Динамические параметры оу

Они представлены в основном двумя параметрами: полосой пропускания и скоростью изменения выходного сигнала.

Полоса пропускания идеального ОУ бесконечна. Это означает, что коэффициент усиления идеального ОУ сохраняет бесконечно большое значение при любой бесконечно большой частоте входного сигнала. Коэффициент усиления реального ОУ, во-первых, имеет конечную величину, во-вторых, уменьшается с увеличением частоты входного сигнала.

Это объясняется тем, что хотя в схеме интегрального ОУ и отсутствуют конденсаторы, но имеются pn-переходы и другие проводники, разделенные диэлектриками, которые образуют распределенные паразитные емкости. В процессе анализа распределенные паразитные емкости ОУ удобно рассматривать как один конденсатор, емкость которого равна сумме всех паразитных емкостей. Каждый каскад ОУ тогда можно представить эквивалентной схемой, состоящей из источника напряжения или тока, внутреннего сопротивления и одной эквивалентной емкости. Поскольку с ростом частоты сигнала сопротивление конденсатора уменьшается, ток в цепи конденсатора увеличивается, все большая часть усиливаемого сигнала замыкается через конденсатор на землю, что приводит к уменьшению напряжения на выходе ОУ.

Графическая зависимость модуля коэффициента усиления ОУ от частоты представляет собой АЧХ ОУ. Как было сказано ранее, на практике для удобства анализа АЧХ чаще всего изображается в логарифмическом масштабе и аппроксимируется отрезками прямых. Так как каждый усилительный каскад ОУ в простейшем случае представляется эквивалентной схемой, состоящей из источника напряжения, сопротивления и емкости, а последовательная RC-цепь имеет скорость спада АЧХ , то и скорость спада АЧХ каскада будет равна. Суммарную АЧХ ОУ можно получить, построив на одном графике ЛАЧХ его каскадов и графически их сложив. Пример для трехкаскадного ОУ приведен на рис. 12.99.

	На частотах общая АЧХ ОУ является суммой коэффициентов усиления отдельных каскадов: . В полосе частот общий коэффициент усиления падает на, в полосе частотон уменьшается на, в полосе частоткоэффициент усиления ОУ падает на.
Рис. 12.99

Частота , на которой АЧХ пересекает линию, что соответствует, называется частотой единичного усиления.

Частота единичного усиления является справочным параметром и определяет активную полосу пропускания, максимально реализуемую для данного типа ОУ.

Общая ФЧХ многокаскадного ОУ образуется путем суммирования фазовых сдвигов, вносимых отдельными каскадами.

Каждой точке излома на АЧХ соответствует увеличение фазового сдвига на относительно первоначального. Максимальный фазовый сдвиг стремиться к, где- число каскадов ОУ. Пример для трехкаскадного ОУ приведен на рис. 12.100.
	Рис. 12.100

Если полоса пропускания определяет переходные процессы в ОУ при усилении малых сигналов, то для характеристики способности ОУ передавать без искажений большие сигналы служит такой параметр, как скорость изменения выходного напряжения , определяемая как максимальная скорость изменения выходного сигнала во времени.

ОУ из-за наличия внутренних емкостей, скорость заряда которых ограничена, не может мгновенно отреагировать на изменения входного напряжения. По этой причине ограничена и скорость изменения выходного напряжения.

В справочниках иногда для характеристики этого свойства ОУ приводят значения максимальной частоты усиления большого сигнала. Смысл этого параметра состоит в том, что он позволяет установить максимальную частоту гармонического сигнала, при которой на выходе ОУ можно получить без значительных искажений выходной сигнал синусоидальной формы с заданной амплитудой . Очевидно, что этот параметр связан с максимальной скоростью изменения гармонического сигнала на выходе ОУ. Если принять, что, то скорость его изменениябудет иметь максимальное значениепри. Отсюда максимальная частота усиления большого сигнала. Это выражение показывает, что до частотына выходе ОУ можно получать неискаженный сигнал с требуемой амплитудой. Например, для ИС ОУ К140УД8А. Если необходимо получать на выходе синусоиду с, то ее частота не должна быть больше. С повышением частоты возникают так называемые динамические искажения выходного сигнала (рис. 12.101).

Рис. 12.101 дает представление об искажении формы выходного сигнала, вызванном ограниченной скоростью нарастания. Если частота сигнала несколько выше (рис 12.99а), то в некоторый момент выходное напряжение не успевает следовать за быстрым изменением входного напряжения и изменяется со скоростьюдо тех пор, пока обе эти кривые вновь не пересекутся. Частота сигнала на рис. 12.101б настолько велика, что
	а
	б
	Рис. 12.101

выходное напряжение даже не достигает номинальной амплитуды, следствием чего является треугольная форма выходного сигнала. Большая емкостная нагрузка дает подобный эффект на гораздо меньших частотах.

При малом сигнале () этот же ОУ может работать без динамических искажений вплоть до частоты единичного усиления, равной для него.

Ограниченная скорость изменения выходного напряжения вызывает также искажения и несинусоидальных сигналов. В качестве примера на рис. 12.102 показаны типичные формы сигналов на выходе этого же усилителя с при подаче на вход прямоугольных колебаний с различной частотой повторения. Для получения номинального выходного напряжения с амплитудойв таком усилителе требуется. Когда частота входного сигнала равна(рис. 12.102а), длительность одного импульса составляет, что враз перекрывает необходимое время для достижения номинального напряжения. Искажения выходного сигнала здесь практически незаметны, и форма прямоугольного импульса сохраняется. При входном сигнале с частотойформаизображена на рис. 12.102б.
	а
	б
	в
	г
	Рис. 12.102

Длительность импульса при сигнале с частотой равна половине времени нарастания, и прямоугольные импульсы приобретают треугольную форму (рис. 12.102в). Дальнейшее увеличение частоты следования импульсов приводит к уменьшению размаха выходного напряжения; частота следования импульсов, при которой прямоугольные импульсы превращаются в треугольные, равна. При вдвое большей частоте следования треугольные импульсы становятся однополярными (рис. 12.102г).

Классификация ОУ

В зависимости от значений перечисленных ранее параметров интегральные схемы ОУ подразделяются на несколько классов по областям применения.

1. ИС ОУ общего применения предназначены для использования в тех случаях, когда среднее значение их параметров могут удовлетворить предъявляемым требованиям. Они отличаются низкой стоимостью, малыми размерами, не очень высокими коэффициентом усиления, входным сопротивлением и быстродействием.

2. Прецизионные ОУ характеризуются гарантированными малыми входными погрешностями, такими как напряжение смещения, дрейф, шумы, отличаются большим коэффициентом усиления без обратной связи и большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала.

3. Быстродействующие ОУ предназначены для усиления импульсных сигналов и сигналов высокой частоты. Они имеют широкую полосу пропускания и высокую скорость изменения выходного напряжения. Однако при этом ухудшаются остальные параметры усилителя, в частности, возрастает потребление мощности, что ограничивает применение таких ОУ как универсального элемента.

4. Микромощные ОУ применяются в тех случаях, когда необходимо малое потребление мощности от источника питания (в режиме покоя около ).

Методы и схемы обеспечения режимов работы ОУ.

ОУ как линейное устройство, обеспечивающее минимальные искажения входного сигнала, редко используется без отрицательной обратной связи. Это объясняется тем, что из-за очень большого значения коэффициента усиления ОУ без обратной связи даже при сравнительно малом входном дифференциальном напряжении выходное напряжение может достигать предельных значений (рис. 12.96), ограничиваясь и искажаясь. При использовании же отрицательной обратной связи можно подобрать необходимое значение коэффициента усиления ОУ и обеспечить его стабильность в заданных пределах. Чаще всего используется обратная связь по напряжению, при этом сигнал обратной связи всегда подается на инверсный вход ОУ.

Неинвертирующая схема включения ОУ с обратной связью приведена на рис. 12.103. Она характеризуется подачей усиливаемого сигнала на прямой вход ОУ и последовательной обратной связи по напряжению на инверсный вход ОУ.
	Рис. 12.103

Цепь обратной связи представляет собой простейший резистивный делитель напряжения. Полагая параметры ОУ близкими к идеальным, можно получить выражение для коэффициента усиления схемы с обратной связью .

Инвертирующая схема включения ОУ приведена на рис. 12.104. Она характеризуется подачей усиливаемого сигнала на инверсный вход ОУ и параллельной обратной связи по напряжению на инверсный вход ОУ.
	Рис. 12.104

При тех же условиях коэффициент усиления схемы с обратной связью . Знак минус перед дробью информирует об инверсии фазы сигнала.

Таким образом, в обоих случаях коэффициент усиления определяется только элементами цепи обратной связи. Существуют пределы допустимых значений и. Обычновыбирают в пределах. Резисторопределяет значение коэффициента усиления. Его сопротивление следует выбирать много большим, чем сопротивление нагрузки. Часто его величина составляет, поскольку высокоомные резисторы создают большой уровень шума.

Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления (12.4) и расширяет полосу пропускания. Следует напомнить, что полосой пропускания называется такой частотный диапазон, в котором коэффициент усиления изменяется не более, чем в заданное число раз. Поскольку введение отрицательной обратной связи приводит к снижению коэффициента усиления, то, казалось бы, оно не может вызвать самовозбуждения усилителя. Однако введение отрицательной обратной связи изменяет не только АЧХ, но и ФЧХ усилителя. К начальному фазовому сдвигу добавляется фазовый сдвиг, вносимый задержкой сигнала во время его прохождения через цепь обратной связи. С ростом глубины обратной связи уменьшается запас по фазе. В результате на некоторой критической частоте суммарный фазовый сдвиг может стать равным нулю, и обратная связь окажется не отрицательной, а положительной. Для потери устойчивости усилителя с положительной обратной связью бывает достаточно собственных шумов усилителя, которые всегда имеют место. Таким образом, в многокаскадном усилителе, каким является ОУ, произвольный выбор глубины обратной связи может привести к самовозбуждению. Для его предотвращения осуществляется частотная коррекция, изменяющая АЧХ и ФЧХ усилителя так, чтобы обеспечить необходимый запас устойчивости.

На рис. 12.105 тонкими линиями показаны ЛАЧХ и ЛФЧХ трехкаскадного ОУ без коррекции.

Рис. 12.105

В соответствии с критерием Боде (рис. 12.27) этот ОУ не обладает необходимыми запасами устойчивости, как по фазе, так и по амплитуде. При введении отрицательной обратной связи с любой глубиной ОУ остается неустойчивым. В таком ОУ необходимо осуществить частотную коррекцию, т.е. изменить АЧХ так, чтобы она имела спад в большом интервале частот. Скорректированные ЛАЧХ и ЛФЧХ приведены на рис. 12.105 жирными штриховыми линиями. После такой коррекции усилитель обладает достаточными запасами по фазе и амплитуде, т.е. является устойчивым в рабочем диапазоне частот и не накладывает ограничений на выбор глубины отрицательной обратной связи. ЛАЧХ и ЛФЧХ откорректированного ОУ с отрицательной обратной связью, понижающей коэффициент усиления дои значительно увеличивающей частоту среза до значения(частотой среза называется частота, на которой коэффициент усиления уменьшается враз по сравнению с коэффициентом усиления при), изображены на рис. 12.105 жирной сплошной линией.

Во многих случаях полная частотная коррекция осуществляется с помощью элементов, находящихся внутри ИС ОУ. ИС ОУ с полной внутренней частотной коррекцией удобны для применения, если не требуется широкая полоса пропускания. Их можно использовать практически с любой конфигурацией обратной связи, не беспокоясь об устойчивости. В других случаях используются внешние иэлементы коррекции, для подключения которых предусмотрены специальные выводы(рис. 12.94). В справочных данных нескорректированных ОУ приводятся рекомендации по выбору внешних элементов коррекции для различных коэффициентов усиления с отрицательной обратной связью.

В качестве примера на рис. 12.106 приведены стандартные схемы внешней частотной коррекции для ИС ОУ К140УД1. Цепь внешней коррекции состоит из - цепи, подключаемой к выводам12 и 1.
	Рис. 12.106

В справочниках приводятся номиналы идля различных коэффициентов усиления с обратной связью. Для работы на частотах менеедостаточно присоединения конденсатора емкостьюмежду выводами3 и 4. Установку нуля на выходе данного ОУ можно осуществлять подстроечным резистором , присоединенным к выводам7 и 12.

Откорректированный ОУ математически может быть описан в виде звена первого порядка , где, а. При введении отрицательной обратной связи.

На работу схем с использованием ОУ отрицательное влияние может оказать смещение нулевого уровня выходного сигнала. Для компенсации смещения в устройство обычно вводится цепь регулировки нуля ОУ. Установка нуля в ОУ возможна двумя способами. Во-первых, можно подавать на вход ОУ небольшое регулируемое напряжение, которое выбирается из условия компенсации напряжения смещения. Для получения такого регулируемого напряжения строят резистивные делители постоянного напряжения, обычно напряжения питания ОУ. Примеры подобных схем регулировки нуля приведены на рис. 12.107.

а	б
Рис. 12.107

Если на один из входов ОУ не подается напряжение, подлежащее усилению, то этот вход может быть использован для регулировки нуля так, как это показано на рис. 12.107а. В этой цепи целесообразно устанавливать , с тем, чтобы уменьшить уход выходного напряжения цепи регулировки нулевого уровня от несимметричных изменений питающих напряжений. Делительрассчитывается исходя из требований наибольшего компенсирующего напряжения. При указанных на рис. 12.107а номиналах сопротивлений и при напряжении питаниявозможна компенсация напряжения смещения ОУ в пределах примерно. Цепь регулировки нулевого уровня, показанная на рис. 12.107б, содержит всего два резистора, однако величины этих резисторов зависят от сопротивлений резисторов, задающих глубину отрицательной обратной связи. Если считать, что, то сопротивлениедолжно быть выбрано так, чтобы напряжениебыло достаточным для компенсации наибольшего напряжения смещения. Сопротивлениеимеет смысл выбирать из соотношения.

Более предпочтительным, во-вторых, является способ, при котором напряжение смещения компенсируется не путем подачи дополнительного напряжения на вход ОУ, а осуществляется регулировка симметрии внутри самого ОУ. Возможность такой регулировки предусмотрена почти во всех типах ИС ОУ, за исключением ИС ОУ первого поколения. Для примера на рис. 12.108 приведены схемы подключения резисторов, регулирующих нулевой уровень (симметрию ОУ) для ИС ОУ К153УД2. В заключение следует отметить, что любой вариант регулировки нуля может применяться с любым вариантом цепи частотной коррекции.

Рис. 12.108

Обычно в описании конкретной ИС ОУ указываются предельно допустимые входные токи и напряжения, допустимые напряжения питания, максимально допустимый выходной ток или минимально допустимое сопротивление нагрузки. Так, например, для ИС ОУ типа К140УД1 наибольшее допустимое напряжение дифференциального входного сигнала равно . Защиту усилителя от чрезмерно большого входного сигнала можно осуществить, включая между его входами пару соединенных встречно - параллельно кремниевых диодов. Если ОУ используется в таких режимах, когда возможны хотя бы кратковременные всплески тока в нагрузке (например, при работе на емкостную нагрузку), то в ИС ОУ, не имеющих встроенной защиты по выходу, желательно введение цепей защиты выходного каскада усилителя. Простейшей защитой ОУ от перегрузки по выходу может служить резистор, включенный последовательно с выходом ОУ. В усилителе, охваченном глубокой отрицательной обратной связью, сопротивление этого резистора практически не повлияет на величину выходного сопротивления схемы, но ограничит выходной ток при случайном коротком замыкании на выходе. Однако для большинства современных ИС ОУ использование внешних цепей защиты не требуется, поскольку в них предусмотрены внутренние цепи защиты от перегрузок, как по входу, так и по выходу.

Основные функциональные узлы на ОУ.

Возможности ОУ как основы аналоговой схемотехники определяются многообразием вариантов его использования в аналоговой аппаратуре. Ниже приводятся примеры включения ОУ в безынерционные линейные цепи (табл. 12.2), безынерционные нелинейные цепи (табл. 12.3 ) и инерционные линейные цепи (табл. 12.4). Приведенные в таблицах формулы получены в предположении, что ОУ идеален.

Таблица 12.2
Назначение схемы	Схема	Формула операции
Инвертирующий усилитель		;
Вычитатель - усилитель
Преобразователь ток - напряжение
Повторитель напряжения
Сумматор инвертирующий
Сумматор неинвертирующий с усилением

Таблица 12.3
Назначение схемы	Схема	Формула операции
Компаратор		, если ; , если .
Прецизионный выпрямитель		при ; при ; выпрямляется отрицательная полуволна входного напряжения
Логарифмирующий усилитель		; ; - обратный ток pn-перехода
Антилогарифмирующий усилитель		;

Таблица 12.4
Назначение схемы	Схема	Формула операции
Интегратор
Дифференциатор
Фазовращатель		, , , при ,
Активный полосовой RC - фильтр		, , ,