§ 5.4. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Параметры и характеристики ОУ можно условно подразделить на входные, выходные и характеристики передачи.

К входным параметрам относят: напряжение смещения нуля; входные токи; разность входных токов; входные сопротивления; коэффициент ослабления синфазных входных напряжений; диапазон синфазных входных напряжений; температурный дрейф напряжения смещения нуля; температурные дрейфы входных токов и их разности; напряжение (ток) шумов, приведенное к входу; коэффициент влияния нестабильности источника питания на напряжение смещения.

Напряжение смещения нуля — это потенциал на выходе усилителя при нулевом входном сигнале, который поделен на коэффициент усиления усилителя. Данный параметр показывает, какой источник напряжения необходимо подключить к входу ОУ для того, чтобы на выходе получить . Если ОУ включить со -ной обратной связью , а выход и инверсный вход соединить накоротко, то коэффициент усиления его в соответствии с (4.27) будет равен единице, а выходное напряжение равно (рис. 5.8,а). Значение — десятки . Зная , легко определить постоянное напряжение на выходе ОУ, имеющего при выбранной схеме включения коэффициент усиления .

Рис. 5.8. Схемы для определения параметров ОУ: а - напряжения смешения нуля; б - входных токов; в - дифференциального входного сопротивления; г - синфазного входного сопротивления

Напряжение .

Входные токи обусловлены необходимостью обеспечить нормальный режим работы входного дифференциального каскада на биполярных транзисторах. В случае использования полевых транзисторов это токи всевозможных утечек. Если к обоим входам ОУ подключены источники сигналов с разными внутренними сопротивлениями, то токи смещения даже в идеальном входном каскаде создают разные падения напряжения на этих внутренних сопротивлениях. Между входами ОУ появится дифференциальный сигнал, изменяющий выходное напряжение. С целью его уменьшения сопротивления, подключаемые к обоим входам, следует брать по возможности одинаковыми.

Измерение входных токов осуществляется по схеме, показанной на рис. . Идея, положенная в основу схемы измерения, сводится к тому, что при постоянном входном токе или изменение сопротивления, подключенного к соответствующему входу, приводит к изменению и входного напряжения , которое можно измерить и по его значению рассчитать входной ток. При замкнутых ключах выходное напряжение равно напряжению смещения нуля , а коэффициент усиления по напряжению - единице. При размыкании ключа коэффициент усиления по напряжению остается равным единице (сохраняется -ная ОС), а входное напряжение за счет падения напряжения на сопротивлении изменится на .

Выходное напряжение достигает значения . А так как коэффициент усиления по напряжению равен единице, то справедливо равенство

Отсюда ток первого входа определится из выражения

Входной ток второго входа определяют аналогично при разомкнутом и замкнутом :

Разность входных токов может иметь любой знак.

Входные сопротивления в зависимости от характера подаваемого сигнала подразделяют на дифференциальное (для дифференциального сигнала) и синфазное (сопротивление общего вида).

Входное сопротивление для дифференциального сигнала — это полное входное сопротивление со стороны любого входа, в то время как другой вход соединен с общим выводом. Значения его лежат в интервале нескольких десятков кОм — сотен .

Входное сопротивление для синфазного сигнала характеризует изменения среднего входного тока при приложении к входам синфазного напряжения. Оно на несколько порядков выше сопротивления для дифференциального сигнала.

Схема для измерения дифференциального входного сопротивления показана на рис. 5.8, г. Сопротивление резистора берется небольшим (порядка нескольких десятков — сотен Ом), так чтобы выполнялись неравенства . Малое значение сопротивления позволяет считать точку а заземленной по переменному току. В то же время наличие этого сопротивления обеспечивает подачу на неинвертирующий вход постоянного напряжения от делителя напряжения на сопротивлении , которое компенсирует напряжение смещения нуля. Это особенно необходимо для высокочувствительных ОУ, в которых напряжение смещения нуля, усиливаясь в раз, может вывести каскады ОУ на нелинейный участок характеристики. Поэтому перед началом измерений при с помощью резистора необходимо выставить нулевое выходное напряжение. При подаче входного напряжения и замкнутых ключах на выходе ОУ появится напряжение

После размыкания ключей последовательно с входным сопротивлением для дифференциального сигнала оказывается включенным сопротивление , что вызовет изменение входного и выходного напряжений:

Разделив (5.18) на (5.19), т. е.

получим

Выходное напряжение при данной схеме измерений берется низкочастотным порядка нескольких — десятков Гц.

Входное сопротивление для синфазного сигнала может быть определено с помощью схемы, приведенной на рис. 5.8, в. В ней обеспечивается единичный коэффициент усиления и синфазное напряжение на обоих входах.

При замкнутом ключе выходное напряжение

(5.22)

После размыкания ключа входное и выходное напряжения усилителя уменьшаются:

(5.23)

Разделив (5.22) на (5.23), т. е.

получим входное сопротивление для синфазного сигнала

Следует обратить внимание на сильное уменьшение при увеличении частоты входного сигнала.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала определяется как отношение напряжения синфазного сигнала, поданного на оба входа, к дифференциальному входному напряжению, которое обеспечивает на выходе тот же сигнал, что и в случае синфазного напряжения:

С учетом (5.26) напряжение на выходе ОУ, появляющееся при одновременной подаче дифференциального и синфазного входных сигналов, равно

Диапазон синфазных входных напряжений характеризует зону, в пределах которой возможны изменения синфазного входного напряжения без нарушения работоспособности ОУ.

Температурные дрейфы напряжения смещения и входных токов характеризуют изменения соответствующих параметров с температурой и обычно оцениваются в .

Эти параметры важны для прецизионных устройств, так как их в отличие от и , эффективно скомпенсировать сложно.

Температурные дрейфы являются основной причиной появления температурных погрешностей устройств с ОУ.

Напряжение шумов, приведенное ко входу, — это действующее значение напряжения на выходе усилителя при нулевом входном сигнале и нулевом сопротивлении источника сигнала, подключенного ко входу, деленное на коэффициент усиления ОУ . Обычно задается спектральная плотность напряжения шумов, которая оценивается как корень квадратный из квадрата приведенного напряжения шумов, деленного на полосу частот , в которой выполнено измерение этого напряжения.

Таким образом оцениваются шумы, имеющиеся в полосе частот 1 Гц. Размерность их . При работе ОУ с источником сигнала, внутреннее сопротивление которого отлично от нуля, приходится также вводить приведенный ток шума ОУ и его спектральную плотность. Этот параметр отражает тот факт, что результирующее приведенное напряжение шумов оказывается больше, чем сумма напряжений шумов ОУ при и шумов резистора . Для учета этого входную цепь ОУ представляют в виде, показанном на рис. 5.9, а спектральную плотность результирующего приведенного напряжения шумов оценивают с помощью уравнения

где — приведенное напряжение шумов при — спектральная плотность теплового шума резистора (см. § 1.1).

В технических условиях иногда задают коэффициент шума

определяемый как выраженное в децибелах отношение приведенной к входу мощности шума усилителя, работающего от источника с внутренним сопротивлением , к мощности шума активного сопротивления .

Рис. 5.9. Генераторы напряжения и шумов во входной цепи ОУ

Рис. 5.10. Схемы для определения выходных параметров ОУ: а - выходного сопротивления; б - коэффициента усиления

Коэффициент влияния нестабильности источника питания на напряжение смещения характеризует приведенные ко входу изменения выходного напряжения ОУ при колебаниях напряжения источника питания :

К группе выходных параметров относятся выходное сопротивление, напряжение и ток выхода.

Определить выходное сопротивление достаточно сложно из-за его изменения в зависимости от сдвига нулевого уровня выходного напряжения. Для измерения можно использовать схему рис. 5.10, а, но при этом необходимо, чтобы коэффициент усиления всего усилителя при разомкнутой обратной связи был известен. Сопротивления резисторов выбирают одинаковыми, причем их значения должны быть большими (порядка . Выходное напряжение при разомкнутом ключе

где — выходное напряжение при разомкнутом ключе S; Явыхос — выходное сопротивление ОУ, охваченное ОС.

Отсюда, учитывая, что , имеем

Из теории обратной связи известно, что. выходное сопротивление усилителя, не охваченного обратной связью, связано с выходным сопротивлением усилителя с параллельной ОС по напряжению соотношением

Так как сопротивления и равны между собой, а коэффициент обратной связи у равен 1/2, то выходное сопротивление ОУ

Максимальные выходные напряжение и ток указываются в ТУ на изготовление ОУ.

К группе характеристик передачи можно отнести коэффициент усиления по напряжению, частоту единичного усиления, скорость нарастания выходного напряжения, время установления выходного напряжения, время восстановления, амплитудно-частотную характеристику.

Коэффициент усиления по напряжению ОУ может быть определен экспериментальным путем, когда на вход ОУ, не охваченного цепью ОС, подается известное напряжение и определяется выходное напряжение. Однако при этом возникают существенные трудности, связанные с определением малых входных напряжений. Кроме того, в высокочувствительных ОУ с высоким коэффициентом усиления напряжение смещения нуля, которое может быть представлено генератором напряжения включенным на входе ОУ, усиливаясь в раз, может вызвать насыщение выходного каскада ОУ и он станет неработоспособным. Поэтому высокочувствительные ОУ нельзя применять без цепей ОС.

Коэффициент усиления ОУ обычно определяют косвенным путем с помощью схемы рис. . В ней входное дифференциальное напряжение ОУ равно падению напряжения на резисторе :

где — напряжение в точке .

Так как сопротивления резисторов , соединяющих источник сигнала и выход усилителя, равны между собой, то коэффициент передачи ОУ с такой обратной связью равен единице, а выходное напряжение равно . Следовательно, коэффициент усиления ОУ

(5.35)

Частота единичного усиления — это частота , на которой модуль коэффициента усиления ОУ равен единице (0 дБ). Иногда оговаривают граничную частоту ОУ, при которой сохраняется гарантированная амплитуда выходного напряжения. Это связано с тем, что усилитель, имеющий полосу пропускания, например, 0,5 МГц и выходное напряжение 10 В, обеспечивает получение этой амплитуды до частоты .

Скорость нарастания выходного напряжения — это максимальная скорость изменения выходного сигнала при максимальном значении его амплитуды. При измерении скорости нарастания ОУ включается в схему (рис. 5.11, а), обеспечивающую единичное усиление, и на его вход подается напряжение прямоугольной формы, амплитуда которого такова, что выходной каскад попадает в область насыщения по обеим полярностям (рис. 5.11, б).

Рис. 5.11. Схема для определения скорости нарастания (а) и определение ее по результатам измерений схема для определения времени восстановления (в)

Скорость нарастания определяется как тангенс угла наклона участка, заключенного между минимальным и максимальным значениями выходного сигнала, и имеет размерность . Этот параметр важен для широкополосных и импульсных устройств, так как он ограничивает скорость нарастания выходного сигнала и минимальную длительность его фронтов.

Время установления выходного напряжения — это время, за которое практически заканчивается переходный процесс. Оно обычно измеряется при максимальных значениях выходного напряжения и нагрузки и оценивается как промежуток времени , прошедший с момента первого достижения уровня 0,1 до момента первого достижения уровня 0,9 установившегося значения выходного сигнала при подаче на вход импульса напряжения прямоугольной формы.

Под временем восстановления гвос понимают время, необходимое для возвращения усилителя из состояния насыщения по выходу в линейный режим. При измерении обычно используют схему, показанную на рис. 5.11, в. Уровень входного сигнала выбирают в два раза выше, чем необходимо для насыщения выходного каскада (100% перегрузки). Процесс измерения сводится к определению времени, прошедшего с момента снятия входного напряжения до момента, начиная с которого напряжение на выходе ОУ не будет превышать уровня 0,1 установившегося значения.

Амплитудно-частотная характеристика обычно приводится в виде графика, построенного в логарифмическом масштабе (рис. 5.12, а, б). Причем у ОУ с внутренней коррекцией ЛАЧХ за частотой среза можно аппроксимировать прямой, имеющей наклон , как, например, в случае, показанном на рис. 5.12, а. У ОУ без внутренней коррекции или с небольшой емкостью корректирующего конденсатора ЛАЧХ аппроксимируется двумя асимптотами, имеющими наклоны 20 и и пересекающимися в точках сопряжения (рис. ), или тремя асимптотами, имеющими наклон 20, 40 и .

Рис. 5.12. Амплитудно-частотные характеристики ОУ: а упрощенная эквивалентная схема ОУ: в - для синфазного и дифференциальною сигналов; г - для дифференциальною сингала переменною тока

Параметры некоторых ОУ, выпускаемых промышленностью, приведены в табл. 5.3.

При расчете устройств с ОУ удобно пользоваться их эквивалентными схемами, в которых ОУ представляют в виде идеального усилителя с коэффициентом усиления с бесконечно высоким входным и нулевым выходным сопротивлениями и с дополнительными внешними цепями и генераторами (рис. 5.12, в). Напряжение смещения нуля характеризуется генератором напряжения , направление включения которого зависит от его полярности. Наличие входных токов отражено генераторами токов , а выходное сопротивление для синфазного сигнала — сопротивлениями , включенными параллельно им. Входное сопротивление для дифференциального сигнала показано в виде сопротивления , включенного между входами идеализированного ОУ. Наличие выходного сопротивления отражено сопротивлением Явых, включенным последовательно с выходом ОУ. Для рассмотрения ОУ на переменном токе при подаче на вход дифференциального напряжения можно использовать упрощенную эквивалентную схему (рис. 5.12, г), в которой для облегчения анализа часто пренебрегают .

Таблица 5.3.

(см. оригинал)

Таблица 5.3. (продолжение)

(см. оригинал)

Таблица 5.3. (продолжение)

(см. оригинал)

Таблица 5.3. (продолжение)

(см. оригинал)

Таблица 5.3. (продолжение)

(см. оригинал)

Таблица 5.3. (продолжение)

(см. оригинал)

Таблица 5.3. (продолжение)

(см. оригинал)

Продолжение табл. 5.3.

Приведенные эквивалентные схемы, несмотря на их приближенный характер, могут применяться при анализе преобразователей электрических сигналов, собранных на основе ОУ.