Параметры и характеристики ОУ

Передаточные характеристики ОУ. Передаточные (амплитудные) характеристики ОУ представляют собой две кривые, соответствующие инвертирующему и неинвертирующему входам.

а) б)

Рис.9.4. Передаточные характеристики ОУ

Режимам насыщения выходного каскада ОУ соответствуют горизонтальные участки характеристики U⁺_{ВЫХ мах} и U^-_{ВЫХ мах}, близкие к напряжению источников питания. Наклонный участок кривых соответствует зависимости U_ВЫХ= К (U_ВХ), угол наклона соответствует коэффициенту усиления по напряжению. Этот участок называется областью усиления. Обычно величина К лежит в пределах 10⁴…10⁶. К примеру, для ОУ типа К140УД7 не менее 45000.

В идеальном ОУ при нулевом входном сигнале на выходе сигнал отсутствует (баланс ОУ). В реальных усилителях наблюдается разбаланс ОУ. Значение напряжения U_ДИФ, при котором выполняется условие U_ВЫХ=0, называют напряжением смещения U_СМ. Для операционного усилителя К140УД7 (аналог LM741) напряжение смещения лежит в диапазоне от ±4,5 мВ. Для усилителей с большим коэффициентом усиления это может быть серьезной проблемой: если результирующий коэффициент усиления равен 1000, то один милливольт входного смещения проявится как один вольт напряжения на выходе.

Когда усилитель предназначен для работы только с переменными сигналами, на выходе используется разделительный конденсатор, который отсечет любое смещение по постоянному току, и все будет в порядке, пока смещение не уведет точку покоя так далеко, что выходные колебания будут ограничиваться.

Для того, чтобы при нулевом усиливаемом сигнале напряжение на выходе было равным нулю, т.е. для того, чтобы передаточная характеристика проходила через начало координат, предусматривают меры по компенсации напряжения смещения. В некоторых ОУ для компенсации напряжения смещения предусмотрены специальные выводы. Типовая схема включения ОУ К140УД7, в котором предусмотрены такие выводы, показана на рис.9.5.

Рис.9.5. Схема балансировки для ИС К140УД7

Частотные характеристики ОУ. Вследствие наличия паразитных емкостей и многокаскадной структуры ОУ по своим свойствам аналогичен фильтру нижних частот высокого порядка. Типичная частотная характеристика ОУ без частотной коррекции приведена на рис.9.6.

Рис.9.6. Типовая АЧХ и ФЧХ ОУ

Выше частоты ƒ₁ частотная характеристика определяется инерционным звеном с минимальной граничной частотой. Коэффициент усиления в этой области падает (наклон –20 дБ/декада), а фазовый сдвиг выходного напряжения относительно входного достигает φ=-90°. Это означает, что выходное напряжение отстает от входного на 90°. Выше частоты ƒ₂ начинает действовать второй фильтр нижних частот, коэффициент усиления уменьшается сильнее (наклон –40 дБ/декада), а фазовый сдвиг достигает φ=–180°. Это означает, что инвертирующий и неинвертирующий выходы фактически поменялись ролями, и отрицательная обратная связь, которая обычно используется в усилителях в этой частотной области становится положительной. В этом случае могут возникнуть условия баланса амплитуд и баланса фаз (эти условия подробно будут рассмотрены при анализе схем автогенераторов), и в схеме возникнут автоколебания.

Для устранения этого явления используется частотная коррекция. Она осуществляется подключением внешних цепей к входам FC или выполняется конструктивно встроенной в схему ОУ. АЧХ и ФЧХ ОУ, скорректированного по частоте, представлен на рис.9.7. Очевидно, что для самого неблагоприятного случая не возникает условий возникновения автоколебаний. Схема подключения внешней коррекции для усилителя LM748 приведена рис.9.8.

Можно отметить, что из-за наличия частотной коррекции полоса пропускания разомкнутого ОУ сужается. Однако так как ОУ используются в усилительных схемах с отрицательной обратной связью (ООС), то введение ООС расширяет частотный диапазон (рис.9.9).

Рис. 9.7. АЧХ и ФЧХ ОУ с полной частотной коррекцией и без нее

Рис.9.8. Подключение конденсатора коррекции и резистора балансировки к ОУ LM748.

Рис.9.9. Частотные характеристики ОУ К140УД7 при различных значениях коэффициента усиления с обратной связью

Хотя в простых схемах с минимумом внешних компонентов и осуществляют внутреннюю коррекцию, это накладывает ненужное ограничение на ширину полосы пропускания усилителя с коэффициентом усиления напряжения больше единицы. Происходит это потому, что внутренняя коррекция должна быть достаточной для обеспечения устойчивости схемы, в режиме повторителя напряжения (с единичным коэффициентом усиления). Устойчивость могла бы быть достигнута и при больших коэффициентах усиления с меньшим ослаблением на высоких частотах, но фиксированная коррекция в ОУ, подобных К140УД7, означает, что жертвуют шириной полосы, в пределах которой коэффициент усиления больше единицы. Использование ОУ с ООС для различных коэффициентов усиления показано на рис.9.9. Например, при коэффициенте усиления, равном 100, частотная характеристика падает приблизительно на 3 дБ (ширина полосы измеряется на уровне –3дБ) на частоте 10кГц. Это значение не соответствует требованиям, которые в большинстве случаев предъявляются к аппаратуре звукового диапазона; следовательно, для получения приемлемого качества коэффициент усиления одиночной ИС К140УД7 с обратной связью в устройствах звукового диапазона должен быть ограничен значением порядка 20.

Для расширения частотного диапазона необходимо использовать ОУ, имеющие более высокую частоту единичного усиления или применять ОУ с внешней коррекцией.

Основные характеристики ОУ можно разделить на две группы: статические и динамические. К статическим относятся характеристики, определяющие работу ОУ в установившемся режиме:

коэффициент усиления по напряжению К = ΔU_ВЫХ /ΔU_ВХ;

напряжение смещения U_СМ – это напряжение, которое нужно приложить ко входу ОУ, чтобы сделать U_ВЫХ = 0;

входные токи I_ВХ+ и I_ВХ- – это токи, протекающие через входные цепи ОУ;

разность входных токов ΔI_ВХ- = I_ВХ+ – I_ВХ-;

температурный коэффициент напряжения смещения ΔU_СМ/ΔТ;

температурный коэффициент разности входных токов ΔΔI_ВХ/ΔТ;

коэффициент ослабления синфазного сигнала К_ОСС – это отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту усиления синфазного сигнала К_ОСС = К_ДИФ /К_СФ;

максимальный выходной ток I_{ВЫХ мах}.

Часто в числе основных параметров ОУ используются входной и выходной импеданс R_ВХ и R_ВЫХ.

Динамические характеристики ОУ описываются обычно двумя параметрами: предельной частотой (частотой единичного усиления) ƒ_ПР = ƒ₁ и максимальной скоростью нарастания выходного напряжения V_{UВЫХ мах}. Эти параметры взаимосвязаны и во многом зависят от цепей частотной коррекции.

Идеальный операционный усилитель имеет следующие характеристики:

входной импеданс (для дифференциального и синфазного входного сигнала) равен бесконечности, а входные токи – нулю;

выходной импеданс (при разомкнутой ОС) равен нулю;

коэффициент усиления по напряжению равен бесконечности;

коэффициент усиления синфазного входного сигнала равен нулю;

выходное напряжение равно нулю, когда напряжение на обоих входах одинаково (напряжение сдвига равно нулю);

выходное напряжение может изменяться мгновенно (бесконечная скорость нарастания и бесконечная частота единичного усиления).

Перечисленные характеристики не зависят от температуры и изменений напряжения питания.

Классификация ОУ

Операционные усилители, выпускаемые в настоящее время, можно разделить на несколько групп по совокупности их параметров.

1. Универсальные или общего применения (К = 10³…10⁵, ƒ_ПР = 1…10МГц, U_СМ > 0,5мВ) используются для построения узлов аппаратуры, имеющих суммарную приведенную погрешность на уровне 1%. Характеризуются относительно малой стоимостью и средним уровнем параметров.

2. Прецизионные или инструментальные (К > 0,5·10⁶, U_СМ < 0,5мВ) применяются для усиления малых электрических сигналов, сопровождаемых высоким уровнем помех, и характеризуются малым значением напряжения смещения и его температурным дрейфом, большими коэффициентами усиления и подавления синфазного сигнала, большим входным сопротивлением и низким уровнем шумов. Как правило, имеют невысокое быстродействие.

3. Быстродействующие или широкополосные (V_{UВЫХ мах} > 20 В/мкс, ƒ_ПР >16МГц) используются для преобразования быстроизменяющихся сигналов. Они характеризуются высокой скоростью нарастания выходного сигнала, малым временем установления, высокой предельной частотой, а по остальным параметрам уступают ОУ общего назначения.

4. Микромощные ОУ(I_ПОТР < 1 мА) необходимы в случаях, когда потребляемая мощность жестко лимитирована, например в приборах с автономным питанием.

5. ОУ с малым входным током (I_ВХ < 100пА) используют входной каскад на полевых транзисторах.

6. Многоканальные ОУ имеют параметры, аналогичные усилителям других типов. Отличие в том, что в одном корпусе размещают два или четыре ОУ. Многоканальные ОУ служат для улучшения массогабаритных параметров и снижения энергопотребления аппаратуры.

7. Мощные и высоковольтные ОУ (I_ВЫХ ≥ 100мА, U_ВЫХ ≥ 15В) – усилители с выходными каскадами, построенными на мощных высоковольтных элементах.

8. ОУ с гальванической развязкой

В табл.9.1 приведены сравнительные данные для некоторых типов ОУ из различных групп.

Таблица 9.1

Характеристики операционных усилителей

ГЛАВА 10