§ 6.2. Эквивалентная схема и основные параметры

Независимо от сложности принципиальной структурная схема ОУ содержит следующие основные функциональные узлы: входной каскад, промежуточный — усилитель напряжения, схему сдвига потенциального уровня и выходной каскад — усилитель мощности (рис. 6.2).

Рис. 6.2

Входной каскад представляет собой дифференциальный усилитель, свойства которого определяют входные параметры всего операционного усилителя. К входным параметрам ОУ относится дифференциальное входное сопротивление , измеренное между кодами ОУ. Для повышения во входном каскаде используют полевые транзисторы или биполярные транзисторы со сверхвысоким коэффициентом усиления тока базы в микроамперном диапазоне рабочих токов. Например, при будем иметь

К входным параметрам ОУ также относятся входное напряжение смещения и разность базовых токов смещения . Эти параметры отражают факт появления напряжения ошибки на выходе ОУ при его замкнутых входах.

Напряжение ошибки ивыкош определяется двумя составляющими; и . Первая составляющая обусловлена разбалансом внутрн входного каскада. Несимметрия входного дифференциального усилителя, в частности неидентичность напряжений транзисторов, приводит к разным коллекторным токам и, как следствие, к появлению напряжения разбаланса на выходе каскада даже при одинаковых потенциалах на его входах, т. е. при нулевом дифференциальном входном напряжении. Напряжение разбаланса, усиливаясь последующими каскадами ОУ, вызывает появление на выходе ОУ составляющей напряжения ошибки . Значение определяется по входному напряжению смещения , которое является справочной величиной, задаваемой разработчиками для каждого типа ОУ коэффициент усиления дифференциального сигнала операционного усилителя). Входное напряжение смещения основных типов ОУ лежит обычно в пределах и показывает, какое напряжение следует приложить к входам ОУ для приведения напряжения ошибки на выходе ОУ к нулю.

Вторая составляющая выходного напряжения ошибки обусловлена разностью входных токов дифференциального усилителя ОУ.

При неидентичности параметров транзисторов дифференциального каскада ОУ базовые токи смещения по значению будут отличаться друг от друга. Вследствие неравенства базовых токов напряжения на входах 1 к 2 относительно «земли» также будут различны, что приведет к возникновению дифференциального входного напряжения. Усиливаясь, это напряжение вызывает появление второй составляющей выходного напряжения ошибки . Разностный ток , так же как и является справочным параметром. Для основных типов ОУ значения лежат в пределах .

Казалось бы, составляющую можно исключить, обеспечив нулевые значения базовых токов . К сожалению, этого нельзя сделать, так как при нулевых значениях базовых токов транзисторы дифференциального каскада были бы закрыты. Задавая определенное значение базового тока, обеспечивают номинальный режим работы транзистора.

В отдельных случаях составляющие выходного напряжения ошибки, обусловленные совместным действием , направлены противоположно и компенсируют друг друга. В других случаях они складываются, и выходное напряжение ошибки является суммой составляющих .

Для установки нулевого уровня выходного напряжения ОУ используют цепь регулировки нуля, состоящую из системы резисторов, подключенных к одному из входов ОУ.

Промежуточный каскад — дифференциальный усилитель с несимметричным выходом — обеспечивает необходимое усиление по напряжению всего операционного усилителя.

Схема сдвига потенциального уровня осуществляет изменение уровня постоянного напряжения на выходе промежуточного каскада до нулевого уровня, если дифференциальный сигнал на входах ОУ отсутствует. Простейшие схемы сдвига рассмотрены в §5.3.

Выходным каскадом ОУ является усилитель мощности, выполненный по схеме двухтактного эмиттерного повторителя, работающего в режиме АВ.

Свойства выходного каскада определяют выходные параметры операционного усилителя: выходное сопротивление , максимальный выходной ток , измеряемый при максимальном выходном напряжении . Иногда приводится минимальное Сопротивление нагрузки — максимальное выходное напряжение, или уровень ограничения выходного сигнала. При двухполярном питании ОУ имеются два уровня ограничения: положительный и отрицательный. Для большинства типов ОУ имеем .

Стандартные операционные усилители, выпускаемые промышленностью, имеют выходную мощность не более . Однако сейчас разработаны и мощные ОУ с выходной мощностью от единиц до нескольких десятков ватт. К важным параметрам операционного усилителя, определяемым структурой и элементной базой ОУ, также относятся:

коэффициент усиления по напряжению дифференциального сигнала большинство операционных усилителей имеет Киоу до сотен тысяч;

коэффициент ослабления синфазного сигнала , определяемый как отношение коэффициента усиления дифференцального сигнала к коэффициенту усиления синфазного;

частота единичного усиления , т. е. частота, при которой схема теряет свои усилительные свойства скорость нарастания выходного напряжения — максимальная скорость изменения во времени напряжения на выходе ОУ при подаче на входы скачка напряжения; ток потребления ОУ.