Параметры ОУ (УПТ)

Ряд общепринятых параметров приведен в таблице 1.

Таблица 1.

№ п/п	Наименование параметра	Обозна чение	Величина
Идеальный ОУ	Реальный ОУ
	Коэффициент усиления на частоте f=0, разах (дБ)	K0, 20lg K0	∞	104…106, 80…120
	Коэффициент ослабления синфазного сигнала, дБ	q	∞	60…120
	Частота единичного уси­ления, Гц	fГР	∞	до 109
	Максимальная скорость нарастания выходного на­пряжения, В/мкс		∞	0,1…1000
	Напряжение смещения, мВ	ЕСМ		0,1…1
	Температурный дрейф на­пряжения смещения, В/град.			10-6
	Входное сопротивление, Ом	RВХ	∞	103…109
	Входной ток, А	IВХ		(1…500) 10-9
	Выходное сопротивление, Ом	RВЫХ		10…100
	Максимальное выходное напряжение	UMAX	EП	EП-(1…2)В
	Приведенная к входу ЭДС шума, нВ / Гц 1/2	eN		10…100

1.2.1. Амплитудная характеристика (АХ) ОУ

АХ при двуполярном питании имеет вид рис.2. В качестве аргумента зависимости используется «дифференциальное» напряжение U_Д, представ­ляющее разность потенциалов инвертирующего U_И и неинвертирующего U_НИ входов ОУ. На графике отмечены напряжение смещения U_СМ = Е_СМ и динамический диапазон входного сигнала Δ, величиной в доли и единицы мВ.

1.2.2. Инерционные свойства ОУ характеризуются быстродействием, которое определяются пятью показателями:

- частотная характеристика малого сигнала;

- время установления (t_УСТ) малого сигнала;

- частотная характеристика полной мощности (большого сигнала);

- скорость нарастания выходного напряжения или скорость отклика на ступенчатое воздействие ();

- время восстановления после перегрузки.

Режим малого сигнала (U_ВЫХ < 1В) соответствует линейному режиму работы УПТ и для трехкаскадного ОУ (стандартная схема по­строения) ЛАЧХ выглядит, как показано на рис.3. Ка­ждый каскад обладает свойствами ФНЧ (интегри­рующей цепи). Частота ω₁ (первый полюс) определяет полосу пропускания УПТ и определяется первым каскадом. После час­тоты ω₁ усиление начинает убывать со скоростью 20 дБ/декада. После второго полюса ω₂, определяемого вторым каскадом усилителя, скорость падения усиления достигает 40 дБ/декада, после частоты ω₃ скорость паде­ния - 60 дБ/декада.

Для этого же режима величина t_УСТ связана с частотой низ­кочастотного полюса ω₁ однозначным соотношением t_УСТ ≈ 2,2 / ω₁.

Однако при увеличении вход­ного сигнала начинает сказываться особенность схемного построения ОУ, заключающаяся в том, что скорость нарастания вы­ходного напряжения явля­ется величиной постоянной для данного операционного усилителя. Доказать это можно следующим

обра­зом. В упрощенном виде схема УПТ (ОУ) соответст­вует схеме рис.4. Первый каскад пред­ставляет со­бой ДУ на транзисторах VT1 и VT 2, второй кас­кад, обеспе­чивающий основное усиление и по­тому наи­более инерци­онный, по­казан условно (К₂), тре­тий каскад – эмиттерный повторитель с коэффи­циентом передачи ≈ 1, также показан условно. Через емкость С_КОР проходят высоко­частотные состав­ляющие спектра уси­ливаемого сиг­нала, чем обеспечивается требуемое значение f₁ и соответственно во вре­менной области формирование реак­ции ОУ на скачкообразное воздей­ст­вие. Поскольку коэффициент усиле­ния К₂ имеет большую величину, вы­ходное напряжение ОУ связано с током через конденсатор С_КОР соот­ношением:

. (1)

Отсюда . (2)

Максимальное значение выходного тока первого каскада i₂ ограничено величиной тока генератора ± I₀, поэтому максимальная скорость изменения выходного напряжения определяется как

(3) Этот эффект приводит к тому, что начиная с некоторой величины входного воздействия выходной сигнал ограничивается по быстродействию, что ил­люстрируется рис.5 для скачкообразного входного воздействия, а при гар­моническом входном воздействии выходной сигнал приобретает треуголь­ную форму и резко ограничивается по амплитуде (рис.6 и рис.7). На рис.7 сплошной линией показано входное гармоническое воздействие и соответ­ственно выходное напряжение частоты f_ГР, пунктирной линией – частоты

2 f_ГР и штрихпунктирной – 4f_ГР. Причем скорость нарастания входного сиг­нала с частотой f_ГР совпадает с величиной параметра УПТ - . Таким образом, начиная с частоты f_ГР форма АЧХ большого сигнала (ЧХ полной мощности) приобретает резкий спад (рис.8).

1.3. Анализ схем решающих усилителей.

Обобщенная электрическая схема решающего усилителя показана на рис. 9. В ней двухполюсники Z₁ и Z₂ являются линейными или нелиней­ными электрическими элементами.

Анализ схемы проводится при условии идеальности УПТ (ОУ), что позволяет сформулировать два правила анализа:

первое - входы УПТ не потребляют токов, так как его входное сопротив­ление бесконечно велико; отсюда следует, что ток i₁ равен току i₂;

второе – напряжение между дифференциальными входами УПТ u_ВХ = 0, так как величина K₀ бесконечно велика (, поскольку вели­чина выходного напряжения u_ВЫХ конечна - ограни­чена напряжением пи­тания). Отсюда следует, что напряжение u_ВЫХ равно падению напряжения на Z₂.

В результате анализа необходимо получить аналитическое выражение

для коэффициента усиления , определить входное R_ВХ, выходное сопротивления R_ВЫХ и частотные свойства усилителя.

1.3.1. Масштабирующий усилитель в инвертирующем включении (ОУ в инвертирующем включении)

Устройство предназначено для линейного преобразования входного сигнала (u_ВЫХ = К_И u_ВХ) с одновременной инверсией его полярности.

Схема усилителя приведена на рис.10. Как видно из рисунка, УПТ в охвачен петлей параллельной по напряжению ООС (Y-типа).

1. К_И -?

Применяя последова­тельно 2-ой закон Кирх­гофа для входного и вы­ходного контуров об­хода, получаем: для входного контура:

i₁R₁ - u_ВХ = е_ВХ,

для выход­ного:

u_ВХ+i₂R₂+ u_ВЫХ =0;

соответственно ток , а ток . Используя правила анализа (i₁ = i₂, ), получаем соотношение = , откуда следует, что коэффициент передачи в инвертирующем включении:

. (5)

2. R_ВХИ -?

Идеальный инвертор отличается замечательным свойством – нали­чием так называемого «виртуального нуля» («виртуального заземле­ния»). Согласно второму правилу анализа напряжение u_ВХ → 0 В и, следо­вательно, потенциал точки «а» в схеме рис.10 также стремится к 0 (φ_а = 0 В). Таким образом, вход УПТ оказывается полностью развязанным от ис­точника сигнала, а входной ток i₁ = е_ВХ / R₁. Входное сопро­тивление масштабирующего усилителя в инвертирующем включении

R_ВХИ = R₁. (7)

3. R_ВЫХИ -?

Выходное сопротивление усилителя оп­ределяется действием ООС по напряжению, которая, как известно, в глубину обратной связи раз (F раз) уменьшает выходное сопро­тивление собст­венно усилителя (УПТ).

4. Частотные свойства определяются нали­чием ООС по напряжению, которая увеличи­вает полосу про­пускания усилителя, ω _{В И} =F ω₁,

что иллюстрирует рис.11.

1.3.2. Масштабирующий усилитель в неин­вертирующем включении (ОУ в неинвертирующем включении)

Устройство предназначено для линейного преобразова­ния входного сигнала

(u_ВЫХ=К_НИe_ВХ). Схема усили­теля приведена на рис.12. Как видно из рисунка, УПТ, охвачен петлей после­дова­тельной по напряжению ООС (Н-типа), причем цепь ООС представляет собой ре­зистив­ный делитель R₁, R₂ с коэффициентом передачи β = .

1. K_НИ -?

Применяя последова­тельно 2-ой закон Кирх­гофа для входного и вы­ходного контуров об­хода, получаем: для входного контура:

i₁R₁ - u_ВХ = - е_ВХ,

для выход­ного: е_ВХ = u_ВХ+i₂R₂+ u_ВЫХ;

соответственно ток , а ток . Используя правила анализа (i₁ = i₂, ), получаем соотношение - = или . Откуда следует, что коэффициент передачи в неинвер­тирующем включении:

. (8)

K _НИ можно определить иначе, используя свойство ОС. При глубокой ООС (F=1+βK₀ >>1), что всегда имеет место при реа­лизации решающего усилителя, коэффициент усиления неинвертирующего ОУ определяется выражением:

(8)

2. R_ВХНИ является входным сопротивлением собственно УПТ и величина его для идеаль­ного ОУ стремится к бесконечности.

3.R_ВЫХНИ = .

4. Частотные свойства (рис.13) усилителя обу­славливаются наличием ООС по напряже­нию и в диапазоне частот ω₁...ω₂ (см. рис.3)оп­ределяются соотноше­нием:

ω_В=ω₁ βK₀ (9)