1.6.   Параметры операционных усилителей

Возможности применения ОУ зависят от его электрических характеристик. Для полной характеристики ОУ необходимо учитывать более 30 параметров. Знание параметров ОУ, понимание степени их влияния на работу схемы позволяет не только выбрать наиболее подходящий тип ОУ для конкретной цели, но зачастую обходиться без дополнительных испытаний.

Коэффициент усиления ОУ ) равен отношению приращения выходного напряжения (тока) к вызвавшему это приращение входному сигналу (току) при отсутствии ОС (рис. 1.11, ,). Коэффициент усиления ОУ является функцией частоты и с ее увеличением падает. Частотная и фазовая характеристики ОУ складываются из характеристик отдельных внутренних каскадов, каждый из которых имеет свою собственную постоянную времени и может быть представлен в виде RC-цепочки.

Суммарная частотная характеристика ОУ аппроксимируется диаграммой Боде (рис. 1.11, а). Каждый каскад вносит фазовый сдвиг 90°, поэтому общий фазовый сдвиг зависит от количества каскадов и имеет вид (рис.1.11, а, кривая 2) . Поскольку на выходе ОУ уже имеется сдвиг фазы 180° относительно инвертирующего входа, на который подается отрицательная ОС, то на некоторой частоте суммарный сдвиг фазы достигает 360°. Если на этой частоте

К0 · β ≥ 1,

где β – коэффициент ОС, то отрицательная ОС превращается в положительную, что приводит к самовозбуждению схемы.

Частотная коррекция предотвращает самовозбуждение схемы. Для этого вводят специальные частотно-зависимые корректирующие цепи, которые снижают коэффициент усиления на высоких частотах, приближая характеристику ОУ к звену первого порядка (рис.1.12). Частотная коррекция может быть как внутренняя (140УД7, 544УД1), так и внешняя (553УД2, 140УД5).

Входное сопротивление (RВХ) определяется как отношение ∆UВХ/∆IВХ при заданной частоте сигнала. Фактически это сопротивление между входами ОУ. Необходимо помнить, что входное сопротивление ОУ и входное сопротивление схемы – это два разных понятия,

значения их могут отличаться на несколько порядков. Типовые значения RВХ на низких частотах для биполярных входов – 104 – 108Ом, для полевых – 107 – 1012Ом.

Выходное сопротивление (RВЫХ) – это внутреннее выходное сопротивление ОУ, которое можно определить как отношение напряжения холостого хода к току короткого замыкания (UХХ/IКЗ), и составляет для разных ОУ величину порядка десятков-сотенОм. Глубокая отрицательная обратная связь делает выходное сопротивление пренебрежимо малым (или очень большим в случае обратной связи по току). Типовые значения RВЫХ для ОУ широкого применения 100– 1000Ом.

Входной ток смещения (IВХ) ток, протекающий во входную цепь ОУ, необходимый для нормальной работы входных биполярных транзисторов (для полевых – ток утечки затвора). Под IВХ подразумевают среднее арифметическое двух токов IВХ+ и IВХ. Для ОУ разных типов входной ток смещения изменяется в широких пределах: для биполярных входных транзисторов – 10-5 – 10-8А, для полевых – 10-9 – 10-12А. В справочных данных обычно приводятся сильно завышенные значения IВХ.

Разность входных токов (ток сдвига) (ΔIВХ=|IВХ+– IВХ-|) определяется при заданном значении входного напряжения. Разность ΔIВХ вызывает на выходе ОУ некоторое смещение (приведенное ко входу оно составляет 1 – 5мВ и зависит от величины резисторов, подключаемых ко входам).

Напряжение смещения (UСМ) определяется как разность напряжений на входах, при котором UВЫХ=0 при оговоренных сопротивлениях резисторов, подключаемых к входам. Если значения этих резисторов стремятся к нулю, то напряжение смещения называют электродвижущая сила (ЭДС) смещения (EСМ). Для ОУ с биполярными транзисторами на входе UСМ зависит в основном от разброса напряжений (ΔUЭБ) эмиттерно-базовых переходов и составляет 1 – 10мВ. Для ОУ с полевыми транзисторами на входе UСМ обычно в несколько раз больше (до 30мВ), что объясняется их меньшей крутизной.

Если на оба входа ОУ, не охваченного отрицательной обратной связью, подать точно равные напряжения (наприм
ер, оба входа заземлить), на выходе, скорее всего, будет наблюдаться уровень, близкий к одному из питающих напряжений, то есть ОУ войдет в режим ограничения:

UВЫХ=UСМ · K0;

UВЫХ=10-2 ·105=1000 В>> EПИТ.

Для того чтобы при подаче равного напряжения на оба входа усилителя выходное напряжение было близко к нулю, ОУ необходимо сбалансировать. Балансировка ОУ обычно достигается подачей дополнительного тока в цепь коллекторов входного дифференциального усилителя (ДУ) с помощью переменного резистора, подключаемого к специальным выводам. Операционные усилители некоторых типов таких выводов не имеют и балансируются по входу.

Средний температурный дрейф напряжения смещения (∆UСМ/∆T)максимальное изменение UСМ при изменении температуры на 1 °C в оговоренном диапазоне температур. Измеряется в микровольтах на градус Цельсия (мкВ/°C). Типовые значения для биполярных входов 5 – 20мкВ/°C, для входов с полевыми транзисторами 20 – 100мкВ/°C. Если UСМ можно скомпенсировать до нуля, то с температурным дрейфом бороться сложнее. Входной ток (IВХ) и разность входных токов (ΔIВХ) тоже изменяются с температурой.

Частота единичного усиления (f1) – это частота, на которой

|K0(f1)|=1.

Характерная зависимость коэффициента усиления от частоты приведена на рис.1.11, а и 1.12, где логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) пересекает уровень 0дБ в точках f1.

Граничная частота (fГР) определяется как частота, на которой коэффициент усиления уменьшается на 3децибела:

|K(fГР)|=0,707|K(0)|.

Область частот 0– fГР называют полосой пропускания. Введение ООС расширяет полосу пропускания (см. рис.1.12, кривая 2).

Скорость нарастания выходного напряжения определяется как dUВЫХ/dt при воздействии импульса большой амплитуды. Измеряется в вольтах на микросекунду (В/мкс). Для разных ОУ меняется в пределах от 0,1В/мкс (прецизионные ОУ) до 100В/мкс (быстродействующие ОУ). Этот параметр становится важным, если ОУ используется в качестве компаратора (различителя) уровней сигналов в быстродействующих схемах.

Диапазон выходного напряжения (ΔUВЫХ) это диапазон значений выходного напряжения, при котором параметры ОУ лежат в гарантированных пределах. Зависит от напряжения питания. При несимметричном выходе верхняя и нижняя границы диапазона различны. Например, для операционного усилителя:

544УД2            ΔUВХ = 10 В при ЕП=±15 В (симметричный выход);

140УД5            ΔUВХ=+6 В/4 В при ЕП=±12 В (несимметричный выход).

Диапазон синфазных входных напряжений (ΔUВХ.СФ) это такой диапазон синфазных входных напряжений, в котором параметры ОУ лежат в гарантированных пределах. Зависит от напряжения питания. Примерно на 3 – 5В меньше ЕП.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала равен отношению синфазного входного напряжения к дифференциальному, вызывающих одно и то же UВЫХ. Измеряется в децибелах. Для разных ОУ изменяется в пределах от 50дБ (140УД5А) до 120дБ (140УД24).

Максимальный выходной ток (IВЫХ.MAX). Для ОУ, имеющих внутреннюю защиту от короткого замыкания по выходу, это выходной ток короткого замыкания в режиме ограничения; для ОУ без защиты от КЗ – предельный выходной ток, который нельзя превышать. Для разных ОУ изменяется в диапазоне 1– 400мА.

Существуют также другие параметры, характеризующие ток потребления, шумовые, температурные, частотные, фазовые, временные и другие свойства ОУ. В конкретных применениях любой из этих параметров может стать самым важным и определяющим выбор типаОУ.