Лекция 9. Проектирование кмоп оу.

Операционный усилитель (ОУ) –усилитель с непосредственными связями (имеет усиление на нулевой частоте), высоким коэффициентом усиления, способный устойчиво работать при замкнутой цепи отрицательной обратной связи.

Название операционный усилитель происходит из области аналоговой вычислительной техники, где ОУ определяется как усилитель электрических сигналов, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми переменными при работе в схеме с обратной связью.

Идеальный ОУ имеет бесконечно большой коэффициент усиления, бесконечно большое входное (активное и реактивное) сопротивление и нулевое выходное сопротивление. При этом свойства идеального ОУ не зависят от частоты и амплитуды сигнала.

Операционный усилитель, имеющий два симметричных входа (инвертирующий и неинвертирующий (рис. 9.1, а)) называется дифференциальным. Далее, если не оговаривается особо, под операционным усилителем подразумевается дифференциальный операционный усилитель.

Дифференциальный ОУ, который имеет два симметричных выхода(инвертирующий и неинвертирующий (рис. 9.1, б)) называется полностью дифференциальным ОУ

б)

а)

Рис. 9.1. Обозначение ОУ: a – дифференциального; б – полностью дифференциального

Рис. 9.2. Обозначение и полярность входных и выходных токов и напряжений

Входное напряжение (дифференциальное) (U_вх.диф.) – напряжение между входами ОУ

где u⁺ и u^– напряжения между положительным входом ОУ и общим выводом и отрицательным входом и общим выводом, соответственно (рис. 9.2).

Синфазное входное напряжение (U_вх.сф) – напряжение между любым из входов операционного усилителя и общим выводом, совпадающее по амплитуде и фазе с напряжением между другим входом и общим выводом.

Синфазное входное напряжение можно определить по формуле

В схемах с ООС разница между u ^– и u⁺ мала и в ряде случаев синфазное входное напряжение отождествляют с напряжением на неинвертирующем входе ОУ

Входной ток (I_вх) – ток,протекающий во входной цепи операционного усилителя в заданном режиме. Для дифференциального ОУ вводится значение среднего входного тока, определяемое как среднее арифметическое значение входных токов

где i⁺ и i ^– – токи, втекающие в неинвертирующий и инвертирующий вход ОУ, соответственно (рис. 9.2).

Разность входных токов (I_вх) – разность значений токов, протекающих через входы дифференциального усилителя в заданном режиме

Вследствие высокого коэффициента усиления ОУ, при приближенном анализе схем с отрицательной обратной связью можно полагать, что

(9.1)

Вследствие большого входного сопротивления ОУ, при приближенном анализе схем можно считать, что

(9.2)

(9.3)

Для идеального ОУ выражения (9.1) – (9.3) являются точными.

Выходное напряжение (U_вых) – напряжение между выходом операционного усилителя и общим выводом (рис. 9.2).

Напряжение шума (U_ш) – напряжение на выходе операционного усилителя в заданной полосе частот при входном (дифференциальном) напряжении, равном нулю (или напряжению смещения нуля).

Амплитудная характеристика операционного усилителя – зависимость установившегося значения выходного напряжения операционного усилителя от входного напряжения.

Амплитудно–частотная характеристика операционного усилителя – зависимость модуля коэффициента усиления операционного усилителя от частоты.

Фазо–частотная характеристика операционного усилителя – зависимость аргумента коэффициента усиления операционного усилителя от частоты.

Фазовый сдвиг – разность фаз входного и выходного сигнала, для малого синусоидального сигнала на заданной частоте.

Диапазон значений параметров цепей нагрузки – интервал значений емкости нагрузки, активного сопротивления нагрузки и емкости, включенной на входе операционного усилителя, в котором обеспечивается устойчивость усилителя при любых возмущающих воздействиях и гарантируется время установления выходного напряжения в пределах диапазона выходного напряжения.

Диапазон значений параметров цепи обратной связи – интервал значений параметров цепи обратной связи, в котором обеспечивается устойчивость операционного усилителя при любых возмущающих воздействиях, возникающих в условиях эксплуатации, и гарантируется время установления выходного напряжения в пределах всего диапазона выходного напряжения.

Перечень основных характеристик ОУ приведен в табл. 9.1.