Характеристики операционных усилителей

ОУ характеризуются

• усилительными,

• входными,

• выходными,

• энергетическими,

• дрейфовыми,

• частотными и

• скоростными характеристиками.

Усилительные характеристики

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.

Рис. 1.3

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 +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_uоу = U_вых / U_вх. 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 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).

Дрейфовые характеристики

На (рис. 1.4) показан вид передаточной характеристики реального ОУ.

Рис. 1.4

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. Напряжения U_смо и U_вых связаны соотношением U_смо = U_вых / К_uоу. 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 U_сф (соизмеримых с напряжением источника питания) коэффициент усиления синфазного сигнала К_сф резко возрастает.

Рис. 1.5

Используемый диапазон входного напряжения называется областью ослабления синфазного сигнала. ОУ характеризуется коэффициентом ослабления синфазного сигнала.

Входные характеристики

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).

Рис. 1.6

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.