Часть11 схемотехника на основе операционных усилителей

Глава 8. Операционный усилитель и его параметры

В настоящее время операционным усилителем (ОУ) называют усилитель напряжения, имеющий в частотной полосе от нуля до нескольких десятков килогерц постоянный коэффициент усиления 10³ и более и обеспечивающий согласование входного и выходного напряжений (нулевому дифференциальному напряжению на входе соответствует с некоторой погрешностью нулевое выходное напряжение).

Идеальный операционный усилитель должен иметь бесконечно большие коэффициент усиления по напряжению‚ входное и нулевое выходное сопротивление‚ бесконечную полосу пропускания и не иметь собственного шума, статических и дрейфовых ошибок.

Современные ОУ (рис. 8.1), выпускаемые промышленностью‚ относительно дешевы и обладают основными параметрами‚ близкими к параметрам идеального ОУ. Этим объясняется их большая популярность.

Сигнал на выходе идеального ОУ U_вых(t) определяется разностью входных сигналов (так называемым дифференциальным‚ или парафазным‚ входным сигналом У_д=U_вх2-U_вх1) и дифференциальным коэффициентом усиления операционного усилителя К_д (для краткости иногда его называют коэффициентом усиления 0У):

U_вых(t) =K_дV_д (8.1)

Вход ОУ‚ обозначенный на рис. 8.1 знаком «-», называют инвертирующим входом (U_вых=-K_дU_вх1 при U_вх2 =0), а вход «+»-неинвертирующим (U_вых=K_дU_вх2 при U_вх1=0)

Из соотношения (8.1) следует‚ что если на обоих входах присутствует одинаковый входной сигнал (так называемый синфазный входной сигнал V_с=U_вх1=U_вх2)‚ то у идеального ОУ U_вых(t)=0.

8.1. Статические параметры оу

Идеальные ОУ являются физически нереализуемыми. Практически к их свойствам можно лишь в той или иной мере приблизиться. Проанализируем отличие (на постоянном токе) реального ОУ от идеального (рис. 8.2). На рисунке пунктиром обозначены входные дифференциальный (V_вх) и синфазный (Е_с) сигналы, а также эквивалент нагрузки. Параметры, которые характеризуют качество ОУ, весьма многообразны. Приведем основные из них.

Коэффициент усиления К_д - отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению дифференциального входного напряжения при работе усилителя на линейном участке передаточной характеристики U_вых=f(V_вх). Интегральные ОУ имеют К_д=10³—10⁶.

ЭДС смещения (e_см0) - дифференциальное входное напряжение‚ при котором выходное напряжение усилителя равно нулю. Максимальное по модулю значение e_см0 для ОУ‚ входные каскады которых выполнены на биполярных транзисторах составляет 3-10 мВ. Если входные каскады реализованы на полевых транзисторах то е_смо обычно на порядок выше и составляет 30-100 мВ (у идеального ОУ e_см0=0).

Смысл (e_см0 и К_д легко проиллюстрировать на передаточной характеристике ОУ- зависимости выходного напряжения в функции от входного (рис. 8. 3). Если оба входа ОУ заземлены, т. е. U_вх=0, то на выходе, как следует из рисунка; имеется некоторое напряжение -V_вых (кривая 2) , либо V_вых (кривая 2'). (Его величина определяется степенью не идентичности плеч дифференциального усилителя, стоящего во входной цепи ОУ.) Это напряжение пересчитывается через коэффициент усиления ОУ К_д во входное напряжение смещения нуля e_см0 (либо -e_см0). Коэффициент усиления определяется в виде тангенса угла наклона, образованного линейным участком передаточной характеристики и осью абсцисс.

Очевидно, влияние напряжения смещения на выходные параметры проектируемого усилителя можно свести к нулю (кривая 1 на рис. 8. 3), если на входе усилителя включить такую внешнюю ЭДС. которая бы строго компенсировала ЭДС смещения. Это и позволяет сделать схема балансировки, подключенная к определенным выводам ОУ. (Она приводится в справочниках на каждый ОУ.)

Коэффициент передачи синфазного сигнала Кс - отношение изменения выходного- напряжения к вызвавшему его изменению синфазного сигнала (у идеального ОУ К_с = 0) : К_с = U_вых/E_c. Обычно в справочниках дается не параметр К_с, а так называемый коэффициент ослабления синфазного сигнала М_с. Последний представляет собой отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту передачи синфазного сигнала: Мс = K_д/K_д. Для определения коэффициента ослабления синфазного сигнала на практике используется логарифмическая мера L_c = 20 lg[М_c]. Для интегральных ОУ L_c = 60—100 дБ. На эквивалентной схеме влияние синфазного сигнала на выходное напряжение учтено на входе ОУ посредством генератора U_с. Напряжение Uс легко может быть найдено, если известно максимальное значение синфазного сигнала Е_c и коэффициент ослабления синфазного сигнала:

U ⁼ К_с E_с/K_д = E_c/M_c = E_c 10^-Lc/20.

Отсюда следует, что минимальный уровень полезного сигнала между входами ОУ, который может быть обнаружен на фоне синфазных выходных ошибок, должен быть больше U_с.

Средний входной ток i_вх — среднеарифметическое значение токов инвертирующего и неинвертирующего входов усилителя, измеренных при таком входном напряжении, когда выходное напряжение ОУ равно нулю. Средний входной ток ОУ со входными каскадами на биполярных транзисторах обычно лежит в диапазоне 0,02—10 мкА. Такие малые значения i_вх достигаются за счет работы входных транзисторов при очень низких уровнях тока. Дальнейшее снижение входных токов (до 1 нА и менее) возможно при использовании полевых транзисторов во входных каскадах ОУ.

Разность входных токов i_вх — абсолютное значение разности токов двух входов усилителя, измеренных при нулевом напряжении на выходе ОУ:

i_вх=|i⁺_вх - i^-_вх|

Этот разностный ток в значительной мере говорит остепени симметрии входного каскада ОУ. Если i_вх близко к нулю, то влияние i⁺_вх и i^-_вх на выходное напряжение ОУ можно существенно уменьшать, устанавливая одинаковыми эквивалентные проводимости цепей, присоединенных соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам. Обычно i_вх составляет 20—50% от i_вх. Если же i_вх велико, то в случае высокоомного источника входных сигналов на его внутреннем сопротивлении возникает сигнал, который воспринимается усилителем как дифференциальный.

Входное сопротивление реального ОУ конечно. Различают входное сопротивление для дифференциального сигнала r_вх (часто его называют просто входным сопротивлением) и входное сопротивление для синфазного сигнала r_c.

Входное сопротивление r_вх — сопротивление со стороны одного из входов ОУ при заземленном другом. Из эквивалентной схемы следует r_вх= R_д║R⁺R_д либо r_вх=R_д║R^—R_д, так как R_д<<R⁺R^—. Входное сопротивление современных ОУ составляет 10⁴—10⁶ Ом и более в случае входного каскада на полевых транзисторах.

Входное сопротивление для синфазного сигнала r_c — отношение приращения синфазного напряжения к приращению среднего входного тока усилителя. Величина r_с обычно на один-два порядка и более превышает величину r_вх. Из эквивалентной схемы r_c=(R⁺+R^-)/2.

Выходное сопротивление r_вых определяется так же, как и для любого другого усилителя. Его величина составляет 50—200 Ом.

Ряд параметров ОУ существенно зависят от температуры окружающей среды Т и напряжения источников питания Е. Поэтому справочными данными для них являются их абсолютные значения, задаваемые при определенной температуре То (как правило, при Т=273 К) и номинальных напряжениях источников питания, а также их температурные коэффициенты и коэффициенты влияния нестабильности источников питания. Наиболее существенно изменения Т и Е сказываются на напряжении смещения и входных токах.

Рассмотрим методику построения указанных параметров на примере напряжения смещения. Представим е_см в окрестности некоторой точки е_см0 в виде ряда Тейлора:

где Е₀⁺, Е₀^—. — номинальные значения положительного и отрицательного источников питания. Следовательно, напряжение смещения можно характеризовать следующими параметрами: e_см0 – напряжение смещения при номинальных значениях источников питания и «номинальной» температуре окружающей среды; К_Teсм – температурный коэффициент влияния; К_пе+ , К_пе– – коэффициенты влияния нестабильности источников питания соответственно Е⁺ и Е^–. (Часто влияние источников положительного и отрицательного питающих напряжений характеризуют одним коэффициентом влияния К_пе.)

Средний по диапазону температур дрейф e_см0 для интегральных ОУ со входными каскадами на биполярных транзисторах составляет обычно 5-20 мкВ/К, для усилителей, входные каскады которых реализованы на полевых транзистора – 20-100 мкВ/К. Коэффициент влияния нестабильности источников питания лежит в диапазоне210^-5–210^-4 В/В, или 20–200 мкВ/В. Аналогично вводятся температурные коэффициенты влияния и коэффициенты влияния нестабильности источников питания на средний входной ток, а также на разность входных токов.