4.2.2 Основные параметры операционного усилителя

Свойства ОУ полностью определяются набором параметров, которые приводятся в справочниках по микросхемам и определяют их качество.

Основными параметрами ОУ, как и любого усилителя, являются коэффициент усиления, полоса рабочих частот, динамический диапазон, входное и выходное сопротивления (см. описание к работе «Усилитель на биполярном транзисторе»).

ОУ усиливает разность сигналов, поступивших на его два входа, а именно, напряжение на выходе ОУ (рис.1) равно

(1)

где – коэффициент усиления операционного усилителя по напряжению.

Разность сигналов на входах ОУ называют дифференциальным входным сигналом или просто входным сигналом, то есть .

Коэффициент усиления ОУ зависит от частоты входного сигнала и его амплитуды. Зависимость от частоты – амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) – типична для усилителя постоянного тока и приведена на рис.2. Полоса усиления ОУ , где , а – частота единичного усиления, определяемая на уровне единичного усиления ( .

Kоу f

Рис.2. АЧХ операционного усилителя

uвх uд -Eк +Eк uвых 0 -uд

Рис.3. Передаточная характеристика ОУ

Зависимость от величины входного сигнала – амплитудная характеристика усилителя – определяет его динамический диапазон. Часто вместо амплитудной используют передаточную характеристику усилителя, которая представляет собой зависимость выходного напряжения от входного.

Она показана на рис.3. Как видно из рис.3, передаточная характеристика нелинейна и имеет области насыщения при . Для малых сигналов ( ) зависимость от линейна и наклон этой прямой равен коэффициенту усиления . Очевидно, если уровень входных сигналов по модулю приближается к , ( ), то усиление сопровождается искажением сигналов. Искажения выходного сигнала относительно входного за счет нелинейных свойств схемы называются нелинейными.

При выходное напряжение ОУ достигает насыщения, примерно равного напряжению источника питания , то есть практически не зависит от . В этом случае операционный усилитель работает в режиме ограничения сигнала.

Таким образом, только часть передаточной характеристики ( ) ОУ является рабочей областью для режима линейного усиления. При этом определяет максимально допустимую величину сигнала на входе – динамический диапазон усилителя. Поскольку существующие ОУ имеют , то наклон линейного участка относительно оси абсцисс велик ( ), а значит, динамический диапазон мал. Оценить динамический диапазон ОУ можно, подставив в (1), типовую величину ЭДС источника питания:

.

Значит, в линейном режиме операционный усилитель работает с сигналами, величина которых не превышает единиц милливольт.

Входное сопротивление ОУ лежит в пределах 10⁶¸10¹⁰ Ом. Выходное сопротивление составляет десятки-сотни Ом, поэтому подключение практически любой нагрузки, сопротивление которой превышает 10³ Ом, не влияет на параметры усилителя.

ОУ редко используются без подключения к ним дополнительных внешних цепей. Примером такого использования является компаратор (от to compare – сравнивать). Простейший компаратор имеет схему, показанную на рис.1, когда на неинвертирующий вход ОУ подается опорное напряжение , а на инвертирующий вход поступает напряжение , уровень которого нужно сравнить с опорным сигналом.

Как следует из (1), при > напряжение на выходе схемы равно , а при < .

Компаратор является одним из основных элементов устройств преобразовательной техники: это составная часть аналого-цифровых преобразователей различного типа, систем контроля и диагностики и т. д.