Методические указания к лабораторной работе практикума по радиоэлектронике Новосибирск, 1997 (стр. 2 из 4)

Разность входных токов (ток сдвига) DI_вх = |I_вх+ - I_вх-| определяется при заданном значении входного напряжения. Разность DI_вх вызывает на выходе ОУ некоторое смещение (приведенное ко входу оно составляет величину 1¸5 мВ и зависит от величины резисторов, подключаемых ко входам).

Напряжение смещения (U_см) определяется как разность напряжений на входах, при котором U_вых = 0 при оговоренных сопротивлениях резисторов, подключаемых ко входам. Если значения этих резисторов стремятся к нулю, то напряжение смещения называют э.д.с. смещения (E_см). Для ОУ с биполярными транзисторами на входе U_см зависит в основном от разброса напряжений DU_э,б эмиттерно-базовых переходов и составляет 1¸10 мВ. Для ОУ с полевыми транзисторами на входе U_см обычно в несколько раз больше (до 30 мВ), что объясняется их меньшей крутизной. Если на оба входа ОУ, не охваченного отрицательной обратной связью, подать точно равные напряжения, например, оба входа заземлить, на выходе скорее всего будет наблюдаться уровень, близкий к одному из питающих напряжений, то есть ОУ войдет в режим ограничения U_вых = U_см×K₀ ~10^‑2×10⁵ = 1000В >>E_пит. Для того чтобы при подаче равного напряжения на оба входа усилителя выходное напряжение было близко к нулю, ОУ необходимо сбалансировать. Балансировка ОУ обычно достигается подачей дополнительного тока в цепь коллекторов входного ДУ с помощью переменного резистора, подключаемого к специальным выводам (R_бал. на рис. 1). Некоторые типы ОУ таких выводов не имеют и балансируются по входу (140УД5, рис. 2,е).

Средний температурный дрейф напряжения смещения (DU_см/DT) – максимальное изменение U_см при изменении температуры на 1°C в оговоренном диапазоне температур. Измеряется в мкВ/°C. Типовые значения для биполярных входов 5¸20 мкВ/°C, для входов с полевыми транзисторами 20¸100 мкВ/°C. Если U_см можно скомпенсировать до нуля, то с температурным дрейфом бороться сложнее. Входной ток I_вх и разность входных токов DI_вх тоже изменяются с температурой.

Частота единичного усиления (f₁) - это частота, на которой |K₀(f₁)| = 1. Характерная зависимость коэффициента усиления от частоты приведена на рис. 3,а и 4, где ЛАХ пересекает уровень 0 дБ в точках f₁.

Рис. 4. ЛАХ ОУ с внутренней коррекцией: 1 – без обратной связи; 2 ‑ при коэффициенте ООС b = 10^‑1 (К_ос = 10)

Граничная частота (f_гр) определяется как частота, на которой коэффициент усиления уменьшается на 3 децибела: |K(f_гр)| = 0.707×|K(0)|.[1] Область частот 0 ¸ f_гр называют полосой пропускания. Введение ООС расширяет полосу пропускания (график 2 на рис. 4).

Скорость нарастания выходного напряжения определяется как dU_вых/dt при воздействии импульса большой амплитуды. Измеряется в В/мкс. Для разных ОУ меняется в пределах от 0.1 В/мкс (прецизионные ОУ) до 100 В/мкс (быстродействующие ОУ). Этот параметр становится важным, если ОУ используется в качестве компаратора (различителя) уровней сигналов в быстродействующих схемах.

Диапазон выходного напряжения (DU_вых) – это диапазон значений выходного напряжения, при котором параметры ОУ лежат в гарантированных пределах. Зависит от напряжения питания. При несимметричном выходе верхняя и нижняя границы диапазона различны. Например, для 544УД2 DU_вх=10В при Е_п = ±15В (симметричный выход); для 140УД5 DU_вх = +6В/–4В при Е_п = ±12В (несимметричный выход).

Диапазон синфазных входных напряжений (DU_вх.сф) – это такой диапазон синфазных входных напряжений, в котором параметры ОУ лежат в гарантированных пределах. Зависит от напряжения питания. Примерно на 3¸5 В меньше Е_п.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала равен отношению синфазного входного напряжения к дифференциальному, вызывающих одно и то же U_вых. Измеряется в децибелах. Для разных ОУ изменяется в пределах от 50 дБ (140УД5А) до 120 дБ (140УД24).

Максимальный выходной ток (I_вых.max). Для ОУ, имеющих внутреннюю защиту от короткого замыкания по выходу, это выходной ток короткого замыкания в режиме ограничения; для ОУ без защиты от КЗ – предельный выходной ток, который нельзя превышать. Для разных ОУ изменяется в диапазоне 1¸400 мА.

Существуют также другие параметры, характеризующие ток потребления, шумовые, температурные, частотные, фазовые, временные и другие свойства ОУ. В конкретных применениях любой из этих параметров может стать самым важным и определяющим выбор типа ОУ.

2. Схемы включения операционных усилителей

Как уже упоминалось выше, нормальная работа ОУ в линейном режиме возможна только в схемах с глубокой ООС. Для понимания работы таких схем полезно понятие виртуального, или мнимого, заземления.

Инвертирующий усилитель. Рассмотрим схему на рис. 5.

Рис. 5. Рис. 6.

Инвертирующий усилитель Неинвертирующий усилитель

Потенциал на неинвертирующем входе U_B = 0. Так как ОУ находится в линейном режиме, из (1) следует U_B - U_A = U_вых/К₀. Например, при U_вых ~ 5В, К₀ ~2×10⁵ получаем U_A ~ 25 мкВ. Такое малое напряжение (оно сравнимо с величиной термо‑э.д.с. при DT~1°C) даже невозможно измерить обычным цифровым вольтметром. Отсюда следует, что потенциалы на входах ОУ можно с хорошей точностью считать равными. Если один из входов ОУ заземлить, на втором входе будет также поддерживаться нулевой потенциал, хотя напрямую входы ОУ гальванически не связаны. Этот эффект называется виртуальным, или мнимым, заземлением.

Таким образом, из U_В = 0 следует U_А = 0, U_вх ‑ U_A = U_вх (падение напряжения на R₁); U_вых ‑ U_A = U_вых (падение напряжения на R₂). Поскольку входной ток ОУ очень мал (I_вх-<<I₁), им можно пренебречь, тогда получим I₁ = U_вх/R₁ = -U_вых/R₂. Это означает, что для инвертирующего усилителя K_ОС = U_вых/U_вх = ‑R₂/R₁.

Для минимизации влияния токов смещения вход "+" заземляется через резистор R₃ » R₁||R₂.

Входное сопротивление этой схемы равно R_вх.ОС = R₁, так как U_А = 0 (мнимое заземление).

Выходное сопротивление R_вых.ОС = 0, так как R_вых.ОС = dU_вых/dI_вых, а U_вых = ‑(R₂/R₁)×U_вх от I_вых не зависит. Это не означает, конечно, что к выходу ОУ можно подключать нагрузку сколь угодно малого сопротивления, так как I_вых.max ограничен: R_н.min = U_вых/I_вых.max, т. е. минимальное сопротивление нагрузки на выходе ОУ зависит от амплитуды выходного напряжения.

Как видим, понятие мнимого заземления и идеализация ОУ (I_вх = 0, К₀ = ¥) существенно облегчают анализ схем включения ОУ, а точный расчет может добавить только члены порядка К_ОС/К₀ << 1, например для выходного сопротивления вместо нуля будем иметь

R_вых.ОС =

. (2)

При R_вых = 200 Ом, К₀ = 2×10⁵, R₂/R₁ » 10 R_вых.ОС » 10^‑2 Ом – сопротивление обычного медного провода диаметром 0.3 мм и длиной всего 5 см!

Неинвертирующий усилитель можно получить, подавая сигнал на неинвертирующий вход, а цепь ООС – на инвертирующий, как показано на рис. 6. Напряжение ОС снимается с делителя: U_A = U_вых×R₁/(R₁+R₂). Так как U_A = U_вх, коэффициент усиления K_ОС = U_вых/U_вх = 1 + R₂/R₁.

Входное сопротивление схемы R_вх.ОС = R_вх×К₀×R₁/(R₁ + R₂) – как всегда при последовательной ООС входное сопротивление увеличивается.

Выходное сопротивление R_вых.ОС@ 0.

Рис. 7. Суммирующий усилитель

Аналоговый сумматор. На ОУ легко реализовать аналоговый суммирующий усилитель (рис. 7). По первому закону Кирхгофа с учетом мнимого заземления получаем

I₁ + I₂ + I₃ = I_ОС;

.

Если величины сопротивлений R₁, ... R_n выбрать равными, то на выходе получим сумму входных напряжений. Если же R₁, ... R_n взять кратными степени двойки: R_n = R×2^n‑1, а на входы U_n через ключи, управляемые цифровым кодом, подать эталонное напряжение, то получим простейший цифро-аналоговый преобразователь – ЦАП.

Аналоговый интегратор. Рассмотрим схему на рис. 8,а. Ток I_вх = I_R = U_вх/R = I_C = C×dU_C/dt (мнимое заземление). Следовательно, с учетом полярности U_C, получаем