Основні характеристики та параметри ОУ

При подачі сигналу на вхід, що не інвертує, збільшення вхідного і вихідного сигналів збігаються по фазі. При подачі сигналу на вхід, що інвертує, збільшення вихідного сигналу протилежно по фазі збільшення вхідного сигналу. Висновки, до яких підключаються джерела напруги живлення ±ЕП, а також допоміжні ланцюги на принципових схемах не позначають.

Найважливіша характеристика ОУ – передавальна характеристика (рис. 8.5) – є залежністю вихідної напруги від вхідної. Крива 1 відповідає подачі вхідної напруги на вхід, що не інвертує, крива 2 – на інвертуючий. Обидві характеристики отримують при подачі вхідного сигналу однією з входів і нульовому сигналі іншому. Горизонтальні ділянки характеристик відповідають або режиму насичення, або режиму відсікання транзисторів вихідних каскадів, при цьому ½UВИХm½=(0,9?0,95)ЕП. Похилі ділянки відповідають пропорційній залежності вихідної напруги від вхідної.

Сучасні ОУ мають такі основні параметри:

Параметри ОУ,які характеризують його якість, дуже численні. До основних належать такі.

1.Коефіцієнт посилення К –відношення зміни вихідної напруги до зміни диференціальної вхідної напруги, що викликала його, при роботі підсилювача на лінійній ділянці характеристики:

kU= UВИХ/ UВХ,

де DUВИХ, DUВХ–збільшення вихідної та вхідної напруг ОУ. ВеличинаkUможе бути визначена за передавальною характеристикою ОУ. Коефіцієнт посилення залежить від напруги живленняЕП, температури навколишнього середовища та змінюється від екземпляра до екземпляра. З цієї причини ОУ (за винятком компараторів) не застосовують без зворотного ланцюгазв'язку (ОС), що стабілізують величинуkU. ВеличиниkUлежать у діапазоні 10 3–10 6 .

2.Напруга зміщення UСМ – диференціальна вхідна напруга (U+–U–), при якій вихідна напруга підсилювача дорівнює нулюUВИХІД = 0 (рис. 8.5). Напруга усунення обумовлено розкидом параметрів елементів, що входять до складу ОУ. Максимальне за модулем значенняUСМ для підсилювачів, вхідні каскади яких виконані на біполярних транзисторах, найчастіше становить 3 – 10 мВ. У тих ОУ, вхідний каскад яких будується на польових транзисторах, напруга усунення зазвичай значно більше (30 – 100 мВ).

3.Середній вхідний струм IВХ – середньоарифметичне значення струмів Н – та І – входів підсилювача, виміряних при такій вхідній напрузіUВХ,при якій вихідна напругаUВИХ дорівнює нулю. Вхідний струм є струмом спокою баз (затворів) транзисторів вхідних каскадів ОУ. Середній вхідний струм інтегральних підсилювачів із вхідними каскадами на біполярних транзисторах зазвичай лежить у діапазоні 0,01 – 1 мкА. Такі малі значенняIВХ забезпечуються з допомогою роботи вхідних транзисторів ОУ як дуже малих колекторних струмів. Подальше зниження вхідних струмів (до 1 нА і менше) досягається при використанні польових транзисторів у вхідних каскадах ОУ.

Якщо опори зовнішніх ланцюгів, підключених до входів підсилювача, неоднакові, то різниця падінь напруги від вхідних струмів на них викликає додаткову напругу, що складається з напругою зміщення.

Для виключення впливу на роботу ОУ напруги зміщення та вхідних струмів підсилювачі доповнюють елементами для їхнього початкового балансування. Величина опору резистораR ,одного з входів, що вводиться в ланцюг, повиннадорівнювати загальному опору резисторів, підключених до іншого входу, тобто.

RR1 êêR2,

деR1,R2 - опору другого входу ОУ.

При виконанні цієї умови входи ОУ будуть еквіпотенційні за будь-якого значенняIВХ.

Напруга зміщення компенсується подачею на один із входів напруги, що знімається з двигуна потенціометраR3.

4.Різність вхідних струмів IВХ – абсолютне значення різниці струмів двох входів підсилювачаI+–I–, виміряних тоді, коли напруга на виході підсилювача дорівнює нулю. Цей різницевий струм значною мірою свідчить, наскільки велика несиметрія вхідного каскаду ОУ. Якщо значенняIВХ близько до нуля, то вплив вхідних струмівI+ іI- на вхідну напругу ОУ можна суттєво зменшити, встановлюючи однаковими еквівалентними провідністю зовнішніх ланцюгів, приєднаних до Н- та І- входів ОУ. ЗазвичайIВХ становить 20-50%IВХ.

5.Вхідний опірRВХ– опір з боку одного з входів ОУ, коли інший заземлений. У деяких випадках цей опір називають вхідним опором для диференціального сигналу, щоб відрізнити його від вхідного опору для синфазного сигналу. Вхідний опір ОУ має значення від кількох кілоом для біполярних транзисторів до одиниць і більше мегаом для польових транзисторів.

6.Вхідний опір для синфазного сигналу RCФ визначають як відношення збільшення синфазної напруги до збільшення середнього струму підсилювача. РозмірrCФ зазвичай на 1 – 2 порядку і більше перевищуєRВХ.

7.Вихідний опірОУRВИХ визначається точно так само, як і для будь-якого іншого підсилювача істановить зазвичай величинуRВИХ = (20. 200) Ом. Цей опір, виміряний з боку навантаження, є опір вихідних каскадів ОУ, побудованих на емітерних повторювачах.

8.Коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу kОСсф - відношення коефіцієнта посиленняkUдо коефіцієнта передачі синфазного сигналу:

Коефіцієнт передачі синфазного сигналу при цьому визначається як відношення зміни вихідної напруги до зміни його синфазної вхідної напруги, що викликала його. Коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу може бути визначений і по-іншому: як відношення синфазного сигналу до спричиненого цим сигналом зміни напруги зміщення підсилювача.

Цей параметр залежить від величини коефіцієнта передачі синфазного сигналуkСФ, що вимірюється при подачі на обидва входи ОУ однакових сигналівuВХ1=uВХ2 . Параметр характеризує асиметрію входів ОУ. Зазвичай для інтегральних ОУ загального застосуванняkОСсф=(–70¸–120) дБ.

9.Коефіцієнт впливу нестабільності джерела живлення КП–відношення зміни напруги зміщення до зміни його одного з напруги живленняUП (іноді вплив нестабільності джерел позитивного і негативного напруги живлення характеризують роздільними коефіцієнтами впливу). Цей коефіцієнт найчастіше дорівнює 2'10 -5 -2'10 -4, що відповідає 20 - 200 мкВ / В.

10.Параметри ланцюга живлення ЕП,IП. Дозволяють вибрати двополярне джерело живлення за напругою та потужністю. Дані параметри лежать у межах

11.Динамічні властивості ОУвизначаються зазвичай двома параметрами: частотною смугою (рис. 8.6,a) та швидкістю зміни вихідного сигналу за його перехідною характеристикою (реакції на ступінчасте)вплив, рис. 8.6,б):

-частотна смугаОУ визначається частотою одиничного посиленняf1, тобто частотою, на якій коефіцієнт посилення ОУ зменшується до одиниці. Значенняf1 у більшості інтегральних ОУ лежать у діапазоні від десятих часток мегагерца до кількох десятків мегагерц. Частотні параметри ОУ визначаються за його амплітудно-частотною характеристикою (рис. 8.6 а):

1) частота одиничного посиленняf1.Частота, при якій модуль коефіцієнта посилення стає рівним одиниці;

2) гранична частотаfВП. Частота, що відповідає зниженню коефіцієнта посилення ОУ у раз порівняно з низькочастотним значенням. У сучасних ОУfВП досягає десятків МГц.

Зниження коефіцієнта посилення в області високих частот відбувається за рахунок погіршення частотних властивостей транзисторів та впливу паразитних ємностей схеми ОУ;

–максимальна швидкість наростання вихідної напругиОУ (V) визначається при подачі на його вхід імпульсу напруги прямокутної форми:

Для сучасних типових інтегральних ОУ максимальна швидкість наростанняVUвих=(0,1–100) В/мкс. Оскільки найбільша швидкість зміни синусоїдального сигналу пропорційна амплітуді і частоті цього сигналу, обмеження швидкості зміни вихідного сигналу ОУ призводить до обмеження амплітуди вихідного неспотвореного гармонійного сигналу на високих частотах.

12.Час встановлення tУСТ визначає зміну вихідної напруги ОУ від рівня 0,1 до рівня 0,9 від встановленої вихідної напруги. Типові значенняtУСТ=(0,05?2) мкс.

13.Частотна корекціяОУ здійснюється за допомогою підключення конденсаторів та резисторів до відповідних затискачів ОУ. Призначення частотноїкорекції – запобігати авто коливанням вихідного сигналу при охопленні підсилювача ланцюгом негативного зворотного зв'язку (ООС). Причина автоколивань – небажані фазові зрушення в підсилювачі та ланцюги ООС, внаслідок чого негативний зворотний зв'язок на певній частоті набуває властивостей позитивного зворотного зв'язку. Чим складніший підсилювач і що його коефіцієнт посилення, тим більше схильний він до самозбудження (за рахунок паразитних ємностей між входом і виходом).

Ланцюги корекції знижують коефіцієнт посилення ОУ на тій частоті, на якій фазовий зсув у замкнутому контурі дорівнює 360° (корекція на відставання по фазі), або зменшують зсув фаз на тих частотах, на яких коефіцієнт посилення в замкнутому контурі більше одиниці (корекція на випередження по фазі). Рекомендовані для різних конкретних ОУ ланцюга корекції зазвичай наводяться в посібниках із застосування ОУ.

Операційні підсилювачі К140УД6, К140УД7, К140УД8, К544УД1 мають вбудовані ланцюги частотної корекції, реалізовані, як правило, на основі МОП-конденсаторів, що формуються в кристалі одночасно з іншими елементами підсилювача. Наявність внутрішньої частотної корекції є істотною перевагою під час експлуатації підсилювача, хоча й дозволяє повною мірою використовувати динамічні властивості підсилювача при малих значеннях коефіцієнта ООС.

Стійкість підсилювача, охопленого ланцюгом негативного зворотного зв'язку, може істотно погіршитися, якщо він навантажений на опір, що має ємнісний характер. У подібних випадках рекомендується для запобігання самозбудженню підключати до вихідного затискача ОУ (всередині контуру зворотного зв'язку) резистор опором 50 – 100 Ом.

ОУ, що випускаються, класифікуються за групами:

- ОУ загального призначення, що представляють найбільшечисельну групу універсальних ОУ;

- прецизійні ОУ, що дозволяють з високою точністю підтримувати високийkU,мають високий вхідний опір і малеUСМ £ 0,5мВ (наприклад 153УД5);

- швидкодіючі ОУ, що характеризуються високими значеннямиVUвих і малимtУСТ; вони мають значенняf1=(15?20)МГц (наприклад 140УД10, КР544УД2);

ПриUвх * ®0. При цьому припущенні, а також за умовZВХУ>>ZВХ,ZН >>ZВИХ,ZОС>>ZВИХ основі властивостей ОУ можна записати наступні рівняння:

---