Параметры и характеристики операционных усилителей

Основными параметрами ОУ являются: коэффициент усиления по напряжению K_U, равный отношению амплитуды выходного напряжения к амплитуде дифференциального входного напряжения

K_U= U_mвых/U_mвх

Величина К_U известных ОУ колеблется в пределах 10³-5·10⁶, у идеальных ОУ считается равным бесконечности.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала

К_осс = К_д/К_с

где: К_с - коэффициент усиления синфазного сигнала.

Величина К_осс составляет 60-120дб.

Входное сопротивление для дифференциального и синфазного сигнала колеблется в пределах от 0,01 до 1000 мОм.

Входное напряжение смещения нуля U_см, мВ равное напряжению, которое следует подать на один из входов ОУ или на специальный вход ОУ, чтобы U_вых = 0 (десятые доли миливольта).

Частота единичного усиления f₀, при которой К_U= 1 при малом сигнале (f₀ = I - I00 мГц)

Скорость нарастания выходного напряжения (В/мкс). Это наибольшая скорость изменения выходного напряжения ОУ при воздействии импульса максимального входного напряжения прямоугольной формы. Эта величина колеблется в пределах 0,1 - 350 В/мкс.

Максимальное выходное напряжение определяется предельным значением выходного напряжения ОУ при оговоренном сопротивлении нагрузки и напряжении входного сигнала. Как правило, на 1 - 5В ниже напряжения питания.

Выходное сопротивление колеблется в пределах от нескольких Ом до нескольких сотен Ом.

Перечисленные параметры позволяют производить оценку и делать обоснованный выбор ОУ.

Важнейшими характеристиками ОУ являются передаточные (амплитудные ) и частотные характеристики.

Амплитудная характеристика - это зависимость выходного напряжения от напряжения на входе. Так как ОУ имеет два входа, то амплитудных характеристик две: одна для инвертирующего, другая для неинвертирующего входов.

Характеристики снимают при подаче сигнала на один из входов при нулевом сигнале на другом. Каждая из кривых состоит из горизонтальных и н аклонных участков (рис.5). Горизонтальные участки ( соответствуют режиму полностью открытых (насыщенных) либо закрытых транзисторов выходного каскада ОУ. При изменении напряжения входного сигнала на этих участках выходное напряжение усилителя остается без изменений.

Наклонному (линейному) участку кривых соответствует пропорциональная зависимость выходного напряжения от входного. Угол наклона участка определяется коэффициентом усиления ОУ. В общем случае графики амплитудных характеристик не проходят через нулевую точку. Поэтому для обеспечения равенства нулю выходного напряжения необходимо на вход подать некоторое напряжение, называемое напряжением смещения нуля U_см0. Во многих ОУ предусмотрены специальные выводы для установки нулевого напряжения на выходе при отсутствии напряжения на входе.

Диапазон входных напряжений в пределах линейного участка мал и составляет единицы милливольт.

Расширение диапазона усиливаемых напряжений ОУ достигается введением ООС, которая обязательна в схемах устройств, построенных на базе ОУ.

Частотные характеристики показывают зависимости амплитуды и фазы усиливаемого сигнала от частоты.

ОУ - это многокаскадный усилитель постоянного тока с непосредственными связями между каскадами. На нижних частотах, начиная с f = 0, коэффициент усиления не изменяется и разность фаз между входным и выходным напряжениями определяется видом используемого входа и также остается постоянной. На верхних частотах из-за влияния паразитных емкостей начинает уменьшаться коэффициент усиления (К_U) и появляется дополнительный фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами (рис.6).

На высоких частотах К_U ОУ снижается по причине шунтирующего действия паразитных емкостей. Выходное напряжение отстает от входного сигнала и сдвиг по фазе может стать равным 180⁰ и более (характеристика показана для прямого входа). Если учесть, что выходной сигнал возвращается по цепи обратной связи на инвертирующий вход ОУ, то напряжение входного сигнала и обратной связи оказываются в фазе. Это приводит к неуправляемому росту выходного напряжения, искажению усиливаемого сигнала и самовозбуждению усилителя. Для устранения указанного явления принимаются специальные меры: частотная коррекция. Путем частотной коррекции добиваются того, чтобы коэффициент усиления ОУ стал равным единице раньше, чем паразитный набег фазы достигнет 180⁰. Запас по фазе считается достаточным, если он равен 60⁰. Частотная коррекция обеспечивается введением в схему ОУ частотнозависимых цепей. Элементы корректирующих цепей могут быть и внешними по отношению к ОУ .

Таким образом, операционные усилители характеризуются в основном теми же параметрами и характеристиками, что и обычные усилители, но значения этих параметров сильно отличаются. Кроме этого некоторые параметры являются специфическими и присущи только им.