1.2 Идеальный операционный усилитель

Идеальный операционный усилитель обладает следующими свойствами:

• дифференциальный коэффициент усиления по напряжению K_u → ,

• коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю,

• если входное напряжение U_вх = 0,то выходное напряжение U_вых = 0,

• входные токи по обоим входам равны нулю,

• входное сопротивление R_вх → ,

• выходное сопротивление R_вых → 0,

• полоса усиления – бесконечно широкая,

• отклик на изменение входных сигналов – мгновенный.

1.3 Основные характеристики операционного усилителя

Усилительные характеристики. Основными усилительными 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.

Рис. 1.3 – Амплитудные характеристики ОУ

Горизонтальные участки кривых соответствуют режимам полностью открытых либо закрытых транзисторов выходного каскада. При изменении входного напряжения на этих участках выходное напряжение усилителя остается постоянным и определяется напряжением +U_{вых (max)}, -U_{вых (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:

K_u = U_вых / U_вх.

Амплитудные характеристики, представленные на рис. 1.3, проходят через нуль. Cостояние, когда U_вых = 0 при U_вх = 0, называется балансом ОУ. Однако для реальных ОУ условие баланса обычно не выполняется (наблюдается разбаланс). При U_вх = 0 выходное напряжение ОУ может быть больше или меньше нуля (U_вых = + U_вых или U_вых =  U_вых). Напряжение U_смо, при котором U_вых = 0, называется входным напряжением смещения нуля. Оно определяется значением напряжения, которое необходимо подавать на вход ОУ для создания баланса.

Входные характеристики. Входными параметрами ОУ являются входное сопротивление, входные токи смещения, разность и дрейф входных токов смещения, а также максимальное входное дифференциальное напряжение.

Выходные характеристики. Выходными параметрами ОУ являются выходное сопротивление, а также максимальное выходное напряжение и ток.

Частотные характеристики. Основной частотной характеристикой ОУ является амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), (рис. 1.4). АЧХ имеет спадающий характер в области высокой частоты, начиная от частоты среза f_ср. По граничной частоте f_гр, которой соответствует снижение коэффициента усиления ОУ в 2 раз, оценивают полосу пропускания частот усилителя, составляющую для современных ОУ десятки и даже сотни мегагерц.

Рис. 1.4 – Амплитудно-частотная характеристика ОУ без ООС

Частота f₁, при которой коэффициент усиления ОУ равен единице, называется частотой единичного усиления.

Скоростные характеристики. 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. 1.5).

Рис. 1.5 – Реакция ОУ на скачок входного напряжения

Скорость нарастания выходного напряжения находят по отношению приращения выходного напряжения к времени на участке изменения выходного напряжения от 0,1U_вых до 0,9U_вых. Время установления выходного напряжения t_уст оценивают интервалом времени, в течение которого выходное напряжение меняется от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения.

Для упрощенного анализа схем с ОУ, работающим в линейном режиме, справедливы следующие правила:

1. разность потенциалов между входами равна нулю,

2. входные токи усилителя равны нулю.