Параметры операционных усилителей

Так как ОУ является универсальным устройством, то для описания его свойств используется большое число параметров.

1. Коэффициент усиления К равен отношению выходного напряжения к вызвавшему это приращение дифференциальному входному сигналу при отсутствии обратной связи (составляет 10³...10⁷) и определяется при холостом ходе на выходе:

2. Напряжение смещения нуля U_см показывает, какое напряжение необходимо подать на вход ОУ для того, чтобы на выходе получить U_вых =0 (составляет 0,5...0,15 мВ). Это является следствием неточного согласования напряжений эмиттер — база входных транзисторов.

3. Входной ток I_вх определяется нормальным режимом работы входного дифференциального каскада на биполярных транзисторах. Это ток базы входного транзистора ДУ. Если в дифференциальном каскаде используются полевые МДП-транзисторы, то это токи утечек.

При подключении ко входам ОУ источников сигнала с разными внутренними сопротивлениями создаются различные падения напряжений на этих сопротивлениях токами смещения. Появившийся дифференциальный сигнал изменяет входное напряжение. Для его уменьшения сопротивления источников сигнала должны быть одинаковы.

4. Разность входных токов DI_вх равна разности значений токов, протекающих через входы ОУ при заданном значении выходного напряжения и составляет 0,1...200 нА.

5. Входное сопротивление R_вх (сопротивление между входными выводами) равно отношению приращения входного напряжения к приращению входного тока на заданной частоте сигнала. Оно определяется для области низких частот. В зависимости от характера подаваемого сигнала входное сопротивление бывает дифференциальное (для дифференциального сигнала) и синфазное (для синфазного). Дифференциальное входное сопротивление — это полное входное сопротивление со стороны любого входа, когда другой вход соединен с общим выводом, составляет десятки кОм - сотни МОм. Такое большое Rвх получается за счет входного ДУ и стабильного источника постоянного напряжения. Синфазное входное сопротивление — это сопротивление между замкнутыми выводами входов и землей. Оно характеризуется изменением среднего входного тока при приложении ко входам синфазного сигнала и на несколько порядков выше Rвх.диф.

6. Коэффициент ослабления синфазного сигнала К_осл.сф определяется как отношение напряжения синфазного сигнала, подаваемого на оба входа, к дифференциальному входному напряжению, вызывающему такое же значение выходного напряжения. Коэффициент ослабления показывает, во сколько раз коэффициент усиления дифференциального сигнала больше коэффициента усиления синфазного входного сигнала, и составляет 60...120 дБ:

С ростом коэффициента ослабления синфазного сигнала точнее можно выделить дифференциальный входной сигнал на фоне синфазной помехи, тем выше качество ОУ. Измерения проводят в диапазоне низких частот.

7. Выходное сопротивление R_вых определяется отношением приращения выходного напряжения к приращению активной составляющей выходного тока при заданном значении частоты сигнала и составляет единицы-сотни Ом.

8. Температурный дрейф напряжения смещения равен отношению максимального изменения напряжения смещения к вызвавшему его изменению температуры и оценивается в мкВ/град:

Температурные дрейфы напряжения смещения и входных токов являются причиной температурных погрешностей устройств с ОУ.

9. Коэффициент влияния нестабильности источника питания на выходное напряжение показывает изменение выходного напряжения при изменении напряжений питаний на 1 В и оценивается в мкВ/В.

10. Максимальное выходное напряжение U_вых.max определяется предельным значением выходного напряжения ОУ при заданном сопротивлении нагрузки и напряжении входного сигнала, обеспечивающем стабильную работу ОУ и искажения, не превышающие заданного значения. U_вых.max на 1...5 В ниже напряжения питания.

11. Максимальный выходной ток I_вых.max ограничивается допустимым коллекторным током выходного каскада ОУ.

12. Потребляемая мощность — мощность, рассеиваемая ОУ при отключенной нагрузке.

13. Частота единичного усиления f₁ — это частота входного сигнала, при которой коэффициент усиления ОУ равен 1: |-K(f₁) | = 1. У интегральных ОУ частота единичного усиления имеет предельное значение 1000 МГц. Выходное напряжение на этой частоте ниже, чем для постоянного тока, примерно в 30 раз.

14. Частота среза f_с ОУ — частота, на которой коэффициент усиления снижается в раз. Она оценивает полосу пропускания ОУ и составляет десятки МГц.

15. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения V_max определяется наибольшей скоростью изменения выходного напряжения ОУ при действии на входе импульса прямоугольной формы с амплитудой, равной максимальному значению входного напряжения, и лежит в пределах 0,1...100 В/мкс. При воздействии максимального входного напряжения выходной каскад ОУ попадает в область насыщения по обеим полярностям. Этот параметр указывается для широкополосных и импульсных устройств на основе ОУ и приводит к наличию фронтов выходного сигнала с конечными значениями длительности. Он характеризует быстродействие ОУ в режиме большого сигнала.

16. Время установления выходного напряжения t_ycт (время затухания переходного процесса) — это время, необходимое для возвращения усилителя из состояния насыщения по выходу в линейный режим.

Это время, в течение которого после скачка входного напряжения выходное напряжение отличается от установившегося значения на величину допустимой относительной погрешности dU_вых. За время t_уст выходное напряжение ОУ при воздействии входного напряжения прямоугольной формы изменяется от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения.

17. Напряжение шумов, приведенное ко входу, определяется действующим значением напряжения на выходе усилителя при нулевом входном сигнале и нулевом сопротивлении источника сигнала, деленным на коэффициент усиления ОУ. Спектральная плотность шумов оценивается как корень квадратный из квадрата приведенного напряжения шума, деленного на частоту, в которой выполнено измерение напряжения шума. Размерность данного параметра мВ/л/Гц. В технических условиях на ОУ иногда задают коэффициент шума, дБ, определяемый как отношение приведенной мощности шума усилителя, работающего от источника с внутренним сопротивлением R_T к мощности шума активного сопротивления.

Требования, предъявляемые к параметрам ОУ, зависят от выполняемых им функций. Желательно во всех практических случаях уменьшить погрешность выполняемых операций, повысить надежность, быстродействие. Одновременное улучшение всех параметров выдвигает противоречивые требования к схеме и ее изготовлению. Все это объясняется большим разнообразием ОУ, у которых оптимизированы лишь конкретные параметры за счет ухудшения других. Так, в измерительной аппаратуре используются прецизионные ОУ, обладающие большим коэффициентом усиления, большим входным сопротивлением, малым напряжением смещения нуля и малыми шумами. А быстродействующие ОУ должны обладать большой скоростью нарастания выходного напряжения, большой полосой пропускания и малым временем установления выходного напряжения. Такие ОУ нашли применение в импульсных и широкополосных усилительных устройствах и в устройствах аналого-цифровых преобразователей.

Для создания компараторов, которые служат для сравнения мгновенных значений двух напряжений, используются скоростные ОУ, работающие в режиме переключения.