для подключения внешних корректирующих цепей, обеспечивающих устойчивость ОУ, охваченного цепями ОС.

В ОУ всегда используются бестрансформаторные выходные каска­ды. Схемотехнические решения их зависят от заданной выходной мощ­ности и принципиально не отличаются от выходных каскадов, рассмо­тренных в §3.13.

Двухкаскадные ОУ имеют значительно более сложные принципи­альные схемы по сравнению с трехкаскадными. Создание их стало воз­можно благодаря применению интегральной технологии, позволившей на одной подложке получать п-р-п- и р-п-р-транзисторы, что, в свою очередь, дает возможность широко использовать транзисторы в каче­стве высокоомных сопротивлений нагрузки усилительных каскадов. Такие каскады значительно менее чувствительны к изменению напряже-

Рис. 4.10. Принципиальная схема операционного усилителя 140УД7 (а) и схема его включения усилителем напряжения (б)

ний питания, так как с изменением напряжения одновременно изме­няются как положение рабочей точки транзистора, так и параметры сопротивления нагрузки. В итоге двухкаскадные ОУ устойчиво рабо­тают при изменении напряжений питания от 3 до 15 В.

В настоящее время разработан ряд двухкаскадных ОУ, которые в зависимости от целевого назначения можно подразделить на ОУ об­щего применения, прецизионные, быстродействующие и микромощные.

ОУ общего применения предназначены для использования в ап­паратуре, где к параметрам усилителей не предъявляют жестких тре­бований и допустимы погрешности в доли процента.

Прецизионные усилители имеют малые дрейфы и шумы, а также вы­сокий коэффициент усиления.

Быстродействующие ОУ характеризуются высокой скоростью из­менения выходного напряжения 50—200 В/мко и используются для по­строения широкополосных усилителей.

Микромощные ОУ потребляют малые токи от источника питания (менее 1 мА) и предназначены для использования в батарейной аппа­ратуре.

Схема двух каскадного ОУ общего применения типа 140УД7 приве­дена на рис. 4.10, а. В ней широко использованы управляемые источ­ники тока. Входной дифференциальный каскад полностью аналогичен

каскаду, рассмотренному в §3.11. Транзисторы Т₁₍ T_t включены по схеме с ОК, а транзисторы Т_а, T_t — с ОБ. Нагрузкой их коллектор­ных цепей служат транзисторы Т₆, Т_в, потенциал баз которых опреде­ляется выходным напряжением эмиттерного повторителя на транзи­сторе Т,. Источник управляемого тока собран на транзисторах Т_а, Т₉. Ток транзистора Т_в задан источником тока, собранным на транзисторах Т₁₀, Т₁₂. В свою очередь, ток транзистора Т₁₂ определяется значением сопротивления резистора, включенного в цепь его коллектора. Этот резистор определяет и ток транзистора Т_и, который вместе с двухкол­лекторным транзистором Т_1Ь образует источник тока, включенный в коллекторную цепь транзистора Т_и. Входной каскад усиливает малые сигналы и смещает уровень выходного сигнала. Поэтому в ОУ не тре­буется вводить дополнительный каскад смещения уровня.

Второй усилительный каскад собран на транзисторах Т₁₉, Т_и, причем для увеличения его усиления в коллекторную цепь транзистора Т_и включен источник тока. Выходной каскад подключен через эмит­терный повторитель на двухэмиттерном транзисторе Т₁₇. Транзисторы T_1S, ^ю обеспечивают необходимое смещение выходного каскада, со­бранного на транзисторах Т₂₀, Т₂₂ и работающего в режиме АВ. Тем самым устраняются переходные искажения типа «ступеньки», связан­ные с наличием контактной разности потенциалов у р-п-переходов транзисторов. Транзистор Т_1в, включенный в цепь второго эмиттера транзистора Тщ база которого подключена к транзистору Т₂₈, пред­назначен для устранения триггерного режима у выходного каскада. Транзисторы Т₂₁, Т₂₃ защищают выходной каскад от коротких замы­каний.

Одна из возможных схем включения ОУ в качестве усилителя, ин­вертирующего входной сигнал, показана на рис. 4.10, б. Установка нуля ОУ осуществляется переменным резистором, подключаемым к зажимам 1, 5. В усилителе имеется внутренняя частотная коррекция (конденсатор С), позволяющая использовать ОУ без дополнительных внешних цепей частотной коррекции. Для увеличения скорости нара­стания выходного напряжения иногда внутреннюю частотную коррек­цию уменьшают подключением конденсатора малой емкости между за­жимами 2, 8.

Параметры операционных усилителей довольно многочисленны; их подразделяют на входные параметры, выходные параметры и харак­теристики передачи.

К группе входных параметров относят: входное напря­жение смещения (напряжение смещения нуля); входные токи смещения и разность входных токов; входные сопротивления; коэффициент ос­лабления синфазного сигнала (сигнала общего вида) и коэффициент шума.

Входное напряжение смещения обусловлено тем, что у реального усилителя при нулевых входных сигналах на выходе имеется напря­жение, отличное от нуля. Это эквивалентно тому, что на вход идеаль­ного ОУ подано определенное напряжение смещения U_CM от какого-то источника. Для получения на выходных электродах нулевого напряже­ния к входу реального усилителя должно быть приложено напряжение

— t/см» компенсирующее этот источник. Для измерения значения на­пряжения смещения нуля ОУ включают по схеме, обеспечивающей ко­эффициент усиления, равный единице (выход и инверсный вход соеди­няются накоротко, чем обеспечивается 100%-ная ОС), и измеряют его выходное напряжение. Схема для измерения напряжения смещения нуля показана на рис. 4.11, а. Напряжение вмещения нуля обычно невелико и находится в интервале 1 мВ — десятки милливольт.

Входные токи обусловлены необходимостью обеспечить нормальный режим работы входного дифференциального каскада на биполярных

Рис. 4.11. Схемы для определения параметров ОУ: в—напряжения смещения нуля; б —входных токов; в — дифференциального входного со­противления; а — синфазного входного сопротивления

транзисторах. В случае использования полевых транзисторов это токи всевозможных утечек. Если к обоим входам ОУ подключены ис­точники сигналов с разными внутренними сопротивлениями, то токи смещения даже в идеальном входном каскаде создают разные падения напряжения на этих внутренних сопротивлениях. Между входами ОУ появится дифференциальное напряжение, изменяющее его выходное напряжение. С целью уменьшения этого напряжения сопротивления, подключаемые к обоим входам, следует брать по возможности одина­ковыми.

Измерение входных токов осуществляют по схеме, показанной на рис. 4.11, б. Идея, положенная в основу схемы измерения, сводится к тому, что при постоянном входном токе /_вх1 или /_вха изменение со­противления, подключенного к соответствующему входу, приводит к изменению и выходного напряжения 7/_вых, которое можно измерить и по его значению рассчитать входной ток. При замкнутых ключах n_t и Л_а выходное напряжение равно напряжению смещения нуля 7/_ом, а коэффициент усиления по напряжению — единице. При размы­кании ключа 771 коэффициент усиления по напряжению остается рав-

ным единице (сохраняется 100%-ная ОС), а входное напряжение U_BXi за счет падения напряжения на еопротивлении 7? изменится на Д^_вх1 = / _BX1R. Выходное напряжение достигнет значения U_{B ых}. А так как коэффициент усиления по напряжению равен единице, то справедливо равенство

^U! = U СМ ⁼ ^8X1 ^-

Отсюда входной ток первого входа определится из выражения

I вх! = (Цвых1 ^см)^»

а входной ток второго входа определяют при разомкнутом П_г и зам­кнутом П^

^вх2⁼ (Uвых2~ ^см)/^-

Разность входных токов Ы_вх = /_Bxi — /_Вх2 ⁼ (^вых1— ^выха)/^ может иметь любой знак.

Входное сопротивление в зависимости от характера подаваемого сиг­нала подразделяют на дифференциальное (для дифференциального сиг­нала) и синфазное (сопротивление общего вида).

Под входным сопротивлением для дифференциального сигнала обыч­но понимают полное входное сопротивление со стороны любого входа, в то время как другой вход соединен с общим выводом. Значения его лежат в интервале нескольких килоом — нескольких мегом.

Входное сопротивление для синфазного сигнала характеризует изменение среднего входного тока при приложении к входам синфаз­ного напряжения. Оно на несколько порядков выше сопротивления для дифференциального сигнала.

Схема для измерения дифференциального входного сопротивления показана на рис. 4.11, г. Сопротивление резистора R₂ берется неболь­шим (порядка нескольких десятков—сотен Ом), так чтобы выполня­лись неравенства R_B < R_BX, R_B ^ Ri, R₂ <^ Ra- Малое, значение со­противления R₂ позволяет считать точку а заземленной по перемен­ному току. В то же время наличие этого сопротивления обеспечивает подачу на неинвертирующий вход постоянного напряжения от дели­теля напряжения на сопротивлении R_t, которое компенсирует напря­жение смещения нуля. Это особенно необходимо для высокочувстви­тельных ОУ, в которых напряжение смещения нуля, усиливаясь в К раз, может вывести каскады ОУ на нелинейный участок характери­стики. Поэтому перед началом измерений при Е_вх = 0 с помощью ре­зистора R^ необходимо выставить нулевое выходное напряжение. При подаче входного напряжения Е_вх и замкнутых ключах n_lt П₂ на вы­ходе ОУ появится напряжение

^вых! ⁼ К^ВХ'

После размыкания ключей IJ_V П₂ последовательно с входным со­противлением для дифференциального сигнала оказывается включен­ным сопротивление 2R_lt что вызовет изменение входного и выходного напряжений:

^Bl2⁼^Bl^w/(^Bl4"27?l)i _у U выхз — KU_BX3=s КЕ_ВХ R_BX/(R_Bx+2^i).

Разделим U_BUJ1 на [/_вых2:

UВЫХ11U_ВЫх2 ⁼ (^ВХ Н“ ^R^l^?вх> откуда

^вх ⁼ %Ri [/_вых г/(^вых1 ^выхг)»

Выходное напряжение £_вх при данной схеме измерений берется низкочастотным порядка нескольких—десятков герц.

Синфазное входное сопротивление может быть определено в помо­щью схемы, приведенной на рис. 4.11, в, которая обеспечивает единичный коэффициент усиления и синфазное напряжение на обоих входах.

При замкнутом ключе П₁ выходное напряжение ^вых! ⁼ ^^вх ^вх*

После размыкания ключа n_t входное и выходное напряжения уси­лителя уменьшаются:

^вх2 ⁼ ^вх ^ВХ.сф/(^ВХ.сФ "Ь ^1)>

^вых2 ⁼ ^^вхз ж £_вх R_BTt сф/(^вх.сФ4~^i)^#

Разделим (/_вых1 на U_BUX2:

^ВЫХ1/^ВЫХ2 ⁼ (^ВХ»сФ "Ь ^1)/^ВХ.сФ»

откуда входное сопротивление для синфазного сигнала

^вх.сФ ⁼ ^1 ^выхз/(^вых1^— ^выхг)-

Следует обратить внимание на сильное уменьшение синфазного входного сопротивления при увеличении частоты входного сигнала.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала определяется как от­ношение напряжения синфазного сигнала, поданного на оба входа, к. дифференциальному входному напряжению, которое обеспечивает на выходе тот же сигнал, что и в случае синфазного напряжения:

^ . ^вх.сФ |

^ос.сФ ,, *

•-'ВХ.ДИФ I вых.сф^- вых.диф

Не останавливаясь на различных причинах появления на выходе усилителя шумов, отметим, что последние оцениваются коэффициентом шума, определяемым как выраженное в децибелах отношение приведен­ной к входу мощности шума усилителя, работающего от источника в внутренним сопротивлением R_ai к мощности шума активного сопро­тивления R_n.

К группе выходных параметров относятся выходное сопротивление, напряжение и ток выхода.

Определить выходное сопротивление достаточно сложно из-за его изменения в зависимости от сдвига нулевого уровня выходного напря­жения. Для измерения /?_вых можно использовать схему приведенную на рис. 4.12, а, но при этом необходимо, чтобы коэффициент усиления всего усилителя при разомкнутой обратной связи был известен. Со­противления резисторов Ri и R₂ выбирают одинаковыми, причем ихзначения должны быть большими (порядка 1 МОм). Выходное напря­жение при замкнутом ключе

^ВЫХ2⁼^ВЫХ1 ^н ^вых. ОС»

где 1/_виЯ — выходное напряжение при разомкнутом ключе П', ^вых.оо — выходное сопротивление ОУ, охваченного ОС.

Рис. 4.12. Схема для определения выходных параметров ОУ: а — выходного сопротивления; б — коэффициента усиления

Отсюда, учитывая, что /_я = U_Ba^IR_a, имеем

^ВЫХ.ОС ⁼ (^ВЫХ1 ^ВЫХ2)/^ВЫХ2"

Из теории обратной связи известно, что выходное сопротивление усилителя, не охваченного обратной связью, связано с выходным со­противлением усилителя с параллельной ОС по напряжению соотно­шением

^вых.ос ⁼ ^ВЫх/П 4* ^?)'

Так как сопротивления К_г и R₂ равны между собой, а коэффициент обратной связи у равен 1/2, то выходное сопротивление ОУ

D ^вых1 — ^выха n /1 i % ) 'ВЫХ гг I О /

^ВЫХ2 \ /

Максимальные выходные напряжение и ток указываются в ТУ на ОУ.

К группе характеристик передачи можно отнести коэффициент усиления по напряжению, полосу пропускания, скорость нарастания выходного напряжения, время установления выходного напряжения, время восстановления.

Коэффициент усиления по напряжению ОУ может быть определен экспериментальным путем, когда на вход ОУ, не охваченного цепью ОС, подается известное напряжение и определяется выходное напря­жение. Однако при этом возникают существенные трудности, связан­ные с определением малых входных напряжений. Кроме того, в высоко­чувствительных ОУ с высоким коэффициентом усиления напряжение смещения нуля, которое может быть представлено генератором напря­жения U_ail> включенным на входе ОУ, усиливаясь в К раз, может вы- 244звать насыщение выходного каскада ОУ и он станет неработоспособ­ным. Поэтому высокочувствительные ОУ нельзя применять без цепей ОС.

Коэффициент усиления ОУ обычно определяют косвенным путем с помощью схемы рис. 4.12, б. В ней входное дифференциальное напря­жение ОУ равно падению напряжения на резисторе К₃:

= ^э = UMR^ + Ra),

где V_а — напряжение в точке а.

Так как сопротивления резисторов /?₁₍ соединяющих источник сиг­нала и выход усилителя, равны между собой, то коэффициент переда­чи ОУ с такой обратной связью равен единице, а выходное напряже­ние равно Е_вх. Следовательно, коэффициент усиления ОУ

К ⁼ Eri!Ur3~-^вх(Ra4"Rail(Uа Rai’

Ширина полосы пропускания определяется, как и у обычных уси­лителей, на уровне 3 дБ и указывается в ТУ на конкретный ОУ. Однако при применении ОУ в конкретных устройствах следует пом­нить, что приведенные справочные данные справедливы только для оговоренных условий измерения. Так, может оказаться, что усилитель, имеющий полосу пропускания 2МГц и максимальный размах выход­ного напряжения 10 В, имеет этот размах только до частоты 15 кГц. В диапазоне частот до 2 МГц соответствующий максимальный размах не превышает 100 мВ и т. д. Другими словами, указанная полоса про­пускания характеризует усилитель при определенном уровне выход­ного напряжения. Иногда в ТУ указывают ширину частотной полосы ОУ или частоту единичного усиления, которую определяют частотой, на которой коэффициент усиления падает до единицы.

Скорость нарастания выходного напряжения — это максимальная скорость изменения выходного сигнала при максимальном значении его амплитуды. При измерении скорости нарастания ОУ включается в схему (рис. 4.13, а), обеспечивающую единичное усиление, и на его вход подается напряжение прямоугольной формы, амплитуда кото­рого такова, что выходной каскад попадает в область насыщения по обеим полярностям (рис. 4.13, б).

Скорость нарастания определяется как тангенс угла наклона участ­ка, заключенного между минимальным и максимальным значениями выходного сигнала, и имеет размерность В/мкс.

Время установления выходного напряжения /_уст — это время, за которое практически заканчивается переходный процесс. Оно обычно измеряется при максимальных значениях выходного напряжения и нагрузки и оценивается как промежуток времени Д^, прошедший с мо­мента первого достижения уровня 0,1 до момента первого достижения уровня 0,9 установившегося значения выходного сигнала.

Под временем восс/йановления /_вос понимают время, необходимое для возвращения усилителя из состояния насыщения по выходу в линей­ный режим. При измерении обычно используют схему, показанную на рис. 4.13, в. Уровень входного сигнала выбирают в два раза выше, чем необходимо для насыщения выходного каскада (100% перегрузки).

Рис. 4.13. Схема для определения скорости нарастания в ОУ (а) и оп­ределение ее по результатам измерений (б); схема для определения времени восстановления (в); упрощенная эквивалентная схема ОУ для синфазного и дифференциального сигналов (г) и дифференциального сигнала переменного тока (д)

Процесс измерения сводится к определению времени задержки выход­ного сигнала по отношению к уменьшаемому скачком входному сигна­лу.

Для примера приведем параметры некоторых ОУ, выпускаемых промышленностью (табл. 4.2).

При расчете устройств ОУ удобно пользоваться их эквивалентны­ми схемами, в которых ОУ представляют в виде идеального усилителя с коэффициентом усиления К, бесконечно высоким входным и нулевым выходным сопротивлениями и с дополнительными внешними цепями

Таблица 4.2

Параметры	163УД1	140УД6	14 0УД7	140УД10
Коэффициент усиления	2-Ю4	70-Ю3	50-102	50.103
Входное сопротивление для дифферен­циального сигнала, Ом	10’	2- 10s	4.10’	10«
Входное сопротивление для синфазно­го сигнала, МОм	3-Ю2	—	—	—
Средний входной ток каждого входа, нА	6-Ю2	30	2.102	2,5- Юа
Разностный входной ток, нА	2,5-102	10	50	50
Напряжение смещения нуля, мВ	5	5	4	4
Коэффициент ослабления синфазного сигнала, дБ Частота единичного усиления, МГц	65	80	70	80
	1	1	8-10-1	15
Максимальная скорость нарастания выходного напряжения, В/мкс	6-10-’	2,5	10	20—50

и генераторами (рис. 4.13, г). Напряжение смещения нуля характери­зуется генератором напряжения {/_см, направление включения кото­рого зависит от полярности напряжения смещения. Наличие входных токов отражено генераторами токов 1_г и /₂, а входное сопротивление для синфазного сигнала—сопротивлениями 2₽_{вх С}ф,* включенными па­раллельно с генераторами токов /₁₍ /₂. Входное сопротивление для диф­ференциального сигнала показано в виде сопротивления R_BI, вклю­ченного между входами идеализированного ОУ. Наличие выходного со­противления отражено сопротивлением /?_вых, включенным последова­тельно с выходом ОУ. Для рассмотрения ОУ на переменном токе при подаче на вход дифференциального напряжения можно использовать упрощенную эквивалентную схему (рис. 4.13, д), в которой для облег­чения анализа часто пренебрегают R^.

Приведенные эквивалентные схемы, несмотря на их приближенный характер, могут применяться при анализе преобразователей электри­ческих сигналов, собранных на основе ОУ.