4.3 Исследование характеристик операционного усилителя

Интегральный операционный усилитель (ОУ) характеризуется рядом параметров, описывающих этот компонент с точки зрения качества выполнения им своих функций. Среди параметров, обычно приводимых в справочных данных, основными являются следующие.

Средний входной ток I_ВХ. В отсутствии сигнала на входа ОУ через его входные выводы протекают токи, обусловленные базовыми токами входных биполярных транзисторов или токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Входные токи, проходя через внутреннее сопротивление источника входного сигнала, создают падения напряжения на входе ОУ, которые могут вызвать появление напряжения на выходе в отсутствие сигнала на входе.

Компенсация этого падения напряжения затруднена тем, что токи входов реальных ОУ могут отличаться друг от друга на 10…20%

Входные токи ОУ можно оценить по среднему входному току, вычисляемому как среднее арифметическое токов инвертирующего и неинвертирующего входов:

, (4.12)

где I₁ и I₂ соответственно токи инвертирующего и неинвертирующего входов.

Разность входных токов ΔI_ВХ определяется выражением

ΔI_ВХ=I₁ – I₂. (4.13)

В справочниках указывают модуль этой величины.

Схема для измерения входных токов представлена на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4 – Схема для измерения входных токов

Коэффициент усиления напряжения на постоянном токе К₀ – показатель ОУ, определяющий насколько хорошо выполняет ОУ основную функцию – усиление входных сигналов. У идеального усилителя коэффициент усиления должен стремиться к бесконечности.

Коэффициент усиления напряжения схемы усилителя на ОУ (рисунок 4.5) вычисляется по формуле

. (4.14)

Рисунок 4.5 – Схема усилителя на ОУ

Напряжение смещения U_СМ – значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы напряжение на его выходе было равно нулю.

Напряжение смещения U_СМ можно вычислить, зная выходное напряжение ΔU_ВЫХ при отсутствии напряжения на входе и коэффициент усиления:

. (4.15)

Входное сопротивление R_ВХ. Различают две составляющие входного сопротивления: дифференциальное входное сопротивление и входное сопротивление по синфазному сигналу (сопротивление утечки между каждым входом и "землей"). Входное дифференциальное сопротивление для биполярных ОУ находится обычно в пределах 10 кОм…10 Мом. Входное сопротивление по синфазному сигналу определяется как отношение приращения входного синфазного напряжения ΔU_ВХ.СФ к вызванному приращению среднего входного тока ΔI_ВХ.СР:

. (4.16)

Дифференциальное входное сопротивление наблюдается между входами ОУ и может быть определено по формуле

, (4.17)

где ΔU_ВХ – изменение напряжения между входами ОУ, ΔI_ВХ – изменение входного тока.

Выходное сопротивление R_ВЫХ в интегральных ОУ составляет 20…2000 Ом. Выходное сопротивление уменьшает амплитуду выходного сигнала, особенно при работе усилителя, на сравнимое с ним сопротивление нагрузки. Схема для измерения дифференциального входного сопротивления ОУ и выходного сопротивления приведена на рисунке 4.6.

Рисунок 4.6 – Схема для измерения дифференциального входного сопротивления ОУ и выходного сопротивления

Скорость нарастания выходного напряжения V_UВЫХ равна отношению изменения выходного напряжения ОУ ко времени его нарастания при подаче на вход скачка напряжения. Время нарастания определяется интервалом времени, в течение которого выходное напряжение ОУ изменяется от 10 до 90% от своих установившихся значений.

. (4.18)

Схема для измерения скорости нарастания выходного напряжения показана на рисунке 4.7. Измерения проводятся при подаче импульса в виде ступени на вход ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС) с общим коэффициентом усиления от 1 до 10.

Рисунок 4.7 – Схема для измерения скорости нарастания выходного напряжения

Последовательность выполнения работы

1. Собрать схему (см. рисунок 4.4). Выбрать модель ОУ. Включить схему. Измерить входные токи ОУ. По результатам измерений вычислить средний входной ток I_ВХ и разность ΔI_ВХ входных токов ОУ.

2. Собрать схему (см. рисунок 4.5). Выбрать модель ОУ. Включить схему. Записать показания вольтметра. По результатам измерения вычислить напряжение смещения U_СМ, используя коэффициент усиления схемы на ОУ.

3. Собрать схему (см. рисунок 4.6). Выбрать модель ОУ. Включить схему. Измерить входной ток I_ВХ и выходное напряжение U_ВЫХ, записать показания. Переключить ключ клавишей [Space]. Измерить входной ток после переключения ключа. Рассчитать изменения входного напряжения и тока. По полученным результатам вычислить дифференциальное входное сопротивление ОУ.

4. Уменьшить сопротивление нагрузочного резистора R₁ до тех пор, пока выходное напряжение U_ВЫХ не будет примерно равно половине значения, полученного в п. 3. Записать значение сопротивления R_L, которое в этом случае приблизительно равно выходному сопротивлению R_ВЫХ ОУ.

5. Собрать схему (см. рисунок 4.7). Выбрать модель ОУ. Включить схему. Снять осциллограмму выходного напряжения. По осциллограмме определить величину выходного напряжения, время его установления и вычислить скорость нарастания выходного напряжения в В/мкс.

Задание для самостоятельного изучения приведено в таблице 4.5.

Таблица 4.5 – Задание для самостоятельного изучения

Вариант	Модель ОУ
1	LM709
2	LM709A
3	LM709C
4	LM710
5	LM710C
6	LM715
7	LM725
8	LM741
9	LM741A
10	LM741C
11	LM741E
12	LM748
13	LM759
14	LM759C
15	LM833
16	LM607AM
17	LM607BM
18	LM6118
19	LM6161
20	LM6162
21	LM6164
22	LM6165
23	LM6261
24	LM6262
25	LM6264