|
|
|
|
|
|
||
ОУ характеризуются
Коэффициент усиления К равен отношению приращения выходного напряжения (тока) к вызвавшему это приращение входному напряжению (току) при отсутствии обратной связи (ОС). Он изменяется в пределах от 103 до 107.
Важнейшими характеристиками ОУ являются амплитудные (передаточные) характеристики (рис. 1.3).
Их представляют в виде двух кривых, относящихся соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам. Характеристики снимают при подаче сигнала на один из входов при нулевом сигнале на другом. Каждая из кривых состоит из горизонтального и наклонного участков.
Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму полностью открытого (насыщенного) либо закрытого транзисторов выходного каскада. При изменении входного напряжения на этих участках выходное напряжение усилителя остается постоянным и определяется напряжением +Uвых (max), -Uвых (max). Эти напряжения близки к напряжению источников питания.
Наклонному (линейному) участку кривых соответствует пропорциональная зависимость выходного напряжения от входного. Этот диапазон называется областью усиления.Угол наклона участка определяется коэффициентом усиления ОУ: Kuоу = 
Uвых / Uвх. Большие значения коэффициента усиления ОУ позволяют при охвате таких усилителей глубокой отрицательной обратной связью получать схемы со свойствами,которые зависят только от параметров цепи отрицательной обратной связи.
Амплитудные характеристики, представленные на (рис. 1.3), проходят через нуль. Состояние, когда Uвых = 0 при Uвх = 0,называется балансом ОУ. Однако для реальных ОУ условие баланса обычно не выполняется (наблюдается разбаланс). При Uвх = 0 выходное напряжение ОУ может быть больше или меньше нуля (Uвых = + Uвых или Uвых = - Uвых).
На (рис. 1.4) показан вид передаточной характеристики реального ОУ.
Напряжение Uсмо, при котором Uвых = 0, называется входным напряжением смещения нуля. Оно определяется значением напряжения, которое необходимо подавать на вход ОУ для создания баланса. Напряжения Uсмо и Uвых связаны соотношением Uсмо = Uвых / Кuоу. Основной причиной разбаланса ОУ является существенный разброс параметров элементов дифференциального усилительного каскада. Зависимость от температуры параметров ОУ вызывает температурный дрейф входного напряжения смещения и температурный дрейф выходного напряжения.
Передаточная характеристика ОУ для синфазного сигнала показана на (рис. 1.5), из которого видно, что при достаточно больших значениях Uсф (соизмеримых с напряжением источника питания) коэффициент усиления синфазного сигнала Ксф резко возрастает.
Используемый диапазон входного напряжения называется областью ослабления синфазного сигнала. ОУ характеризуется коэффициентом ослабления синфазного сигнала.
Входное сопротивление, входные токи смещения, разность и дрейф входных токов смещения, а также максимальное входное дифференциальное напряжение характеризуют основные параметры входных цепей ОУ, которые зависят от схемы используемого дифференциального входного каскада.
Входной ток смещения - ток на входах усилителя, необходимый для работы входного каскада ОУ. Он обуславливается конечным значением входного сопротивления дифференциального каскада. Входной ток сдвига - это разность токов смещения, необходимых для двух входных транзисторов ОУ. Он появляется вследствие неточного согласования коэффициентов усиления по току входных транзисторов. Ток сдвига является переменной величиной, лежащей в диапазоне от нескольких единиц до нескольких сотен наноампер.
Начальные входные токи смещения ОУ с дифференциальным каскадом на биполярных транзисторах определяются токами без транзисторов при заземленных выводах, а при наличии каскадов на полевых транзисторах - токами утечки затворов.
Необходимость учета входных токов возникает при построении схем на ОУ, когда в цепь одного или обоих входов включаются резисторы (рис. 1.6). При неодинаковых величинах сопротивлений резисторов или входных токов падения напряжения на резисторах R1 и R2 будут неодинаковыми, что создает между входами дифференциальное напряжение и соответственно вызовет появление на выходе некоторого напряжения (разбаланса).
Вследствие наличия входного напряжения смещения и входных токов смещения схемы ОУ приходится дополнять элементами, предназначенными для начальной их балансировки. Балансировка осуществляется подачей на один из входов ОУ некоторого дополнительного напряжения и введения резисторов в его входные цепи.
Максимальным дифференциальным входным напряжением лимитируется напряжение, подаваемое между входами ОУ в схеме, для исключения повреждения транзисторов дифференциального каскада.Для защиты между входами ОУ включаются встречно - параллельно два диода и стабиллитрона.
Следует различать дифференциальное входное сопротивление т.е. сопротивление между двумя входными выводами, и синфазное входное сопротивление, т.е. сопротивление между объединенными обоими входами и землей.
Выходными параметрами ОУ являются выходное сопротивление, а также максимальное выходное напряжение и ток. ОУ должен обладать малым выходным сопротивлением для обеспечения высоких значений напряжения на выходе при малых сопротивлениях нагрузки. Малое выходное сопротивление достигается применением на выходе ОУ эмиттерного повторителя. Максимальное выходное напряжение (положительное или отрицательное) близко к напряжению питания. Максимальный выходной ток ограничивается допустимым коллекторным током выходного каскада ОУ.
Энергетические параметры ОУ оценивают максимальными потребляемыми токами от обоих источников питания и соответственно суммарной потребляемой мощностью.
Усиление гармонических сигналов характеризуется частотными параметрами ОУ, а усиление импульсных сигналов - его скоростными или динамическими параметрами.
Многие типы ОУ общего и специального назначения имеют внутреннюю коррекцию, т.е. в схему таких ОУ включен конденсатор малой емкости (обычно 30пФ). Такой конденсатор внутренней частотной коррекции предотвращает генерацию ОУ на высоких частотах. Это происходит за счет уменьшения усиления ОУ с ростом частоты. Интервал частот, на котором частота изменяется в 10 раз, называется декадой. Изменение частоты в два раза называется октавой. Изготовители представляют частотную зависимость усиления ОУ без ОС в виде кривой, называемой амплитудно - частотной характеристикой (АЧХ) без ОС.
На (рис. 1.7) представлена АЧХ, типичная для ОУ с внутренней коррекцией.
На низких частотах коэффициент усиления без ОС очень велик. АЧХ имеет спадающий характер в области высокой частоты, начиная от частоты среза fср. Причиной этого является частотная зависимость параметров транзисторов и паразитных емкостей схемы ОУ. По граничной частоте fгр, которой соответствует снижение коэффициента усиления ОУ в корень квадратный из 2 раз, оценивают полосу пропускания частот усилителя, составляющую для современных ОУ десятки мегагерц.
Частота f1, при которой коэффициент усиления ОУ равен единице, называется частотой единичного усиления. Если разделить полосу единичного усиления на частоту входного сигнала, то получим в результате коэффициент усиления ОУ на данной частоте сигнала. Усиление без ОС на частоте равно полосе пропускания, деленной на частоту входного сигнала.
При составлении графиков частотных характеристик обычно используется логарифмический масштаб.
Коэффициент усиления по напряжению в децибелах равен: KдБ = 20 lg K, где K - числовое значение коэффициента усиления по напряжению.
Уменьшение коэффициента усиления с частотой называется спадом. Последовательная RC - цепь имеет скорость спада АЧХ 20 дБ/дек или 6дБ/окт.
Так как каждый усилительный каскад ОУ в простейшем случае представляется эквивалентной схемой, состоящей из последовательно соединенных R и C, то он также имеет скорость спада АЧХ 20дБ/дек. Для трехкаскадного ОУ коэффициент усиления усилителя равен произведению коэффициентов усиления его отдельных каскадов. При этом получается достаточно громоздкое выражение, поэтому часто пользуются весьма наглядной и простой для понимания диаграммой Боде - графиком зависимости десятичного логарифма Коэффициента усиления от десятичного логарифма частоты. Это удобно, так как значения коэффициентов усиления каскадов, выраженные в децибелах, можно складывать, вместо того чтобы их перемножать. Таким образом, АЧХ его каскадов можно получить, построив на одном графике АЧХ его каскадов и графически их сложив.
Так как интегральные ОУ без ОС практически не применяются, необходимо определить влияние ОС на АЧХ ОУ. Отрицательная ОС ограничивает коэффициент усиления ОУ и значительно расширяет полосу пропускания. Отметим, что отрицательная обратная связь не расширяет АЧХ ОУ, а граничная частота ОУ увеличивается за счет уменьшения коэффициента усиления усилителя.
Коэффициент усиления по контуру ОС, как видно из (рис. 1.8), есть разность между коэффициентами усиления ОУ без ОС и с ОС, выраженной в децибелах.
В том случае когда скорость спада АЧХ ОУ составляет 20дБ/дек, произведение коэффициента усиления ОУ на частоту единичного усиления есть величина постоянная.
При усилении сигналов ОУ обычно охватывается отрицательной обратной связью по инвертирующему входу. Вследствие создаваемого усилителем в области высоких частот Фазового сдвига выходного сигнала относительно входного фазочастотная характеристика ОУ по инвертирующему входу приобретает дополнительный (сверх 180°) фазовый сдвиг (рис. 1.9).
Для некоторой высокой частоты полный фазовый сдвиг становится равным 360°, что соответствует положительной обратной связи по инвертирующему входу на этой частоте, что приводит к самовозбуждению схемы. Для устранения самовозбуждения в ОУ вводят внешние корректирующие RC - цепи, позволяющие несколько изменить ход амплитудно - частотной и фазово - частотной характеристик.
Критерий устойчивости ОУ иногда выражается через запас устойчивости по фазе, который представляется в виде суммы фаз Ф = 180° + 
. Положительный запас устойчивости ОУ по фазе является показателем его устойчивости. Отрицательный запас по фазе характерен для неустойчивого ОУ. Для получения максимального быстродействия ОУ желательно иметь запас устойчивости по фазе около 45° .
Устойчивость ОУ можно оценить и по частоте, находящейся в полосе его пропускания. Если половина периода этой частоты равна времени задержки распространения сигнала по контуру ОС, то в ОУ возникают колебания.
В реальных условиях работы ОУ всегда имеют место паразитные эффекты и паразитные элементы, которые могут приводить к дополнительному увеличению сдвигов фазы по петле ОС и нарушать устойчивое состояние ОУ.
Для обеспечения устойчивой работы ОУ необходимо уменьшать запаздывание по фазе, т.е. корректировать АЧХ ОУ.
Динамическими параметрами ОУ являются скорость нарастания выходного напряжения (скорость отклика) и время установления выходного напряжения. Они определяются по реакции ОУ на воздействие скачка напряжения на входе (рис. 1.10).
Скорость нарастания выходного напряжения 
Uвых находят по отношению приращения выходного напряжения к времени на участке изменения выходного напряжения от 0,1Uвых до 0,9Uвых. Время установления выходного напряжения tуст оценивают интервалом времени, в течение которого выходное напряжение меняется от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения. В ряде схем ОУ допускается введение корректирующих цепей, улучшающих параметры Uвых и tуст. Для ОУ Uвых = 0.1:100 в/мкс, а tуст = 0.05:2 мкс.