1.9.   Параметры качества операционных усилителей

Параметры, описывающие качество ОУ, можно разделить на три группы: точностные, динамические и эксплуатационные.

К точностным параметрам относятся:

· дифференциальный коэффициент усиления по напряжению (KU);

· коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС);

· напряжение смещения нуля (UСМ);

· входной ток (IВХ);

· разность входных токов по инвертирующему и неинвертирующему входам (IР);

· коэффициент влияния источников питания (KВ.ИП);

· коэффициенты температурных дрейфов перечисленных параметров.

Действие точностных параметров проявляется в том, что при постоянных напряжениях на входах выходное напряжение ОУ отличается от расчетного, определяемого по выражению (1.5). Для сопоставления погрешности приводят к входу ОУ.

Определим погрешность ОУ, вносимую конечным значением дифференциального коэффициента усиления. Пусть на вход неинвертирующего усилителя с коэффициентом передачи звена обратной связи β подано постоянное напряжение UВХ. Выходное напряжение схемы при бесконечно большом KU определяется из соотношения:

UВЫХ = UВХ/ β.                                                      (1.12)

При конечном KU выходное напряжение будет отличаться на величину ΔUВЫХ:

UВЫХ + ΔUВЫХ =                                             (1.13)

Вычтя из выражения (1.13) выражение (1.12), получим:

ΔUВЫХ = .                                               (1.14)

Как следует из выражения (1.12), соответствующее отклонение, приведенное к входу, с точностью до величин второго порядка малости, равно:

ΔUВХ = ΔUВЫХ · β.

Отсюда находим окончательно относительную погрешность, приведенную к входу:

.                                        (1.15)

Из последнего выражения следует, что погрешность преобразования входного сигнала схемой на ОУ обратно пропорциональна коэффициенту петлевого усиления. Для гармонических сигналов можно получить аналогичное соотношение:

.                                       (1.16)

Погрешность, обусловленная синфазным входным напряжением ОУ, может быть определена следующим образом. Выходное напряжение усилителя является функцией как дифференциального UД = UP – UN, так и синфазного UC = (UP + UN)/2 входных напряжений:

UВЫХ = UВЫХ (UД · UС).

Приращение этого напряжение определяется из соотношения:

или

ΔUВЫХ = KU · ΔUД +KС · ΔUС ,                                        (1.17)

где KС – коэффициент усиления синфазного сигнала.

При ΔUВЫХ = 0 из выражения (1.17) следует:

.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала показывает, какое значение дифференциального входного напряжения (ΔUД) следует приложить к входу усилителя, чтобы скомпенсировать усиление входного синфазного сигнала.

Найдем погрешность, обусловленную смещением нуля усилителя. Смещение нуля ОУ проявляется в наличии постоянного напряжения на выходе усилителя при отсутствии входного напряжения. Обычно определяют смещение нуля, приведенное к входу, т.е. смещение выходного напряжения, умноженное на коэффициент передачи цепи обратной связи (β). Значение UСМ определяется в основном разбросом напряжений эмиттерно-базовых переходов входных транзисторов дифференциального каскада в усилителях на биполярных транзисторах или напряжений затвор-исток в ОУ с полевыми транзисторами на входах. Для усилителей общего назначения с биполярными транзисторами на входе эти значения составляют 0,1 – 5 мВ, а с полевыми транзисторами – 0,5 – 20 мВ.

Путем лазерной подгонки удается уменьшить смещение нуля до 10 мкВ (МАХ400М) у первого типа усилителей и до 100 мкВ (ОРА627В) у второго. Снизить UСМ можно подстройкой внешнего резистора, для подключения которого некоторы
е операционные усилители (например, 140УД7, 140УД8) имеют специальные выводы.

Постоянные входные токи, протекая по резисторам цепей обратной связи и источников сигналов создают разность падений напряжения ΔU. Например, в дифференциальной схеме включения ОУ (см. рис. 1.13) эта разность определяется из выражения:

ΔU = I +ВХ(R3||R4) – I -ВХ(R1||R2).

Обозначим

I+ВХ = IВХ + IР /2;        I-ВХ = IВХ – IР /2.

Тогда

ΔU = IВХ [(R3||R4) – (R1||R2)] + IР[(R3||R4) + (R1||R2)]/2.                     (1.18)

Величину IВХ называют в технических характеристиках ОУ входным током, а IР – разностью входных токов. Анализ выражения (1.18) показывает, что составляющая ΔU, вызванная входным током, может быть устранена правильным выбором соотношения резисторов, другую же составляющую (ΔU), обусловленную разностью входных токов, можно только уменьшить, выбирая номиналы резисторов по возможности минимальными.

Пример

Для снижения смещения нуля инвертирующего усилителя, имеющего существенные входные токи, следует между неинвертирующим входом и общей точкой схемы включить компенсирующий резистор Rк (рис. 1.21). Сопротивление этого резистора определяется соотношением:

Rк = R1R2 /(R1 + R2).

На точность преобразования постоянного входного сигнала существенное влияние оказывают температурные дрейфы напряжения смещения ΔUСМ/ ΔT и входного тока ΔIВХ/ ΔТ. Особенно существенное влияние может оказать дрейф прогрева, который проявляется при быстром изменении температуры в первое время после включения питания. При этом значение приращения UСМ может быть существенно больше значения, получаемого при медленном изменении температуры. Это явление связано с возникновением термического градиента внутри подложки микросхемы.

Наибольшее влияние разницы температур проявляется в парных транзисторах дифференциального усилительного каскада, где она нарушает баланс дрейфов их эмиттерно-базовых напряжений. Длительность процесса установления температуры может достигать нескольких десятков секунд.

Коэффициент влияния источников питания обычно определяют как приведенное к входу ОУ статическое (т.е. очень медленное) изменение выходного напряжения (ΔUВЫХ), обусловленное изменением одного из источников питания на 1 В. Обычно имеет размерность децибел или микровольт на вольт (мкВ/В). С ростом частоты пульсаций напряжения питания коэффициент влияния источников питания увеличивается, поэтому для ослабления паразитных каналов прохождения сигналов по цепям питания между выводами питания ОУ и общей точкой включают конденсаторы.

Динамические параметры ОУ

Параметры, характеризующие быстродействие ОУ, можно разделить на параметры для малого и большого сигналов.

К первой группе динамических параметров относятся полоса пропускания (fП), частота единичного усиления (fТ) и время установления (tУ). Эти параметры называются малосигнальными,  так как  они измеряются в линейном режиме работы каскадов ОУ (ΔUВЫХ < 1В). Ко второй группе относятся скорость нарастания выходного напряжения (r) и мощностная полоса пропускания (fР). Эти параметры измеряются при

большом дифференциальном входном сигнале ОУ (более 50 мВ). Некоторые из этих параметров рассмотрены ранее.

Время установления отсчитывается от момента подачи на вход ОУ ступеньки входного напряжения до момента, когда в последний раз станет справедливым равенство:

|UВЫХ.УСТ – UВЫХ(t)| = δ,

где UВЫХ.УСТ – установившееся значение выходного напряжения, Δ – допустимая ошибка.

Мощностная полоса пропускания ОУ определяется по виду амплитудно-частотной характеристики, снятой при максимально возможной амплитуде неискаженного выходного сигнала. Вначале на низких частотах устанавливают такую амплитуду сигнала от генератора гармонических колебаний, чтобы амплитуда выходного сигнала (UВЫХ.МАКС) немного не доходила до границ насыщения усилителя. Затем увеличивают частоту входного сигнала. Мощностная полоса пропускания (fР) соответствует значению UВЫХ.МАКС равному 0,707 от первоначального значения. Величина мощностной полосы пропускания снижается при увеличении ем
кости корректирующего конденсатора.

Эксплуатационные параметры ОУ определяют допустимые режимы работы его входных и выходных цепей и требования к источникам питания, а также температурный диапазон работы усилителя. Ограничения эксплуатационных параметров обусловлены конечными значениями пробивных напряжений и допустимыми токами через транзисторы ОУ. К основным эксплуатационным параметрам относятся:

· номинальное значение питающего напряжения (UП);

· допустимый диапазон питающих напряжений;

· ток, потребляемый от источника (IПОТ);

· максимальный выходной ток (IВЫХ.МАКС);

· максимальные значения выходного напряжения при номинальном питании;

· максимально-допустимые значения синфазных и дифференциальных входных напряжений.