Понятие об идеальной модели оу
Для уяснения принципов действия схем на ОУ и приближенного их анализа оказывается полезным ввести понятие идеального операционного усилителя. Будем называть идеальным операционный усилитель, который имеет следующие свойства:
бесконечно большой дифференциальный коэффициент усиления по напряжению A0=UВЫХ /(UВХ+ - UВХ–) = ∞;
нулевое напряжение смещения нуля UСМ, т.е. при равенстве нулю входных напряжений выходное напряжение также равно нулю;
нулевые входные токи IВХ+ = IВХ– = 0;
нулевое выходное сопротивление RВЫХ = 0;
коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю KСФ = 0;
мгновенный отклик на изменение входных сигналов, т.е бесконечно широкая полоса пропускания;
отсутствие внутренней обратной связи с выхода на вход.
Передаточную характеристику ОУ можно записать в виде: UВЫХ = A0(UВХ+ – UВХ–), где A0 – коэффициент усиления ОУ без обратной связи – рис.4. Идеальный ОУ чувствителен только к разности входных сигналов на неинвертирующем входе (UВХ+) и на инвертирующем входе (UВХ–). Разность UВХ+ – UВХ– = UДФ называют дифференциальным входным сигналом. Идеальный ОУ нечувствителен к любому другому сигналу, общему для обоих его входов. Такой входной сигнал называют синфазным и определяют формулой: UСФ = (UВХ+ + UВХ–)/2.
При подаче сигнала на неинвертирующий вход ОУ напряжение на его выходе будет равно: UВЫХ = A0UВХ+ при UВХ– = 0. При подаче сигнала на инвертирующий вход ОУ напряжение на его выходе будет равно: UВЫХ = – A0UВХ– при UВХ+ = 0 – рис.1.2.
Удачные с точки зрения инженера схемные решения на ОУ обязаны избыточности, заложенной в его структуру – избыточности по усилению и по полосе пропускания. Параметрическую избыточность определяет, с одной стороны, избыточность схемотехническая, а с другой – групповая [полупроводниковая] технология, которая позволяет согласовать температурные нестабильности элементов структуры – рис.1.3.
Сема ОУ среднего класса
Типовая (упрощенная) структура ОУ
Рис.1.3
Рис.1.4
Основные параметры оу.
По мере совершенствования технологий полупроводниковой электроники параметры ОУ становились все привлекательнее для разработчиков, а цена ОУ падала, они начали с успехом заменять транзисторные каскады и даже тракты. Это вызвано целым рядом обстоятельств.
Операционные усилители представляют собой усилители постоянного тока с малыми значениями напряжения смещения нуля UСМ (лучшие значения до единиц микровольт, т.е. 10-6В), входных токов IВХ и с высоким коэффициентом усиления A0 (до нескольких миллионов). По размерам и цене они практически не отличаются от отдельного транзистора. В то же время, преобразование сигнала схемой на ОУ почти исключительно определяется свойствами цепей внешних обратных связей и отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью. Кроме того, благодаря практически идеальным характеристикам ОУ реализация различных электронных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Поэтому операционные усилители почти полностью вытеснили отдельные транзисторы в качестве элементов схем во многих областях аналоговой схемотехники. ОУ требуют, как правило, меньшего обвеса, т. е. меньшего количества дополнительных пассивных элементов – резисторов и конденсаторов, – по сравнению с аналогичными каскадами на транзисторах.
Параметры каскада на ОУ более стабильны во времени и в температуре, чем параметры аналогичного транзисторного каскада. Они определяются, в основном, стабильностью внешних резисторов и конденсаторов, с помощью которых задают его параметры – усиление AF, частотный диапазон и т.д.
Вследствие изготовления кристалла ОУ с помощью полупроводниковой (групповой) технологии температурные уходы параметров транзисторов и элементов обвеса внутри кристалла согласованы и минимизированы. Несмотря на значительный разброс параметров кристаллов ОУ по усилению и полосе пропускания (до 2…5 раз) даже в одной партии, введение глубокой ООС позволяет обеспечить высокую стабильность и повторяемость параметров схем на их основе.
К конкурентным преимуществам схем на ОУ относят малую площадь каскада на печатной плате, большую защищенность каскада на ОУ от помех по цепям питания, низкую цену и широкую номенклатуру.
Современные электрометрические ОУ позволяют усиливать токи от единиц фемтоампер (10-15А). Современные широкополосные ОУ обеспечивают усиление в полосе от постоянного тока до единиц гигагерц (109Гц). Современные малошумящие ОУ имеют уровень собственного шума, не превышающего десятков нановольт (10-9В) в полосе частот 0,1Гц…10кГц. Входное сопротивление RВХ современных ОУ на полевых транзисторах достигает десятков тераом (1012Ом). Современные мощные гибридные ОУ звукового диапазона обеспечивают выходную мощность до единиц кВт.
В табл.1.1 приведена типичная спецификация прецизионного низкочастотного ОУ типа AD820 компании Analog Devices.
Таблица 1.1
Таблица 1.1продолжение
Таблица 1.1продолжение
Таблица 1.1продолжение
Таблица 1.1продолжение
Таблица 1.1продолжение
Таблица 1.1окончание
Параметры ОУ, характеризующие его неидеальность, можно разбить на следующие группы: