Идеальный оу.

Для уяснения принципов действия схем на ОУ и упрощения их анализа оказывается полезным ввести понятие идеального ОУ. Будем называть ОУ идеальным, если он имеет следующие свойства:

а) бесконечно большой дифференциальный коэффициент усиления по напряжению K_V=V_OUT/(V_p – V_n) (у реальных ОУ K_V лежит в пределах 10³ …3010⁶);

б) нулевое напряжение смещения нуля V_OFF, т. е. при равенстве входных напряжений выходное напряжение равно нулю независимо от синфазного входного напряжения (у реальных ОУ V_OFF, приведенное к входу, находится в пределах (1 мкВ ... 50 мВ);

в) нулевые входные токи по обоим входам (у реальных ОУ они лежат в пределах от сотых долей пА до единиц мкА);

г) нулевое выходное сопротивление (у реальных маломощных ОУ от десятков Ом до единиц кОм);

д) коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю;

е) мгновенный отклик на изменение входных сигналов (у реальных ОУ время установления выходного напряжения лежит в пределах от единиц нс до сотен мкс).

Операционный усилитель, предназначенный для универсального применения, из соображений устойчивости должен иметь такую же частотную характеристику, что и фильтр нижних частот первого порядка (инерционное звено), причем это требование должно удовлетворяться, по крайней мере, вплоть до частоты единичного усиления f_T, т.е. частоты, при которой |K_V| = 1. На рисунке представлена типичная логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) скорректированного операционного усилителя.

Типичная лачх операционного усилителя

В комплексной форме дифференциальный коэффициент усиления такого усилителя выражается формулой:

Иными словами, частота единичного усиления f_T равна произведению коэффициента усиления на ширину полосы пропускания. Следует иметь в виду, что это утверждение справедливо только для усилителей с полной внутренней коррекцией.

Требования к реальному оу.

Для обеспечения достаточной устойчивости и выполнения математических операций над сигналами с высокой точностью реальный ОУ должен обладать следующими свойствами:

• высоким коэффициентом усиления по напряжению, в том числе и в области нулевых частот;

• малым напряжением смещения нуля;

• малыми входными токами по обоим входам;

• высокими входными сопротивлениями по обоим входам;

• низким выходным сопротивлением;

• амплитудно-частотной характеристикой с наклоном в области высоких частот —20 дБ/дек вплоть до частоты единичного усиления f_T.

Из первого следует, что ОУ должен быть усилителем постоянного тока (УПТ) с высоким коэффициентом усиления по напряжению и, следовательно, содержать несколько каскадов усиления. Однако, как будет показано в дальнейшем, с ростом числа каскадов усиления увеличивается опасность нарушения устойчивости ОУ с обратными связями и усложняются цепи коррекции. Даже усилители всего лишь с тремя каскадами усиления напряжения (например, 140УД2, 153УД1, 551УД1) требуют столь сложных схем включения, что разработчики стараются избегать их применения. Чтобы уйти от многокаскадности, приходится использовать усилительные каскады с очень высоким коэффициентом усиления по напряжению. Большие трудности проектирования усилителей постоянного тока связаны также с обеспечением малого смещения нуля ОУ.

Смещение нуля ОУ проявляется в том, что при входном дифференциальном напряжении, равном нулю, выходное напряжение принимает некоторое значение, не равное нулю. Обычно определяют смещение нуля через приведенное ко входу напряжение смещения (или входное напряжение сдвига), под которым понимают такое дифференциальное напряжение V_OFF которое нужно приложить к входу усилителя, чтобы его выходное напряжение стало равным нулю.

Смещение нуля, по сути, является аддитивной погрешностью выполнения математических операций ОУ над входными сигналами. Смещение нуля может иметь существенные температурный и временной дрейфы. Операционные усилители на дискретных транзисторах имели значительное смещение нуля, связанное с неидентичностью транзисторов. Только применение и усовершенствование интегральной технологии, позволившей изготавливать парные транзисторы дифференциального каскада в едином производственном цикле и на расстоянии нескольких микрон друг от друга, привело к существенному снижению смещения нуля и его временного и температурного дрейфов.

Б лок-схема операционного усилителя, в большой мере удовлетворяющего требованиям, предъявляемым к ОУ, приведена на рисунке.

Схема дифференциального усилительного каскада

Первый каскад определяет важнейшие точностные параметры ОУ, такие, как напряжение смещения нуля, коэффициент ослабления синфазной составляющей входного напряжения, входные токи и входное сопротивление, поэтому.

Коэффициент усиления дифференциальных входных напряжений каскада приблизительно определяется выражением

Для того чтобы определить коэффициент усиления синфазного сигнала, на оба входа дифференциального усилителя нужно подать одно и то же напряжение V_IN. В этом случае оба транзистора со своими коллекторными нагрузками включены по существу параллельно. Через резистор R_E протекают оба эмиттерных тока. Поэтому

К оэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) — важный параметр операционного усилителя, характеризующий его точность при дифференциальном включении. КОСС численно равен отношению синфазного входного напряжения к дифференциальному входному напряжению, вызывающим одно и то же приращение выходного напряжения ОУ. Измеряется обычно в дБ.

Улучшить параметры дифференциального усилителя в принципе можно простым увеличением сопротивлений резисторов R_C и R_E, но при этом уменьшится ток покоя транзисторов и как следствие, ухудшится температурная и временная стабильность усилителя. Более эффективный путь улучшения характеристик усилителя состоит в замене резисторов источниками тока, обладающими высоким динамическим сопротивлением при достаточно