Вопрос 11.

Операционный усилитель.

ОУ обозначение

Операционный усилитель OУ — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

ОУ- усилитель универсального назначения,ключевой особенностью которого является большой избыточный коэффициэнт усиления и возможность работать в схемах с ООС.

Несмотряна сущ-е нескольких технологий, позволяющих создать ОУ, доминирует ОУ с выходным дифференциальным каскадом(УПТ- усилители постоянного тока)

Рис Двухкаскадный ОУ.

Рис. схемное обозначение ОУ

Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа. Выходное напряжение U_вых находится в одной фазе с разностью входных напряжений: U_вых = K_{U ×}(U₁ - U₂)

Подключение ОУ :Чтобы обеспечить возможность работы ОУ как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, следует использовать двухполярное питающее напряжение.

Дифференциальные и синфазные входные напряжения.

1) Дифференциальное входное напряжение U_д=U_p-U_n

2) Синфазное входное напряжение U_c=(U_p+U_n)/2

Вопрос 12. Основные характеристики и параметры операционного усилителя:

    Параметры, описывающие качество ОУ, можно разделить на три группы: точностные, динамические и эксплуатационные.  

К точностным параметрам относятся: а)дифференциальный коэффициент усиления по напряжению K_U, б)коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС, в)напряжение смещения нуля U_см, г) входной ток I_вх, д) разность входных токов по инвертирующему и неинвертирующему входам I_р, е) коэффициент влияния источников питания Kв.ип и коэффициенты температурных дрейфов перечисленных параметров.

Действие точностных параметров проявляется в том, что при постоянных напряжениях на входах выходное напряжение ОУ отличается от расчетного.  

Представление об идеальном операционном усилителе.

Идеальным операционный усилитель, который имеет следующие свойства:

1. бесконечно большой дифференциальный коэффициент усиления по напряжению K_U=U_вых /(U₁ - U₂) (у реальных ОУ от 1 тыс. до 100 млн.);

2. нулевое напряжение смещения нуля U_см, т.е. при равенстве входных напряжений выходное напряжение равно нулю (у реальных ОУ U_см, приведенное ко входу, находится в пределах от 5 мкВ до 50 мВ);

3. нулевые входные токи (у реальных ОУ от сотых долей пА до единиц мкА);

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

5. коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю;

6. мгновенный отклик на изменение входных сигналов (у реальных ОУ время установления выходного напряжения от единиц наносекунд до сотен микросекунд).

g. Способность выставить на выходе любое значение напряжения.

h. Бесконечно большая скорость нарастания напряжения на выходе ОУ.

j. Полоса пропускания: от постоянного тока до бесконечности.

Как будет показано ниже, 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_т, т.е. такой частоты, при которой |KU| =1. На рис. 3 представлена типичная логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) скомпенсированного операционного усилителя.

В комплексной форме дифференциальный коэффициент усиления такого усилителя выражается формулой:

    Здесь K_U - дифференциальный коэффициент усиления ОУ на постоянном токе. Выше частоты f_п, соответствующей границе полосы пропускания на уровне 3 дБ, модуль коэффициента усиления K_U обратно пропорционален частоте. Таким образом, в этом диапазоне частот выполняется соотношение |K_U| f = |K_U| f_п = f_т

    На частоте f_т модуль дифференциального коэффициента усиления |K_U| = 1. Как следует из последнего выражения, частота f_т равна произведению коэффициента усиления на ширину полосы пропускания.

Частота, при которой выполняется это условие, называется критической f_кр. Частота, при которой модуль коэффициента усиления петли обратной связи (коэффициента петлевого усиления) |K_п| = |K_U|=1, называется частотой среза f_ср. Коэффициент  в этом соотношении является коэффициентом передачи цепи обратной связи. Как для инвертирующего, так и для неинвертирующего включения ОУ при резистивной обратной связи он определяется как

 = R₁/(R₁+R₂)

    Согласно выражениям (8), (9), между  и коэффициентом усиления входного сигнала схемы на ОУ K существует следующая взаимосвязь:

для инвертирующего включения для неинвертирующего включения.

(14)

    Степень устойчивости, а также мера затухания переходных процессов приближенно определяется запасом устойчивости по фазе. Под этой величиной понимается дополнительный до 180° угол к фазовому запаздыванию на критической частоте:

 =180° + (f_кр).

Коэффициент усиления дифференциальный и синфазный

Погрешность ОУ, вносимую конечным значением дифференциального коэффициента усиления :

Выходное напряжение схемы при бесконечно большом K_U определится соотношением: U_вых = U_вх/          (16)

    При конечном KU выходное напряжение будет отличаться на величину U_вых:

U_вых+ U_вых = U_вхK_U/(1+ K_U)         (17)

    Вычтя из (17) (16), получим:

U_вых = -U_вх / (1+ K_U)         (18)

    Как следует из (16), соответствующее отклонение, приведенное ко входу, с точностью до величин второго порядка малости:

U_вх= U_вых ,

откуда находим окончательно относительную погрешность, приведенную ко входу:

    Из последнего выражения следует, что погрешность преобразования входного сигнала схемой на ОУ обратно пропорциональна коэффициенту петлевого усиления. Для гармонических сигналов можно получить аналогичное соотношение:

    Погрешность, обусловленная синфазным входным напряжением ОУ, может быть определена следующим образом. Выходное напряжение усилителя является функцией как дифференциального U_д=U_p-U_n, так и синфазного U_c=(U_p+U_n)/2 входных напряжений:

U_вых=U_вх(U_д,U_с).

    Приращение этого напряжение определяется соотношением:

, или

U_вых =K_U U_д +K_с U_с ,         (21)

    где K_с - коэффициент усиления синфазного сигнала. При U_вых = 0 из (21) следует:

    Коэффициент ослабления синфазного сигнала показывает, какое значение дифференциального входного напряжения U_д следует приложить ко входу усилителя, чтобы скомпенсировать усиление входного синфазного сигнала. 

Входной ток

    Величину I_вх называют в технических характеристиках ОУ входным током, а I_р - разностью входных токов. Составляющая U, вызванная входным током, может быть устранена правильным выбором соотношения резисторов, другую же составляющую U, обусловленную разностью входных токов, можно только уменьшить, выбирая номиналы резисторов по возможности минимальными.

Рис. 18. Включение компенсирующего резистора

Разность входных токов и её дрейф.

    На точность преобразования постоянного входного сигнала существенное влияние оказывают температурные дрейфы напряжения смещения U_см/T и входного тока I_вх/Т. (квадратики это изменение(дельта))Особенно существенное влияние может оказать дрейф прогрева, который проявляется при быстром изменении температуры в первое время после включения питания. При этом приращение U_см может быть существенно больше значения, получаемого при медленном изменении температуры. Это явление связано с возникновением термического градиента внутри подложки микросхемы. Наибольшее влияние разницы температур проявляется в парных транзисторах дифференциального усилительного каскада, где она нарушает баланс дрейфов их эмиттерно-базовых напряжений. Длительность процесса установления температуры может достигать несколько десятков секунд. Коэффициент влияния источников питания обычно определяют как приведенное ко входу ОУ статическое (т.е. очень медленное) изменение выходного напряжения U_вых, обусловленное изменением одного из источников питания на 1 вольт. Обычно имеет размерность децибел или мкВ/В. С ростом частоты пульсаций напряжения питания коэффициент влияния источников питания увеличивается, поэтому для ослабления паразитных каналов прохождения сигналов по цепям питания между выводами питания ОУ и общей точкой включают конденсаторы.