6.4. Параметры и характеристики оу

6.4.1. Основные параметры

Параметры ОУ можно условно разделить на две группы: к первой груп­пе относятся параметры, характерные для всех линейных усилительных уст­ройств:

1) коэффициент усиления по напряжению без обратной связи К;

2) диапазон входных напряжений;

3) входное сопротивление и входная емкость;

4) выходное сопротивление ;

5) переходная характеристика (ПХ) и амплитудно-частотная характери­стика (АЧХ);

6) напряжение питания (обычно ±15 В), ток потребления и мощность, рассеиваемая ОУ без нагрузки,

Ко второй группе относят параметры, учитывающие специфику ОУ, как дифференциального усилителя, имеющего два входа – инвертирующий и неинвертирующий:

1) входное напряжение смещения ;

2) входной ток смещения (входной ток по входу «–» – , входнойток по входу «+») – ;

3) разность входных токов смещения ;

4) коэффициент подавления (ослабления) синфазных сигналов , характеризующий способность ослаблять (не усиливать) сигналы, приложенные к обоим входам ОУ одновременно;

5) скорость нарастания выходного сигнала.

— Коэффициент усиления ОУ равен отношению приращения выходного напряжения к вызвавшему это приращение входного сигнала при отсутствии ОС. Коэффициент усиления ОУопределяется произведением коэффициентов усиления каждого из каскадов ОУ, потерей сигнала при согласовании входного сопротивления предыдущего каскада и входного следующего, а также влиянием нагрузки. При однокристальной полупроводниковой конструкции ОУ значительную роль в формировании коэффициента играет внутренняя тепловая обратная связь.

— Коэффициент усиления ОУ равен отношению приращения выходного напряжения к вызвавшему это приращение входного сигнала при наличие ОС.

— Диапазон входных напряжений – это диапазон напряжений на любом входном зажиме, который нельзя превышать для обеспечения нормальной работы.

— Диапазон выходного напряжения () – это диапазон значений выходного напряжения, при котором параметры ОУ лежат в гарантированных пределах. Зависит от напряжения питания. При несимметричном выходе верхняя и нижняя границы диапазона различны.

— Максимальный выходной ток (). Для ОУ имеющих внутреннюю защиту от короткого замыкания по выходу, это выходной ток короткого замыкания в режиме ограничения; для ОУ без защиты от КЗ - предельный выходной ток, который нельзя превышать. Для разных ОУ изменяется в диапазоне 1400 мА.

— Входное сопротивлением – сопротивление между входными зажимами при заземлении одного из них.

— Входное сопротивление для синфазного сигнала – параллельное соединение сопротивлений, измеренных при малых сигналах между входными зажимами и землей.

Эти сопротивления являются параметрами при разомкнутой петле обратной связи. При задействовании обратной связи характеристики сопротивления существенно меняются. Входное сопротивление неинвертирующего усилителя можно представить выражением

где – входное сопротивление при разомкнутой петле обратной связи;- коэффициент передачи сигнала на вход ОУ по цепи ОС.

— Выходное сопротивление – это внутреннее сопротивление для малого сигнала эквивалентного источника со стороны выходного зажима при напряжении на выходе, близком к нулю (КЗ нагрузки).

— Выходное сопротивление при наличии отрицательной обратной связи равно

где – выходное сопротивление без обратной связи.

В типовом случае, когда = 1 Мом, = 100 Ом, ,= 10³ входное и выходное сопротивления будут равны 100 Мом и 1 Ом соответственно.

Из уравнений видно, что с увеличением усиления (при меньшей отрицательной обратной связи) параметр уменьшается и характеристики сопротивления ухудшаются. Наоборот, в случае повторителя напряжения, когда, входное сопротивление будет наивысшим, выходное – минимальным. Для указанных выше типичных значений, , входное и выходное сопротивления при замкнутой петле обратной связи будут равны 10⁴ МОм и 0,1 Ом соответственно.

Входное сопротивление ()определяется как отношение при заданной частоте сигнала. Фактически это сопротивление между входами ОУ. Необходимо помнить, что входное сопротивление ОУ и входное сопротивление схемы – это 2 разных понятия, величина их может отличаться на несколько порядков. Типовые значенияна низких частотах для биполярных входов – 10⁴10⁸ Ом, для полевых – 10⁷10¹² Ом. При этом входная емкости для обоих случаев составляет несколько пикофарад. Выходное сопротивление – это внутреннее выходное сопротивление ОУ, которое можно определить как отношение (напряжение холостого хода / ток короткого замыкания), и составляет для разных ОУ величину порядка десятков – сотен Ом. Глубокая отрицательная обратная связь делает выходное сопротивление пренебрежимо малым (или очень большим в случае обратной связи по току). Типовое значениедля ОУ широкого применения 10100 Ом.

— Входное напряжение смещения определяется, как напряжение, ко­торое требуется приложить между входами «–» и «+» ОУ (см. рис. ) с тем, чтобы обеспечить. В идеальном случае при нулевом дифференциаль­ном входном напряжение на выходе ОУ напряжение, реально имеет­ся, возникающее из-за разбаланса входного дифференциального кас­када. Когда обеспеченопутем подачи на вход усилителя, гово­рят, что в усилителе установлен нуль, или он сбалансирован. Установка нуля усилителя на ОУ может быть выполнена подачей соответствующих сигна­лов как на инвертирующий, так и на неинвертирующий входы.

— Входной ток смещения () – ток, протекающий во входную цепь ОУ, необходимый для нормальной работы входных биполярных транзисторов (для полевых - ток утечки затвора). Подподразумевают средне арифметическое двух токови.

Для разных типов ОУ входной ток смещения изменяется в широких пределах: для биполярных входных транзисторов – А. В справочных данных обычно приводит сильно завышенные данные.

— Разность входных токов (ток сдвига) определяется при заданном значении входного напряжения. Разностьвызывает на выходе ОУ некоторое смещение (приведенное ко входу оно составляет величину 15 мВ и зависит от величины резисторов, подключаемых ко входам).

— Напряжение смещения () определяется как разность напряжений на входах, при котором при оговоренных сопротивления резисторов, подключаемых ко входам.

Если значения этих резисторов стремятся к 0, то напряжение смещения называют Э.Д.С смещения (). Для ОУ с биполярными транзисторами на входезависит в основном от разброса напряженийэмиттерно-базовых переходов и составляет 110 мВ. Для ОУ с полевыми транзисторами на входеобычно в несколько раз больше (до 30 мВ), что объясняется их меньшей крутизной.

Для того чтобы при подаче равного напряжения на оба входа усилителя выходное напряжение было близко к нулю, ОУ необходимо сбалансировать. Балансировка ОУ обычно достигается подачей дополнительного тока в цепь коллекторов входного ДУ с помощью переменного резистора, подключаемого к специальным выводам. Некоторые типы ОУ таких выводов не имеют и сбалансируются по входу.

В отличие от дифференциального (полезного) сигнала синфазный сигнал появляется на входах ОУ в фазе из-за не симметрии схемы входного дифференциального каскада ОУ, а также из-за нестабильности элементов этой схемы, вызывая появление выходного напряжения при отсутствии на входе полезного сигнала. Синфазный сигнал необходимо подавить.

— Коэффициент усиления синфазного сигнала равен отношению приращения выходного напряжения к величине синфазного сигнала, приведенного ко входу ОУ.

Диапазон синфазных входных напряжений () – это такой диапазон синфазных входных напряжений, в котором параметры ОУ лежат в

— Под коэффициентом подавления (ослабления) синфазного сигнала понимается отношение коэффициента усиления дифференциального (полезного) сигнала к коэффициенту усиления синфазного сигнала

. (6.1)

Коэффициент подавления синфазного сигнала значительно возрастает при использовании в эмиттерных цепях дифференциального каскада схем ГСТ, а также подачей на входе ОУ напряжения смещения. Для разных ОУ коэффициент подавления синфазного сигнала изменяется в пределах от 50 дБ до 100 дБ и более.

Коэффициент подавления синфазного сигнала () является мерой подавления общего сигнала, прикладываемого одновременно к обоим входам усилителя, по сравнению с дифференциальным входным сигналом. Этот параметр обычно выражается в децибелах и вычисляется по формуле

где — коэффициент усиления при разомкнутой петле обрат­ной связи усилителя для дифференциального сигнала, а– соответствующее усиление синфазного сигнала.

На рисунке 6.5 показана типовая зависимость коэффициента подавления синфазного сигнала операционного усилителя от частоты. Этот параметр останется постоянным до нескольких сотен герц, а затем начинает уменьшаться и свыше нескольких сотен килогерц становится неприемлемым.

Рис.6.5. Типовая частотная зависимость коэффициента подавления синфазного сигнала.

— Скорость нарастания – это скорость изменения величины выходного сигнала (напряжения), выражаемая в вольтах на микросекунду (В/мкс). При подаче на вход ОУ гармонического сигнала с большой амплитудой и с увеличением частоты трудно измерить скорость нарастания. Не представляет трудностей для измерения скорости нарастания путем подачи на вход ОУ

перепада напряжения и измерения длительности фронта нарастания выходного сигнала (см. рис.6.6).

Рис.6.6. Определение скорости нарастания выходного сигнала: а – входной ступенчатый сигнал; б – выходной сигнал.

На рисунке через обозначено время нарастания – время, при котором напряжение изменяется от 10% до 90% своей полной амплитуде при ступенчатом входном сигнале.

Скорость нарастания определяется соотношением

.

Для ОУ значение скорости нарастания выходного напряжения составляют от 0,2 В/мкс до сотен В/мкс. Скорость нарастания зависит от ряда факторов, таких как тип ОУ, размах выходного напряжения, наличие цепи частотной коррекции, коэффициент усиления схемы, емкость нагрузки.

На практике можно руководствоваться следующими рекомендациями:

• увеличивать коэффициент усиления схемы усилителя на основе ОУ;

• устанавливать, возможно, меньший размах выходного сигнала;

• избегать емкостных нагрузок;

• использовать цепи частотной коррекции.

Для разных ОУ скорость нарастания выходного напряжения меняется в пределах от 0,1 В/мкс (прецизионные ОУ) до 100 В/мкс (быстродействующие ОУ). Этот параметр становится важным, если ОУ используется в качестве компаратора уровней сигналов в быстродействующих схемах.

Существуют также другие параметры, характеризующие ток потребления, шумовые, температурные, частотные, фазовые, временные и другие свойства ОУ. В конкретных применения каждый из этих параметров может стать самым важным и определяющим выбор ОУ.

— Входной шум задается в вольтах в квадрате на герц, что для удобства можно преобразовать извлечением квадратного корня в единицу В/. Ток шума на входе также может быть в амперах на корень квадратный из герца В/.

Напряжение и ток шума – это напряжение и ток идеальных источников, включенных, соответственно, последовательно с входными зажимами и параллельно им для представления создаваемых внутри усилителя источников шума.

Шум операционного усилителя обычно определяется через приведенное ко входу усилителя эквивалентное напряжение шума в нановольтах на корень квадратный из герца, что указывает на эффективное напряжение на 1 Гц полосы. Если, например, при измерении на полосе 25 Гц эквивалентного шума на входе получено значение 500 нВ, то напряжение шума равно

.

Напряжение шума должно быть указанно на определенной средней частоте, поскольку в рабочей полосе усилителя распределение шумов неравномерно и имеет тенденцию возрастать на частотах ниже нескольких сотен герц.

Как и в случае других задаваемых на входе параметров операционного усилителя напряжение шума на выходе можно определить аналогичным образом, путем умножения (где коэффициент усиления при замкнутой петле обратной связи).

— Коэффициент влияния источников питания обычно определяет как приведенное ко входу ОУ статическое (т.е. очень медленное) изменение выходного напряжения , обусловленное изменением одного из источников питания на 1 В.

Обычно имеет размерность дБ или мкВ/В. С ростом частоты пульсации напряжения питания коэффициент влияния источников питания увеличивается, поэтому для ослабления паразитных каналов прохождения сигналов по цепям питания между выводами питания ОУ и общей точкой включают конденсатор (фильтры в цепи питания ОУ).

На рис. 6.8 изображены передаточные характеристики ОУ, у которого напряжения питания (отдельно положительное и отрицательное) уменьшаются на величину.

— Отношение изменения напряжения смещения к вызывавшему его изменению напряжения источника питания называется чувствительностью к источнику питания

Чувствительность к источнику питания является мерой измерения напряжения смещения к вызвавшему его изменению напряжения источника питания и обычно измеряется в микровольтах на вольт. Как правило, этот параметр имеет значение в определении влияния пульсации источника питания на усилитель. Это влияние чувствительности к источнику питания на выходной сигнал усилителя можно определить выражением

где – коэффициент усиления с замкнутой петлей обратной связи,– пульсация напряжения источника питания. Типовое значение коэффициента подавленияоперационного усилителя составляет 30мкВ/В.

— Средний температурный дрейф напряжения смещения () – максимальное изменениепри изменении температуры на 1°С в оговоренном диапазоне температур. Измеряется в мкВ/°С . Типовые значения для биполярных входов 520 мкВ/°С, для входов с полевыми транзисторами 20100 мкВ/°С. Еслиможно скомпенсировать до нуля, то с температурным дрейфом бороться сложнее. Входной токи разность входных токовтоже изменяется с температурой.

— Ток короткого замыкания – это максимальный выходной ток при замыкании выходного зажима на землю.

Общая потребляемая мощность, подводимая к усилителю на основе ОУ от источника постоянного тока без учета мощности, отдаваемой в нагрузку.

— Ток питания – ток, поступающий в усилитель от источника питания при отсутствии нагрузки и нулевом выходном напряжении.