Материал: XBi4Dqa7qn

В настоящее время ОУ выполняются, как правило, в виде монолитных интегральных микросхем и по своим размерам и цене практически не отличаются от отдельно взятого транзистора. Благодаря практически идеальным характеристикам ОУ реализация различных радиотехнических схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Поэтому ОУ вытесняют отдельные транзисторы как элементы схем во многих областях схемотехники. Как правило, ОУ питаются от биполярного источника питания со средней точкой (общей шиной). Иногда используются однополярные источники питания со средней искусственной точкой.

Чтобы определить тип ОУ для конкретного случая применения достаточно знать его основные характеристики и внутреннюю структуру ОУ. Далее будут кратко рассмотрены основные параметры ОУ и принципы построения схем на базе ОУ с использованием внешних обратных связей.

1.3. Параметры ОУ

Рассмотрим эквивалентную схему ОУ для низких частот (рис. 1.1). Входной каскад ОУ выполнен в виде дифференциального усилителя, по-

этому ОУ имеет два входа. Все напряжения отсчитываются относительно об-

щего провода – « земли». Разность напряжений на входе е+ − е− называют диф-

ференциальным входным сигналом, а их полусумму (е+ + е− )2 – синфазным входным сигналом. Реальные ОУ бывают двухкаскадные и трехкаскадные.

Для обеспечения работы ОУ с положительными и отрицательными входными сигналами следует использовать двухполярное питающее напряжение, которое у современных ОУ лежит в пределах ± 3... ± 30 В.

В действительности, нет идеальных ОУ и для оценки их качества существует ряд технических характеристик усилителей. Рассмотрим основные из них.

Входное сопротивление Zвх – сопротивление одного из входов ОУ при подключении второго к «земле». Значение этого параметра ОУ обычно со-

ставляет 103…10 6 Ом и более.

Входное сопротивление для синфазного сигнала Zсф – отношение при-

ращения синфазного сигнала к приращению среднего тока ОУ. Значение этого параметра ОУ обычно составляет 10…100 Zвх .

Средний входной ток iвх – среднее арифметическое значение токов вхо-

дов усилителя, измеренное при таком Uвх , при котором Uвых = 0. Средний входной ток для ОУ, входы которого реализованы на биполярных транзисторах, составляет 0,01…1 мА, на полевых транзисторах – приблизительно 1 нА.

Разность входных токов iвх – абсолютное значение разности входных токов, измеренное при Uвых = 0. Этот параметр характеризует асимметрию входного каскада, его значение обычно составляет 20…50 % от силы входного тока.

Напряжение смещения Uсм – дифференциальное входное напряжение,

при котором выходное напряжение равно нулю. Максимальное по модулю напряжение смещения для ОУ, входы которого реализованы на биполярных транзисторах, составляет 3…10 мВ, на полевых транзисторах – 30…100 мВ.

Дифференциальный коэффициент усиления АОУ .

Этот параметр имеет конечную величину, которая лежит в пределах

103…10 6 и определяется как

AОУ = U вых U вх = U вых (е+ − е− ).

Коэффициент ослабления синфазного сигнала Мсф – отношение коэф-

фициента усиления ОУ к коэффициенту передачи синфазного сигнала. На практике для определения коэффициента ослабления синфазного сигнала ча-

7

суммируется с входным напряжением – положительной.

Пусть на неинвертирующий вход ОУ, имеющего коэффициент усиления

AОУ , подано напряжение Uвх , а ОУ охвачен отрицательной обратной связью с коэффициентом усиления β . Тогда выходное напряжение Uвых будет рав-

но Uвых = AОУ(Uвх − βU вых ). Отсюда можно найти коэффициент усиления

K операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью: K = Uвых Uвх = AОУ (1 + βAОУ ). При βAОУ >> 1 коэффициент усиления охваченного обратной связью усилителя составит K 1β , т. е. данная вели-

чина определяется только обратной связью и не зависит от параметров самого усилителя.

Динамические свойства ОУ определяются, как правило, частотой единичного усиления ОУ без обратной связи, равной произведению коэффициента усиления A на ширину полосы для охваченного обратной связью усилителя. Значение частоты единичного усиления обычно лежит в диапазоне от сотен килогерц до десятков мегагерц. Кроме того, динамические свойства ОУ характеризуются скоростью нарастания выходного сигнала, которая равна

0.3...50 В/мкс.

1.4. Неинвертирующий усилитель

8

В случае идеального ОУ ( AОУ → ∞ ) коэффициент усиления K данной схемы определяется как K = − μβ = − R2 R1 .

Входное сопротивление схемы инвертирующего усилителя имеет существенно меньшее значение, чем собственное входное сопротивление ОУ, и приблизительно равно R1. Если R1 = R2 , то Uвых = −Uвх , т. е. схема инвер-

тирует знак входного напряжения и является инвертором сигнала.

1.6. Коррекция частотной характеристики ОУ

Вследствие наличия паразитных емкостей и многокаскадной структуры операционный усилитель по своим частотным свойствам аналогичен фильтру нижних частот высокого порядка. Типичная частотная характеристика дифференциального коэффициента усиления AОУ операционного усилителя с частотной коррекцией и без нее приведена на рис. 1.6.

Выше частоты f1 частотная характеристика определяется инерционным звеном с минимальной граничной частотой. Коэффициент усиления в этой области падает (наклон 20 дБ/дек), а фазовый сдвиг выходного напряжения относительно входного достигает значения –90°. Выше частоты f2 начинает действовать второй фильтр нижних частот, коэффициент усиления уменьшается сильнее (наклон 40 дБ/дек), а фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями достигает значения –180°. Это означает, что входы ОУ фактически поменялись ролями, и отрицательная обратная связь в этой частотной области становится положительной. Автоколебания в схеме могут возникнуть при наличии частоты, для которой фазовый сдвиг по цепи обрат-

10