Uсм зависит от температуры, и эта зависимость представляется самостоятельным параметром — температурной чувствительностью (мкВ/град), котораяуменьшаетсяпропорциональноуменьшениюUсм.

Еще один точностный параметр ДУ — ток смещения ∆Iвх, представляющий собой разбаланс (разность) входных токов покоя. В реальном ДУ ∆Iвх можно представить через значения токов эмиттеров Iэ01, Iэ02 и коэффициентов усиления транзисторов по току В1 и В2 в следующем виде:

Наиболее неблагоприятный случай имеет место при Iэ01 > Iэ02 и B1 < B2 . Из (2.44) следует, что ток смещения уменьшается при снижении рабочих токов ДУ и увеличении коэффициентов В. Протекая через сопротивление источника сигнала, ток смещения на нем создает падение напряжения, действие которого равносильно ложному дифференциальному сигналу. Поэтому естественными представляются усилия, направленные на снижение ∆I вх в ДУ.

Средний входной ток Iвх ср также является точностным параметром ДУ. Средний входной ток значительно больше тока смещения. Протекая через сопротивление источника сигнала, он создает на нем падение напряжения, действующее как синфазный входной сигнал. Хотя и ослабленное в Кu сф раз, это напряжение все же вызывает на выходе ДУ разбаланс потенциалов.

2.8. Операционные усилители

Операционный усилитель — это высококачественный интегральный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом, предназначенный для работы в схемах c цепями обратных связей. Название усилителя обусловлено первоначальной областью его применения — выполнение различных операций над аналоговыми сигналами (сложение, вычитание, интегрирование и др.). В настоящее время операционные усилители (ОУ) выполняют роль многофункциональных узлов при реализации разнообразных устройств электроники различного назначения;

102

применяются для усиления, ограничения, перемножения, частотной фильтрации, генерации, стабилизации сигналов в аналоговых и цифровых устройствах.

Идеальный ОУ имеет бесконечно большой коэффициент усиления по напряжению, бесконечно большое входное сопротивление, нулевое выходное сопротивление, бесконечно большой КООС и бесконечно широкую полосу пропускания. Естественно, на практике ни одно из этих свойств не может быть осуществлено полностью, однако, к ним можно приблизиться с достаточной для многих областей применения точностью.

На рис. 2.41, а дано упрощенное обозначение ОУ без выводов для подключения источников питания, общей шины и внешних элементов, а на рис. 2.41, б приведены некоторые эти выводы. Кроме выводов для подключения напряжения питания здесь обозначены выводы частотной коррекции (ЧК), используемые в ОУ без внутренней коррекции. Если инвертирующий вход ОУ соединен с общей шиной и сигнал подан на инвертирующий вход (обозначен кружком), то выходной сигнал окажется сдвинутым на 180 °, т.е. произойдет инвертирование сигнала. Если с общей шиной соединен инвертирующий вход, а сигнал подан на неинвертирующий, то выходной сигнал окажется в одной фазе с входным сигналом. Таким образом, входной сигнал может быть подан лишь на один вход ОУ (инвертирующий или неинвертирующий).

Электропитание ОУ (как и ДУ) почти всегда осуществляется от двухисточниковсодинаковым(помодулю) напряжением(+E и–E) и

Рис. 2.41. Обозначение ОУ по ЕСКД (а), вариант ОУ с выходами (б)

103

общей точкой. На практике ОУ обычно охватывается глубокой ООС, для подключения которой используется инвертирующий вход.

Основной параметр ОУ, как и любого усилительного устройства, — коэффициент усиления. Прежде всего, это коэффициент усиления по напряжению без обратной связи Кu оу . Этот параметр иногда называют полным коэффициентом усиления по напряжению. На низких и средних частотах его часто обозначают Кu оуо и он может достигать нескольких десятков тысяч.

Весьма важные параметры ОУ — точностные: напряжение смещения нуля, его температурная чувствительность, ток смещения и средний входной ток. Все эти параметры определяются входным каскадом ОУ, и их величины желательно предельно уменьшать.

Входные и выходные цепи ОУ представляются входным Rвх оу и выходным Rвых оу сопротивлениями. Обычно эти параметры приводятся для ОУ без цепей ООС. Чаще всего желательно повышать Rвх оу и снижать Rвых оу. Выходную цепь ОУ представляют также та-

кие параметры, как максимальный выходной ток ( I выхоу ≤ 20 мА) и минимальное сопротивление нагрузки Rнmin ≥ 1 кОм), а иногда и

максимальная емкость нагрузки. Входная цепь ОУ может быть представлена входной емкостью, т.е. емкостью между входными выводами и общей шиной.

Среди параметров ОУ отметим КООС и коэффициент ослабления влияния нестабильности источника питания KOBHП = 20lg ∆Е/∆Uсм . Оба эти параметра в современных ОУ имеют свои значения в пре-

делах 60...120 дБ.

К частотным параметрам ОУ относится граничная частота единичного усиления или абсолютная граничная частота fт (или f1), т.е. частота сигнала, при которой Кu оу = 1. Кроме того, иногда используются параметры, представляющие собой скорость нарастания и время установления выходного напряжения. Эти параметры определяются по реакции ОУ на воздействие скачка напряжения на входе.

Важнейшими характеристиками ОУ являются его амплитудные (передаточные) характеристики, представленные на рис. 2.42 в виде двух зависимостей Uвых = f(Uвх). Одна из этих зависимостей соответствует инвертирующему, а другая — неинвертирующему входам ОУ. Когда на обоих входах ОУ Uвх = 0, то на выходе будет присутствовать напряжение ошибки Uош, определяемое точностными параметрами (на рис. 2.42 Uош не показано ввиду его мало-

104

сти). Наличие Uош иногда может существенно изменять амплитудную характеристику ОУ.

Амплитудную характеристику ОУ несколько условно можно разделить на наклонный и горизонтальный участки. Рабочий участок —

наклонный (линейный) участок характеристики, угол наклона которого определяется значением Кu оу . При изменении Uвх для горизонтального участка характеристики выходное напряжение остается постоянным. Это напряжение Uвых max — максимальное выходное напряжение ОУ. Иногда Uвых max для инвертированного и неинвертированного сигналов различаются по значению (напри-

мер, для ОУ К140УД5А). Обычно значения Uвых max ненамного меньше напряжения питания E.

ЧастотныесвойстваОУпредставляютсяегоАЧХ, припостроениикоторойКu oy приводитсявдБ, ачастотаоткладываетсяпогоризонтальной осивлогарифмическоммасштабе. ТакуюАЧХОУпринятоназыватьлогарифмической амплитудно-частотной характеристикой (ЛАЧХ). РассмотримЛАЧХОУ, котораявобщемслучаепредставляется характеристикой обычного УПТ. На рис. 2.43 приведена типовая ЛАЧХ для ОУ К140УД10; спадимеетместотольковобластивысокихчастот.

Используя (2.16) и (2.10), можно представить модуль Кu oy в следующем виде:

105

Выражение (2.46) представляет собой запись ЛАЧХ. При низких и средних частотах коэффициент усиления ОУ равен 20lgKu оуо, т.е. ЛАЧХ — это прямая линия, параллельную оси частот. С повышением частоты Ku оу начнет уменьшаться за счет влияния второго члена в правой части (2.46). С некоторым приближением можно считать, что на высоких частотах спад Ku оу происходит со скоростью 20 дБ/дек, т.е. возрастание частоты в 10 раз приводит к уменьшению Ku оу на 20 дБ. Действительно, при ω >> ωв можно упростить подкоренное выражение в правой части (2.46). При этом получим:

Таким образом, ЛАЧХ и ОВЧ представляется прямой линией с наклоном к оси частот — 20 дБ/дек. Точка пересечения рассмотренных прямых, представляющих ЛАЧХ ОУ, соответствует частоте сопряжения ωв( fв) .

Отметим, что спад Ku оу иногда представляется дБ/октава. Октавой называется изменение частоты в два раза. Cпад 20 дБ/дек соответствует 6 дБ/октава. Такая скорость спада характерна и для простых RC-фильтров НЧ и для скорректированных ОУ.

Реальная ЛАЧХ ОУ несколько отличается от вида на рис. 2.43. Это отличие имеет максимальное значение в 3 дБ на частоте fв (пунктир на рис. 2.43). Однако для удобства анализа ЛАЧХ ОУ обычно аппроксимируют прямолинейными отрезками. Такие графики называют диаграммами Боде.

Следует различать ОУ с внутренней и внешней коррекцией. В ОУ с внутренней коррекцией за счет специальных RC-цепей, выполненных в одном полупроводниковом кристалле со всем усилителем, обеспечен спад Ku оу ≈ дБ/дек. Для ОУ с внешней коррекцией необходимый спад Ku оу получают за счет подключения внешних RC-цепей к специальным выводам.

К ОУ с внутренней коррекцией относятся ИМС: К140УД6,

К140УД8, К140УД12, К140УД13, К154УД1, К544УД1, К544ДУ2,

К574УД1 идр. ВтакихОУдляобластиспадаЛАЧХможнорассчитать Ku оу на заданной частоте f по следующей формуле: Ки оу = fт / f . Подставиввэтуформулуfв вместоf, получиммаксимальноезначениеKu оуо.

106

Среди усилителей, выполненных на основе ОУ, наиболее часто используются инвертирующий и неинвертирующий варианты. Нa рис. 2.44 приведена принципиальная схема инвертирующего усилителя на ОУ. Цепи электропитания, частотной коррекции и другие вспомогательные цепи здесь для простоты восприятия не показаны. Входной сигнал подан на инвертирующий вход, следовательно, Uвых будет находиться в противофазе с входным напряжением. Резистор R1 соответ-

ствует сопротивлению источника сигнала Rг. Неинвертирующий вход соединен с общей шиной через резистор R2. Нетрудно показать, что и рис. 2.44 ОУ охвачен параллельной ООС по направлению указанной стрелки (цепью резистора Rос).

Если положить, что здесь используется идеальный ОУ, то разность напряжений на его входе должна стремиться к нулю. Поскольку неинвертирующий вход соединен с общей шиной, потенциал на инвертирующем входе (в точке А) тоже должен быть равен нулю. Точку А принято называть «кажущейся землей» или «точкой виртуального нуля». В результате появляется возможность записать для токов в рассматриваемой схеме на идеальном ОУ: Iг = Ioc, т.е. Eг / R1 = –Uвых/Roc. Отсюда получим выражение для коэффициента усиления инвертирующего усилителя по напряжению:

Выражение (2.48) повторяет общую запись для Ku ос при глубокой параллельной ООС по напряжению (2.32). Знак «–» в (2.48) указывает на инвертирование сигнала. Таким образом, для идеального ОУ Кu инв определяется отношением внешних резисторов.

Для реального ОУ использование (2.48) приводит к появлению

погрешностей в расчете Кu инв. Чем больше в ОУ Кu оу и Rвх оу, тем меньшую погрешность дает использование этой формулы. Так, при

107

Кu оу = 103, Rвх оу = 10 кОм, Rос = 100 кОм, R1 = 1 кОм, погрешность в определении Кu инв по (2.48) составит примерно 9 %, а при Кu оу = 105

(остальные параметры те же) — менее0,1 %. Обычнодопускаетсяис-

пользование (2.48) при 10 Кu инв < Кu оу (т.е. при глубине ООС F > 10), что справедливо для большинства практических случаев.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя на ОУ Rвх инв имеет относительно небольшую величину и определяется параллельной ООС. Для Rвх инв можно записать:

Rвх инв = R1 + (Rос / Кu оу +1) Rвх оу ≈ R1 . (2.49)

Из (2.49) следует, что при больших Кu оу сопротивление Rвх инв определяетсявнешнимрезисторомR1 . Рекомендуется, чтобыR1 ≤ 10 кОм.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя на реальном ОУ Rвых инв отличается от нуля, новое же невелико и определяется как небольшим Rвых оу , так и глубокой ООС по напряжению. Для Rвых инв при F > 10 можно записать:

Rвых инв = Rвыхоу / F = Rвыхоу Киинв / Кu оу. (2.50)

Из (2.50) следует, что выходное сопротивление снижается пропорционально уменьшению Кu инв.

Для реального ОУ на выходе усилителя при Uвх = 0 всегда будет присутствовать напряжение ошибки Uош , которое порождается двумя точностными параметрами входного каскада ОУ: Uсм и ∆Iвх. С целью снижения Uош стремятся, чтобы общие эквиваленты резисторов, подключенные ко входам ОУ, были равны. Так, для схемы (рис. 2.44) необходимо, чтобы

С целью снижения Uош можно осуществить установку нуля на выходе усилителя с помощью специальной схемы смещения, которая подает на инвертирующий вход ОУ небольшое напряжение, компенсирующее на выходе Uош . Этот метод предполагает нали-

108