ОУ обязан своим названием тому факту, что его первоначально^ назначение сводилось к выполнению вычислительных операций. Распространение недорогих монолитных ОУ сделало целесообразным применение их в качестве универсального функционального узла.
ОУ чаще всего строятся по схеме усилителя постоянного тока (УПТ) с непосредственной связью, реже оптронной связью или преобразованием сигнала. Он представляет собой усилитель с большим коэффициентом усиления К0. В результате этого многие качественные показатели электронных устройств, построенных на базе ОУ, определяются внешними целями обратной связи и практически не зависят от характеристик самого ОУ.
ОУ имеющий дифференциальный вход более универсален, чем ОУ с несимметричным входом. Максимальные положительные и отрицательные значения выходного напряжения 11шх должны быть равны, что приводит, как правило, к равенству абсолютных величин напряжений 2-х источников питания. Большинство ОУ имеют 1 выход.
Пять клемм составляют минимальное число выводов, необходимых для функционирования ОУ: инвертирующий и неинвертирую-щий входы, один выход и два вывода для подключения двух источников питания. Он изображается так, как представлено на рис. 5.11.
Рис. 5.11. Обозначение ОУ
При подаче сигнала на инвертирующий вход ОУ на его выходе появится сигнал противоположной полярности, например, если на этом входе в данный момент времени напряжение сигнала положительной полярности, то на выходе имеет место напряжение отрицательной полярности, и наоборот.
При подаче сигнала на неинвертирующий вход фазы, т.е. полярности сигналов на входе и на выходе совпадают.
Инвертирующий и неинвертирующий входы вместе образуют дифференциальный вход. При подаче сигналов на дифференциальный вход ОУ усиливает разность этих сигналов.
Можно обозначить ОУ так, как показано на рис. 5.12, где инвертирующий вход выделен кружочком.
В литературе встречается обозначение ОУ, где инвертирующий вход обозначается знаком (-), а знаком (+) - неинвертирующий вход (рис. 5.13). Эти знаки никак не связаны с полярностью входных сигналов 1/вх, и ?/вх2.
Рис. 5.13. Графическое обозначение ОУ, которое встречается в литературе
При расчетах электронных схем параметры операционного усилителя часто замещают идеальными, что во многих случаях облегчает синтез и анализ электронных схем на базе ОУ. Идеализация параметров ОУ возможна благодаря его очень большому коэффициенту усиления по напряжению, большому входному и очень маленькому выходному сопротивлениям и т.д.
5.7. Основные параметры ОУ
Коэффициент усиления ОУ. Отношение выходного напряжения к разности входных напряжений (рис. 5.14)
к=ивых/(ивх]- игк2)
получило название дифференциального коэффициента усиления (или просто коэффициента усиления) операционного усилителя. В идеальном случае К—> оо , а реальные значения К достигает 120 дБ (106раз).
Операционный усилитель (рис. 5.14) всегда усиливает разность двух входных сигналов: с/ВЬ1Х=/С(с/ВХ2 -UBX[). Если одно из входных напряжений равно нулю, то разность входных напряжений будет определяться одним из входных напряжений (со знаком «плюс» или «минус»).
Приведенное соотношение имеет смысл, когда усилитель работает в линейной области амплитудной (передаточной) характеристики. При этом должно удовлетворяться условие |с/вьге|<|?о|.
Условия линейности имеет вид UBX{ - Ubk2 < | Е01К. Для типовых ОУ К = 104ч-106 и более. При Е0= 10-И 2 В линейная область по входу составит 1 мВ и менее.
Напряжение UBX ОУ может быть сравнительно небольшим (единицы мВ), в то время как напряжение на каждом из входов (по отношению к общему проводу) может достигать нескольких вольт. Если амплитуды и фазы напряжений UBX], и UBx2 на входах ОУ (также по отношению к общему проводу) совпадают, их называют синфазными входными напряжениями (?/с ф вх). Значение синфазного входного напряжения принимается равным полусумме напряжений на входах ОУ:
1/сфвх = 0,5(С/вх| +Увха).
Показателем качества, с помощью которого можно сравнить различные ОУ, служит коэффициент подавления (ослабления) синфазной составляющей Косф = К/Кф где КС[} - коэффициент усиления синфазного сигнала. Для реального усилителя коэффициент усиления синфазного сигнала ~ 1. Для идеального ОУ /Ссф « 0. Коэффициенты усиления и ослабления синфазного сигнала ОУ можно измерить с помощью схемы, приведенной на рис. 5.15.
Значение Кос сф. идеальных ОУ должно быть бесконечно боль» шим. У реальных ОУ оно достигает на низкой частоте 90-rlOO дБ и уменьшается с ростом частоты. Применение дифференциального кас-када позволяет уменьшить дрейф нуля, поскольку источники дрейфа в основном синфазные. Существует предельное значение исф.вх
Входные и выходные сопротивления. Отношение приращения AUGX к приращению активной составляющей входного тока при заданной частоте сигнала называют входным сопротивлением (RBX) ОУ. В идеальном случае RBX =>оо„ Для усилителей на биполярных транзисторах RBX =300к-т-10 МОм,ъ шунтирующая емкость входа около 3 пФ.
Если входные каскады ОУ построены на полевых транзисторах, входное сопротивление RBX достигает значения 10м Ом и более. RBK следует отличать от входного сопротивления ОУ для синфазных входных напряжений (/?сф.вх), которое определяется как отношение приращения С/С.ф к приращению активной составляющей среднего входного тока при заданной частоте / Входное сопротивление синфазному сигналу Явхс.ср измеряется между соединенными вместе входными зажимами и «землей» и достигают еще более высокого значения, чем RBX.
ОУ ведет себя по отношению к нагрузке, подключенной к его выходу, как генератор напряжения, обладающий внутренним сопротивлением /?ВЬ1Х, реальное значение которого находится в пределах от нескольких Ом до нескольких сотен Ом. В идеальном случае Лвых = 0. При превышении выходного тока возможны два случая. Если в ОУ есть «защита от короткого замыкания», ток будет ограничен. Если защита отсутствует, то выходные транзисторы выйдут из строя. Ми-нимально допустимое сопротивление нагрузки представляет один из параметров ОУ. Для оценки нагрузочной способности ОУ пользуются как минимально допустимым сопротивлением нагрузки RHm-m, так и максимальным выходным током /Bl>IN1„i1v
Напряжение и токи смещения. В ОУ в идеальном случае при нулевом входном напряжении выходное напряжение должно быть равно нулю. На практике это никогда не выполняется, и любое отклонение UBb[x от нулевого уровня представляет собой сдвиг выходного напряжения ЦВЬТХ сдв. Это напряжение может быть настолько велико, цто ОУ войдет в режим насыщения. Наличие ошибки на выходе в виде ивых сдв вызывается малым (очень малым), но неизбежно имеющимся разбросом параметров цепей внутри ОУ и внешних цепей. Напряжение сдвига на входе ОУ UBX сдв составляет, как правило, несколько милливольт. Его можно рассматривать как напряжение смещения на входе усилителя UCM соответствующей полярности, необходимое для установки выходного напряжения, равного нулю. Типовое значение 1/ш = ±5...±50 мВ. Напряжение смещения может зависеть от Е0. Отношение приращения AUCM к вызвавшему его приращению Д?0-
А исм/ Л?0,
выраженное в мВ/В, называется коэффициентом влияния нестабильности источников питания ЛГВн.и.п.
Среднее арифметическое входных постоянных токов, протекающих через входы ОУ, называют средним входным током смещения:
Ісм ~ (Лхі + 4x2) / 2 « /вх1 ~ /вх2.
Величина токов смещения, в зависимости от типа ОУ, находится в диапазоне 0,01-100 JU А. Разность входных токов, вызываемая неидентичностью параметров входных транзисторов А/вх^|/вх1 - /вх2|, в 3*10 раз меньше /см, но при подключении к ОУ высокоомных цепей может оказаться более важным параметром, чем UCM или /см.
Существенное влияние на стабильность параметров ОУ оказывает температурный дрейф АД/вх/А Т°С, Он составляет 3*30 ±А I С°. Обычно меньшему значению А /вх соответствует меньший дрейф.
Температурный дрейф коэффициента усиления. (А/С/70100% оценивается в процентах отношением изменения КА в определенном интервале температур к значению этого коэффициента при температуре +20° ± 5°С.
К наиболее важным параметрам относятся также:
Напряжение источника питания Un. Оно - двуполярное. В справочниках может быть указано общее напряжение питания, например, 30В. Это означает, что источник должен иметь напряжение ±15В.
Потребляемый от источников питания ток. Типичные значения потребляемого тока 1,5-г10 мА. Если ток в цепи положительного питания несколько отличается от тока в цепи отрицательного питания, то потребляемый ток можно принимать равным среднему их значению.
Иногда вместо /пот в справочниках приводят значения потребляемой мощности, которое можно вычислить Рпот = 1ПОТ(Е0.}. + Е0.).
Максимальное выходное напряжение 1/шх „юх определяется максимальным (пиковым) напряжением симметричного сигнала на выходе ОУ. Типичные значения t/BbIX max составляет 80% от Un.
