Литература / (тоже супер) физосновы для экз

то величина |uдиф| не может превышать значение 15/5000 = = 300 10–6 В = 300 мкВ. Если наперед известно, что операционный усилитель работает в режиме усиления, то при практических расчетах обычно принимают, что uдиф = 0.

4.5.4. Частотные свойства операционного усилителя

Частотные свойства ОУ в зависимости от условий его применения характеризуются двумя группами параметров. К первой группе относятся параметры, используемые при построении аналоговых схем. К ним в первую очередь относятся передаточная функция усилителя и соответствующие ей ЛАЧХ и ФЧХ.

Вторая группа параметров, а именно максимальная скорость изменения выходного сигнала (скорость отклика усилителя), характеризующегося временем установления выходного напряжения и временем восстановления после перегрузки, применяется для характеристики работы ОУ в импульсных схемах.

При рассмотрении частотных свойств ОУ необходимо принимать во внимание следующее: ОУ может как содержать, так и не содержать собственные (внутренние) цепи коррекции; ОУ является многокаскадным усилителем, поэтому его амплитудная и фазочастотная характеристики могут быть получены простым суммированием соответствующих характеристик входящих в него каскадов.

Следует отметить, что на частотные свойства ОУ, кроме применяемых полупроводниковых приборов и внутренних цепей коррекции, сильное влияние оказывают паразитные емкости самой ИС. Однако в дальнейшем для простоты рассмотрения влиянием этих паразитных емкостей будем пренебрегать.

Сделанные допущения позволяют предположить, что передаточная функция каждого каскада ОУ без учета элементов цепей внутренней коррекции в первом приближении может быть описана выражением

K(p)i = Ki оос/(Ti p + 1),

где Ti = τβ/(1 + biосK0i) — постоянная времени каскада.

Вполне очевидно, что в различных каскадах из-за неодинаковых свойств приборов и разной глубины местной ООС постоянные времени Ti будут различны. Различными будут и соответствующие им частоты среза. Следовательно, результирующие ЛАЧХ и ФЧХ можно построить суммированием ЛАЧХ и ФЧХ отдельных каскадов. На рисунке 4.87 приведена, построенная таким образом, ЛАЧХ трехкаскадного операционного усилителя.

Следует отметить, что если значения Ti близки, то суммарный наклон ЛАЧХ будет менее –20 дБ/дек. Это создает определенные трудности при использовании такого ОУ. Объясняется это тем, что при разработке конкретных схем сам ОУ, как правило, охватывают цепью ООС. При наклоне ЛАЧХ менее –20 дБ/дек происходит потеря устойчивости. В этом случае в ОУ вводят дополнительную внешнюю или внутреннюю цепи коррекции, формирующие наклон его ЛАЧХ –20 дБ/дек во всем диапазоне частот, пока K(ω) > 1. Такая коррекция обычно сужает полосу пропускания усилителя.

Рис. 4.87

ЛАЧХ трехкаскадного операционного усилителя

Если постоянная времени одного из каскадов усилителя существенно больше других, то наклон –20 дБ/дек во всем диапазоне частот формируется самим усилителем и дополнительная коррекция может не понадобиться.

Таким образом, в любом случае типовая ЛАЧХ ОУ во всемдиапазонечастотимеетпостоянныйнаклон–20дБ/дек и его передаточная функция описывается выражением

K(p)ОУ = KОУ/(TОУp + 1),

где KОУ — собственный коэффициент усиления ОУ, равный KU0; TОУ — постоянная времени ОУ.

На практике широко используют графики амплитуд- но-частотной и фазочастотной характеристик для K(ω). Каждую отдельную характеристику или пару этих характеристик называют диаграммой Боде (модуль K(ω) часто измеряют в децибелах, обозначая его при этом через |K|∂Б). Изобразим схематически амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики для операционного усилителя типа К140УД8 (рис. 4.88). При этом по оси ординат будем откладывать как значения |K|, так и значения |K|∂Б. Обратим внимание на тот факт, что для оси абсцисс каждого графика используется логарифмический масштаб.

а

б

Рис. 4.88

ЛАЧХ (а) и ФЧХ (б) для

операционного усилителя типа К140УД8

Р А З Д Е Л 4

Влияние синфазного напряжения на выходное напряжение. Обратимся к схеме (рис. 4.90), в которой имеется только синфазный сигнал uсф (uдиф = 0). Изобразим типичный график зависимости uвых от uсф для операционного усилителя (рис. 4.91).

Если модуль |uсф| сравнительно мал, то синфазный сигнал слабо влияет на напряжение uвых. Иначе его влияние, как следует из графика, может быть очень существенным. Если синфазный сигнал оказывается чрезмерно большим по мо-

дулю, то операционный усилитель может выйти из строя. Влияние синфазного сигнала при его малых по модулю значениях характеризуют коэффициентом усиления синфазного сигнала Kсф и коэффициентом ослабления синфазного сигнала Kос. сф:

Коэффициент K всегда положителен. Коэффициенты Kсф и Kос. сф могут быть как положительными, так и отрицательными. Но в справочных данных обычно указывают модули этих коэффициентов. Модуль коэффициента Kсф обычно близок к единице, поэтому модуль коэффициента Kос. сф обычно такого же порядка, что и коэффициент K. Коэффициент Kос. сф часто измеряют в децибелах, обозначая его в этом случае через Kос. сф дБ:

Kос. сф дБ = 20 log|Kос. сф|.

Например, для операционного усилителя типа К140УД1Б при напряжении питания ±12,6 В синфазный

сигнал uсф должен лежать в пределах –6– +6 В. Для этого усилителя коэффициент Kос. сф дБ не меньше 60 дБ. Это означает, что модуль |Kос. сф| не меньше 1000.

Влияние входных токов на выходное напряжение.

Рассмотрим схему с операционным усилителем, во входной цепи которого включены два резистора (рис. 4.92).

В этой схеме источники входных сигналов отсутствуют, однако входные токи i + и i – для реальных операционных усилителей не равны нулю. Эти токи могут быть в зависимости от типа операционного усилителя и положительными, и отрица-

тельными. Если во входном каскаде операционного усилителя используются биполярные транзисторы, то токи i +, i – обычно лежат в пределах от десятков наноампер до единиц микроампер, а если используются полевые транзисторы, то они обычно лежат в пределах от долей пикоампер до десятков наноампер. К примеру, для операционного усилителя типа К140УД1Б токи i +, i – при t = 85°C не превышает 11 мкА (во входном каскаде — биполярные транзисторы), а для усилителя К140УД8А типовое значение этих токов при t = 70°C равно 10 нА (во входном каскаде — полевые транзисторы).

Даже если выполняется равенство i + = i –, но сопротивления R+ и R– различны (R+ ± R–), разность падений напряжения на этих сопротивлениях будет воспринята усилителем как дифференциальный сигнал и вызовет появление напряжения на нагрузке. Поэтому стремятся к тому, чтобы эквивалентные сопротивления цепей, подключенных к инвертирующему и неинвертирующему входам, были одинаковыми. К сожалению, токи i + и i – не всегда одинаковы, и это является еще одной причиной нарушения режима работы операционного усилителя.

Влияние температуры, напряжения питания и времени (старения) на выходное напряжение. Влияние указан-

ных факторов проявляется в том, что под их воздействием изменяется напряжение смещения Uсм. Для приближенной оценки этого влияния можно считать, что напряжение Uсм может изменяться следующим образом:

1)на единицы — десятки микровольт при изменении температуры на 1°C;

2)на единицы — десятки микровольт при изменении напряжения питания на 1°C;

3)на доли — единицы микровольт при увеличении срока службы схемы на 1 месяц.

4.5.6.Классификация операционных усилителей

Ниже приводится классификация операционных усилителей и основные параметры их типовых схем.

Быстродействующие широкополосные операционные усилители используются для преобразования быстроизменяющихся сигналов. Они характеризуются высокой скоростью нарастания выходного сигнала, малым временем установления, высокой частотой единичного усиления, а по остальным параметрам уступают операционным усилителям общего применения. К сожалению, для них не нормируется время восстановления после перегрузки.

Их основные параметры: скорость нарастания VU вых max ≥ 30 В/мкс; время установления tуст ≤ 1 мкс; частота единичного усиления f1 ≥ 10 МГц.

Прецизионные (высокоточные) операционные усилители используются для усиления малых электрических сигналов, сопровождаемых высоким уровнем помех, и характеризуются малым значением напряжения смещения и его температурным дрейфом, большими коэффициентами усиления и подавления синфазного сигнала, большим входным сопротивлением и низким уровнем шумов. Как правило, они имеют невысокое быстродействие.

Их основные параметры: напряжение смещения Uсм ≤ 250 мкВ; температурный дрейф Uсм/ T ≤ 5 мкВ/°С; коэффициент усиления KU0 ≥ 150 000.

Операционные усилители общего применения используются для построения узлов аппаратуры, имеющих суммарную приведенную погрешность на уровне 1%. Харак-

теризуются относительно малой стоимостью и средним уровнем параметров (напряжение смещения — единицы милливольт, температурный дрейф Uсм/ T — десятки микровольт/°C, коэффициент усиления KU0 — десятки тысяч, скорость нарастания VU вых max — от десятых долей до единиц вольт/микросекунд).

Операционные усилители с малым входным током —

усилители с входным каскадом, построенным на полевых транзисторах. Входной ток Iвх ≤ 100 мА.

Многоканальные операционные усилители имеют параметры аналогичные усилителям общего применения или микромощным усилителям с добавлением такого параметра, как коэффициент разделения каналов. Они служат для улучшения массогабаритных показателей и снижения энергопотребления аппаратуры.

Западные фирмы выпускают сдвоенные прецизионные и быстродействующие усилители.

Мощные и высоковольтные операционные усилители — усилители с выходными каскадами, построенными на мощных высоковольтных элементах. Выходной ток Iвых ≥ 100 мА; выходное напряжение Uвых ≥ 15 В.

Микромощные операционные усилители необходимы в случаях, когда потребляемая мощность жестко лимитирована (переносные приборы с автономным питанием, приборы, работающие в ждущем режиме). Ток потребления Iпот max ≤ 1 мА.

4.5.7. Выходные каскады операционных усилителей

Выходной каскад ОУ должен обеспечивать возможность работы на низкоомную нагрузку при значительном токе и напряжении выходного сигнала любой полярности. Это означает, что он должен обладать малым выходным сопротивлением.

Малым выходным сопротивлением обладают эмиттерные повторители (Rвых = 1/S), однако простые эмиттерные повторители при передаче сигналов положительной и отрицательной полярностей должны работать в линейном режиме (режиме класса A), потребляя значительную мощность от источника питания в режиме покоя.

Поэтому выходные каскада современных ОУ строятся как двухтактные эмиттерные повторители, работающие в режимах класса AB или B (с очень малым или нулевым током покоя).

Схема двухтактного эмиттерного повторителя, работающего в режиме класса B, изображена на рисунке 4.93.

Рис. 4.93

Схема двухтактного эмиттерного повторителя

В качестве эмиттерной нагрузки транзистора T1 n-p-n- типа здесь используется транзистор T2 p-n-p-типа. Такие пары транзисторов с различными типами проводимости называют комплементарными. При положительной полуволне входного напряжения транзистор T2 заперт, а T1 отперт и работает как эмиттерный повторитель с нагрузкой, включенной между выходными зажимами схемы (на рисунке не показана). Ток транзистора протекает по следующему пути: +E2, транзистор T1, нагрузка, –E2 (корпус), создавая на выходе положительную волну Uвых.

При отрицательной полуволне Uвх транзистор T1 заперт, а транзистор T2 отперт. Ток транзистора T2 протекает по пути: –E1, +E1 (корпус), нагрузка, транзистор T2, создавая отрицательную полуволну выходного напряжения. При Uвх = 0 оба транзистора практически заперты и ток покоя близок к нулю.

Разница между Uвых и Uвх обусловлена только падением напряжения на эмиттерных переходах транзисторов, которая мало зависит от сопротивления нагрузки. Следовательно, коэффициент передачи схемы при любой нагрузке примерно равен единице. При этом важно, чтобы частота входного сигнала была такой, чтобы транзисторы успевали переключаться. Иначе они могут оказаться от-

крытыми одновременно и ток, потребляемый от источников питания, резко возрастет.

При малых значениях Uвх ток в открытом транзисторе мал, мала крутизна транзистора, а следовательно, велико выходное сопротивление эмиттерного повторителя, что приводит к снижению прироста Uвых. Этот эффект приводит к появлению зоны нечувствительности в области малых значений Uвх, т. е. к искажению выходного сигнала. Для снижения искажений подобного типа перехо-

дят к режиму AB, задавая небольшой ток покоя через транзисторы T1 и T2. Практическая схема подобного типа изображена на рисунке 4.94.

Здесь напряжения смещения на транзисторы T1 и T2 снимаются с цепочки диодов Д1 и Д2. Транзистор T3 с резистором обратной связи R2 и совместно с R1 стабилизирует ток I. Напряжение на каждом из диодов при

этом составляет примерно 0,7 В, что обеспечивает незначительное приоткрывание транзисторов T1 и T2.

При положительной полуволне входного сигнала транзистор T3 приоткрывается, ток через него увеличивается, а напряжение на коллекторе уменьшается. При этом транзистор T1 запирается, а T2 отпирается, и ток нагрузки течет по пути: –E1, +E1 (корпус), нагрузка, транзистор T2.

При отрицательной полуволне входного напряжения потенциал коллектора транзистора T3 увеличивается, что приводит к запиранию транзистора T2 и отпиранию транзистора T1. Ток нагрузки течет по пути: +E2, транзистор T1, нагрузка, корпус (–E2). Переходные искажения Uвых проявляются очень слабо благодаря наличию небольшого тока через T1 и T2 в исходном состоянии. В силу малого