Диапазон изменения синфазных входных напряжений ..…. ±10в

Диапазон изменения выходного напряжения ...…….....±10В

Скорость нарастания выходного напряжения .……..... 0,06 В/мкс

Напряжение источника питания U_n ........................................ ± 15 В

Ток потребления I_пот ..............…………………………........... 6 мА

Дадим определения тем параметрам, которые еще не встреча­лись или смысл которых не ясен из названия.

Напряжение смещения нуля – напряжение, которое необхо­димо приложить ко входам ОУ для того, чтобы на его выходе полу­чить нулевое напряжение. Дело в том, что из-за неидеальности ха­рактеристик на выходе при отсутствии входного сигнала появляется некоторое напряжение, которое может быть принято за сигнал. Для коррекции нуля (балансировки) предусмотрен специальный вывод.

Входной ток – ток, текущий в цепи входной электрод-земля при отсутствии сигнала и при сбалансированной схеме.

Частота единичного усиленияf₁ – частота, при которой коэффи­циент усиления по напряжению равен единице: . Частота, при которойуменьшается до уровня 0,7 от значения приf = 0 (как в биполярном транзисторе), называется предельной (f_np). В области от 2f_np до f₁ действует соотношение (5.126) K_u(f)f= f_n.

Скорость нарастания выход­ного напряженияопреде­ляется при подаче на вход ска­чкообразного напряжения сиг­нала. Чем большеf₁, тем мень­ше время нарастания и выше скорость нарастания.

Для ОУ одной из важнейших является амплитудная (переда­точная) характеристика – зави­симость величины выходного сигнала от величины разност­ного (дифференциального) сиг­нала на входе. Передаточная характеристика идеального ОУ линейна и проходит через начало координат (рис. 10.20). Однако ре­альная характеристика (штриховая линия) сдвинута вправо или вле­во на величину, называемую напряжением смещения нуля . Зна­чениеобычно составляет несколько милливольт и в случае необ­ходимости может быть сведено к нулю. После коррекции нуля возмо­жно смещение во времени только из-за изменения температуры и не­стабильности напряжения источников питания. Линейность переда­точной характеристики нарушается, когда уровень выходного сигнала приближается к напряжению источников питания.

10.6.2. Два основных включения операционного усилителя

Несмотря на то что ОУ имеет очень высокий коэффициент уси­ления, практическое его использование для усиления сигнала не­возможно по двум причинам. При большом коэффициенте усиления линейный участок передаточной характеристики на рис. 10.20 ограничен весьма малым напряжением входного сигнала. Как только входной сигнал выходит за пределы этого участка, наблюдается сильное ограничение выходного сигнала. Вторая причина связана с тем, что коэффициент усиления изменяется от экземпляра к экземп­ляру ОУ в широких пределах и к тому же очень сильно зависит от ре­жима работы, в первую очередь от температуры. Влияние этих при­чин практически удается устранить путем добавления в ОУ внешних цепей отрицательной обратной связи (ООС). Применяя различные варианты цепи ООС, можно обеспечить не только функцию усиле­ния, но и другие функции, т.е. обеспечить многофункциональность схем с использованием ОУ.

Существуют два основных включения ОУ с внешними ООС: неин­вертирующее и инвертирующее. Принято в ОУ называть неинверти­рующим тот вход, фаза сигнала на котором совпадает с фазой выход­ного сигнала. На условном обозначении (см. рис. 10.18) он отмечен знаком «плюс». Тогда второй вход ОУ следует называть инвертирую­щим, так как в случае дифференциального входного каскада напря­жение на этом входе будет вызывать изменение выходного напряже­ния в противоположной фазе. Инвертирующий вход обозначается знаком «минус» или кружком.

Схема неинвертирующего включения ОУ в ООС показана на рис. 10.21. Входной сигнал (для примера положительный) подается на неинвертирующий вход ОУ (между ним и землей). Второй (инвертирующий) вход соединен с делителем напряже­ния на резисторах и. Поэтому часть выходного напряжения оказывается приложенной между инвертирующим входом и землей. Это напряжение и называется на­пряжением обратной связи. Таким образом, между входами ОУ действует алгебраическая сумма напряжений входного сигналаи напряжения обратной связи:

(10.57)

где называется коэффициентом обратной связи, так как он показывает, какая часть выходного напряжения поступа­ет через цепь обратной связи во входную цепь ОУ. Относительно земли напряженияиодинаковы по знаку (или по фазе в слу­чае синусоидального сигнала), поэтому непосредственно на вход ОУ поступает разностное напряжение. Ослабление сигнала на входе усилителя и называется эффектом отрицатель­ной обратной связи.

Выходное напряжение ОУ

(10.58)

где – паспортный коэффициент усиления ОУ без обратной связи. Коэффициент усиления схемы ОУ с отрицательной обратной связью для подведенного сигнала , а не действующего между входами ОУ получим из (10.58):

(10.59)

Из (10.59) видно, что <, так как на входе ОУ действует теперь не напряжение , а меньшее напряжение. В ОУ значениеочень велико (достигает 10⁶), поэтому >> 1 и вме­сто (10.59) можно записать

(10.60)

Таким образом, коэффициент усиления схемы определяется только параметрами цепи отрицательной обратной связи и практи­чески не зависит от и его нестабильности. Эффект стабилизации получен ценой потери коэффициента усиления сигнала. Другими словами, введение ООС позволяет стабилизировать коэффициент усиления схемы. Действительно, если по какой-то причине уменьшается, то одновременно при том же поступающем сигнале уменьшаютсяиU_oc, что приводит к росту разности на входах ОУ. Последнее вызовет увеличение, т.е. приведет к компенсации первоначального уменьшения, вызванного пони­жением коэффициента усиления самого ОУ.

Следует отметить, что стремится к нулю при. Таким образом, можно считать, что. Поэтому вместо (10.57) можно записатьи сразу получить (10.60). Прибли­жение, означаю­щее, что напряжение меж­ду входами ОУ можно пра­ктически считать близким к нулю, широко использу­ется при анализе различ­ных схем на основе ОУ.

Применение ООС в данной схеме приводит к увеличению входного сопротивления меж­ду входами ОУ (дифференциальное входное сопротивление). Дей­ствительно, из-за уменьшения величины () снижается ток между входами, а следовательно, входное сопротивление становит­ся значительно больше, чем входное сопротивление самого ОУ (без обратной связи), приводимое в справочнике. Входное сопротивле­ние при ООС

В идеальном ОУ , следовательно,.

Выходное сопротивление схемы с инвертирующим включением меньше, чем у ОУ без ООС:

При . Если, то. Заметим еще раз, что повышение входного и понижение выходного сопротивлений явилось результатом применения ООС.

Неинвертирующее включение ОУ используется в тех случаях, когда необходимо согласовать источник сигнала, обладающий вы­соким внутренним сопротивлением, с устройством обработки сигна­ла, имеющим низкое входное сопротивление. При этом будет сохра­няться фаза сигнала, как в повторителях напряжения.

Схема с инвертирующим включением ОУ с ООС приведена на рис. 10.22.

Сигнал от генератора прикладывается к инвертирующему входу через резистор . Сигнал обратной связи с выхода на инвертирую­щий вход поступает через резистор. Однако в отличие от преды­дущей схемы происходит алгебраическое сложение токов, а не на­пряжений. Входной ток инвертирующего входа . Считая входное сопротивление ОУ бесконечно большим, т.е., полу­чаем. Токи, протекающие черези, примерно одинако­вы. Напряжение на входе ОУ, поэтому

;

Отсюда легко получить коэффициент усиления схемы

Знак «минус» означает, что полярности (или фазы) выходного и входного сигна­лов противоположны. Коэффициент усиления зависит только от отношения сопротивлений и, что делает его стабильным.

Входное сопротивление схемы, как правило, невелико. Это является недостатком схемы с инвертирующим включением ОУ. Преимущество этой схемы – более низкое выходное сопротивление по сравнению с ОУ без отрицатель­ной обратной связи. Анализ показывает, что. При.

Взаключение сравним передаточные характеристики двух схем включения ОУ (рис. 10.23). Передаточная характеристика схемы с инвертирующим включением расположена во втором и четвертом квадрантах, так как она отражает инвертирование сигнала, а схемы с неинвертирующим включением – в первом и третьем. Линейные участки характеристик соответствуют большему входному сигналу при том же, чем в ОУ, из-за снижения коэффициента усиления(<<) в результате действия ООС.

Важной является также амплитудно-частотная характеристика ОУ с отрицательной обратной связью – зависимость коэффициен­та усиления схемы включения ОУ в ОСС от частоты сигнала. На рис. 10.24 она приведена для ОУ с одним каскадом усиления при различных значениях коэффициента усиления. Значения и частоты откладываются в логарифмическом масштабе, чтобы охватить большой диапазон этих зна­чений. Кривая 1 соответствует АЧХ од­нокаскадного ОУ без обратной связи (). При наличии ООС АЧХ опус­каются (кривые 2, 3). Как и в транзисто­рах, частоту, на которой происходит уменьшениевраз (на 3 дБ), на­зывают предельной (). На частотах выше предельной АЧХ совпа­дает с АЧХ ОУ без обратной связи (с ее линейной падающей частью при лога­рифмическом масштабе по обеим осям). Так какс ростом частоты коэффициента обратной связи увеличивает­ся, то говорят, что полоса пропускания (усиления) возрастает по сравнению с ОУ без обратной связи, но ценой потери коэф­фициента усиления: во сколько раз выиг­рываем в полосе,во столько же раз теряем в коэффициенте усиления. Нетрудно пока­зать, что припроизведение коэффи­циента усиления на текущую частоту оста­ется постоянным, как в схеме включения с общим эмиттером биполярного транзисто­ра (5.12б). Значениесоответствует ча­стоте единичного усиления.

Следует отметить, что в случае двухкаскадного ОУ наблюдаются два излома АЧХ, которые происходят из-за различия предельных частот каскадов (рис. 10.25). Для однокаскадного ОУ спад составля­ет 20 дБ/декада, для двухкаскадного на высоких частотах достигает 40 дБ/декада (декада соответствует изменению частоты в 10 раз). Такой большой наклон АЧХ сопровождается значительным сдвигом фазы. Если при сдвиг фазы на какой-то частоте превысит 360°, то возможна паразитная генерация колебаний: переход из ре­жима усиления в режим генерации. В схемах с ОУ приходится преду­сматривать коррекцию АЧХ и фазочастотной характеристики, чтобы избежать генерации колебаний.

1 Пара в латинском языке против.