6.1. СВОЙСТВА ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

На рис. 6.1 дано схемное обозначение операционного усилителя. Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа.

Рис. 6.1. Схемное обозначение операционного усилителя.

В области низких частот выходное напряжение находится в той же фазе, что и разность входных напряжений:

Р-вход называется неинвертирующим и на схеме операционного усилителя обозначается знаком «плюс». N-вход называется инвертирующим и обозначается на схеме знаком «минус».

Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, следует использовать двуполярное питающее напряжение. Для этого необходимо предусмотреть два источника постоянного напряжения, которые, как это показано на рис. 6.1, подключаются к соответствующим внешним клеммам операционного усилителя. Как правило, стандартные операционные усилители в интегральном исполнении работают с напряжениями питания На принципиальных схемах устройств обычно изображают только их входные и выходные клеммы.

В действительности, разумеется, не существует идеальных операционных усилителей. Для того чтобы можно было оценить, насколько тот или иной операционный усилитель близок к идеалу, приводятся технические характеристики усилителей.

Дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя

имеет конечную величину, которая лежит в пределах от 104 до 105. Он называется также собственным коэффициентом усиления операционного усилителя, т.е. усиления при отсутствии обратной связи.

На рис. 6.2 показана типовая зависимость выходного напряжения усилителя от В диапазоне оно зависит от почти линейно. Этот диапазон выходного напряжения называется областью усиления. В области насыщения с ростом соответствующего увеличения не происходит. Границы области усиления отстоят приблизительно на 3 В от соответствующих положительного и отрицательного напряжений питания. При работе операционного усилителя с напряжением питания В типовой диапазон области усиления по выходному напряжению составляет

Передаточная характеристика идеального операционного усилителя должна проходить через нулевую точку. Однако, как показано на рис. 6.2, штриховой линией, для реальных операционных усилителей эта характеристика несколько сдвинута. Таким образом, для того чтобы сделать выходное напряжение равным нулю, необходимо подать на вход операционного усилителя некоторую разность напряжений. Эта разность напряжений называется напряжением смещения нуля Оно составляет обычно несколько милливольт и во многих случаях может не приниматься во внимание. Когда же этой величиной пренебречь нельзя, она может быть сведена к нулю (см. разд. 4.7.4, где это было описано для дифференциального усилителя.

Рис. 6.2. Выходное напряжение операционного усилителя как функция разности входных напряжений. Пунктиром показана характеристика, снятая без компенсации напряжения смещения нулевой точки.

Поэтому во многих интегральных операционных усилителях предусмотрены специальные клеммы.

После устранения напряжения смещения нуля остаются только его возможные изменения в зависимости от времени, температуры и напряжения питания:

В этой формуле различают следующие составляющие дрейфа: температурный дрейф, обычно от 3 до временной дрейф, который может достигать нескольких микровольт за месяц; дрейф, обусловленный изменением суммарного напряжения питания.

Составляющая характеризуется влиянием отклонения напряжения питания от номинального значения на величину смещения нулевой точки и составляет обычно Поэтому если требуется минимизировать эту составляющую дрейфа, необходимо обеспечить напряжение питания с точностью до нескольких милливольт.

В дальнейшем изложении будет предполагаться, что напряжение смещения нуля скомпенсировано и равно нулю. Тогда из формулы (6.1) следует

Таким образом, в пределах динамического

диапазона выходное напряжение операционного усилителя пропорционально разности входных напряжений.

Если на и N-входы подать одно и то же напряжение то не изменит нулевого значения. В соответствии с выражением (6.2) выходное напряжение также должно остаться равным нулю. Однако, как уже показано в разд. 4.7.1, для реальных дифференциальных усилителей это не вполне соответствует действительности, т.е. коэффициент усиления синфазного сигнала

не строго равен нулю. Как видно из рис. 6.3, при некоторых достаточно больших значениях входного синфазного сигнала он резко возрастает. Используемый диапазон выходного напряжения называется областью ослабления синфазного сигнала. Как правило, ее границы (по модулю) на 2 В ниже соответственно положительного и отрицательного уровней напряжения питания. Неидеальность операционного усилителя характеризуется параметром, называемым коэффициентом ослабления синфазного сигнала Его типовые значения составляют Коэффициент усиления дифференциального сигнала по определению всегда положителен. Этого, однако, нельзя сказать о коэффициенте усиления синфазного сигнала Он может принимать как положительные, так и отрицательные значения. В справочных таблицах обычно приводятся абсолютные значения величины . В формулах же величина используется с учетом ее фактического знака. Разумеется, если разработчика интересует только отличие данного усилителя от идеального, которое характеризуется определенным значением величины то ее знак не играет никакой роли.

При использовании понятия коэффициента усиления синфазного сигнала требуется более точно определить коэффициент усиления дифференциального сигнала через частную производную:

При этом для выходного напряжения получается выражение более общего вида:

или

Из этих соотношений вытекает другое удобное определение коэффициента ослабления синфазного сигнала. При

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

Так как передаточные характеристики, изображенные на рис. 6.2 и 6.3, в рабочей области практически линейны, формулу (6.3) с учетом напряжения смещения можно записать как

Рис. 6.3. Выходное напряжение операционного усилителя как функция синфазного входного сигнала.

или

При это соотношение принимает вид формулы (6.1). Решение уравнения (6.4) относительно дает

Для идеального операционного усилителя Это означает, что теоретически, для того чтобы получить любое конечное значение выходного напряжения необходимо приложить бесконечно малое напряжение

Как будет видно из следующей главы, операционный усилитель, предназначенный для универсального использования, из соображений устойчивости должен иметь такую же частотную характеристику, как и фильтр нижних частот первого порядка, причем это требование должно выполняться по меньшей мере вплоть до частоты, при которой Для выполнения этого требования схема операционного усилителя должна содержать фильтр нижних частот с очень низкой частотой среза. На рис. 6.4 представлена типичная частотная характеристика дифференциального коэффициента усиления такого «частотно-скорректированного» операционного усилителя.

Рис. 6.4. Типовая частотная характеристика дифференциального коэффициента усиления операционного усилителя.

В комплексной записи дифференциальный коэффициент усиления такого усилителя выражается следующей формулой:

Здесь предельное значение в на нижних частотах. Выше частоты соответствующей границе полосы пропускания на уровне модуль коэффициента усиления обратно пропорционален частоте.

Таким образом, в этом диапазоне частот выполняется соотношение

На частоте модуль дифференциального коэффициента усиления Как следует из выражения (6.7), частота равна произведению коэффициента усиления на ширину полосы.

Входное сопротивление

Реальные операционные усилители имеют конечную величину входного сопротивления. Различают входное сопротивление для дифференциального сигнала и входное сопротивление для синфазного сигнала. Их действие иллюстрируется схемой замещения входного каскада операционного усилителя, представленной на рис. 6.5. У операционных усилителей с биполярными транзисторами на входах входное сопротивление для дифференциального сигнала составляет несколько мегом, а входное сопротивление для синфазного сигнала несколько гигаом. Входные токи, определяемые этими сопротивлениями, имеют величину порядка нескольких наноампер.

Существенно большие значения имеют постоянные токи, протекающие через входы операционного усилителя.

Входной ток при отсутствии сигнала определяется по формуле

а входной ток смещения как

Рис. 6.5. Схема замещения для дифференциального и синфазного входных сопротивлений и начального входного тока операционного усилителя.

Для стандартных биполярных операционных усилителей начальный входной ток лежит в пределах от 20 до а для операционных усилителей с входными каскадами, выполненными на полевых транзисторах, он составляет всего несколько наноампер.

В табл. 6.1 приведены важнейшие параметры реальных операционных усилителей. Представленный в этой таблице операционный усилитель типа (фирмы-изготовители-Fairchild, National, Silicon General и др.) принадлежит к поколению дешевых операционных усилителей, выполненных по биполярной технологии, а усилитель типа (фирмы-изготовители

Таблица 6.1 (см. скан) Типовые параметры интегральных операционных усилителей без внешних обратных свнзей при напряжении питания

National, Texas Instr., Intersil и др.) характеризует последнее поколение монолитных интегральных операционных усилителей с полевыми транзисторами во входном каскаде. На основе новейшей биполярно-полевой технологии (Bifet-Technol-ogie) стало возможным в одном технологическом процессе создавать микросхемы как на биполярных, так и на высококачественных р-канальных полевых транзисторах с управляющим р-n-переходом. В отличие от усилителей более раннего типа дрейф напряжения смещения в таких усилителях не превышает величины дрейфа в стандартных усилителях на биполярных транзисторах, а так как стоимость их примерно одинакова, то эти комбинированные операционные усилители постепенно вытесняют усилители на биполярных транзисторах.

Существуют также специальные операционные усилители, предназначенные для особых случаев применения, например усилители с малым дрейфом напряжения смещения или усилители с малым входным током при отсутствии сигнала. Стоимость таких усилителей, как правило значительно выше, чем стандартных усилителей. В качестве примера в табл. 6.1 приведены параметры таких усилителей, в частности усилителей типа и типа (фирма-изготовитель - Burr Brown).

Схема присоединения операционных усилителей типа 741 с различными корпусами представлена на рис. 6.6. Аналогичные схемы включения имеют также большинство операционных усилителей других фирм.

Рис. 6.6. Схема присоединения операционного усилителя типа 741 (вид сверху). 1 - точка нулевого потенциала, 2 - инвертирующий вход, 3 - неинвертирующий вход, 4 - отрицательное напряжение питания, 5 - точка нулевого потенциала, 6 - выход, 7 - положительное напряжение питания 8 - свободный вывод.