Основные характеристики и параметры интегральных микросхем ОУ

К этим характеристикам и параметрам относятся:

-амплитудная характеристика и ее параметры;

-частотная характеристика и ее параметры.

Амплитудная характеристика снимается в режиме постоянного тока, определяет зависимость выходного напряжения от входного и в общем случае имеет следующий вид:

На графике показана амплитудная характеристика (сплошная линия) и ее аппроксимация с помощью отрезков прямых линий, образующих ломаную линию (крестики). При внимательном рассмотрении графиков можно заметить, что при нулевом значении аргумента (входной сигнал) функция (выходной сигнал) не равна нулю. Эта особенность графика отражает реальное свойство реальных микросхем ОУ- наличие у них начального смещения нулевого уровня сигнала на выходе, или, как говорят, смещения нуля на выходе. Входное напряжение, соответствующее по величине нулевому напряжению на выходе, называется смещением нуля, приведенным ко входу или просто напряжением смещения нуля. Эта величина является одним из параметров амплитудной характеристики. К параметрам амплитудной характеристики относятся также ее крутизна, определяющая коэффициент усиления схемы, и максимальные уровни выходного сигнала для положительной и отрицательной полярностей, которые близки по величине к напряжениям соответствующих источников питания. Величины параметров, относящихся к амплитудной характеристике, приводятся в виде справочных данных для каждой конкретной микросхемы и имеют следующий порядок величин:

-напряжение смещения нуля Uсм=(2-7) милливольт (мВ);

-коэффициент усиления напряжения Ku, Ku= (1-100) тысяч;

-максимальное выходное напряжение вольт.

При использовании типовых схем включения ОУ амплитудная характеристика всей схемы будет отличаться от амплитудной характеристики микросхемы ОУ. На ее вид влияют внешние элементы, главным образом резисторы цепи обратной связи и другие, подключаемые на входах. Резисторы обратной связи определяют величину коэффициента усиления, следовательно, крутизну амплитудной характеристики. Кроме того, они оказывают дополнительное влияние на величину смещения нуля на выходе за счет протекания по ним слабых постоянных токов, обусловленных разностью потенциалов между входами ОУ и “землей”. Величины этих токов измеряются при закороченных входах ОУ, т.е. они никак не связаны с внешними сигналами. Эти постоянные токи носят название входные токи. Величины этих токов составляют от 2-х наноампер до нескольких тысяч наноампер, в зависимости от типа микросхемы. Эти токи могут иметь разную величину для инвертирующего и неинвертирующего входов. Величина их разности оговаривается в справочных данных и имеет порядок от 10-ти наноампер до 1000 наноампер. С учетом справочных данных о величинах напряжения смещения нуля, входных токов и разности входных токов может быть составлена эквивалентная схема реального ОУ, используемая для расчета результирующего напряжения смещения на выходе. Эта схема имеет следующий вид:

В состав схемы с внешней стороны включены эквивалентные генераторы входных токов I1 и I2 и эквивалентный источник напряжения смещения нуля . Предполагается, что выходное напряжение смещения нуля U0 полностью определяется действием этих источников. Из схемы видно, что входные сигналы действуют на оба входа ОУ одновременно. Напряжение, поступающее на инвертирующий вход может быть определено, как U1=i1R1. Напряжение, поступающее на неинвертирующий вход определяется суммой U2=i2R3+e. С учетом того, что коэффициенты усиления по инвертирующему и неинвертирующему входам соответственно равны -R2/R1 и

1+R2/R1 для U0 получим:

Если величину R3 выбрать, как R3= R1R2/(R1+R2), то формула приведется к виду

, где -разность входных токов, справочный параметр. Оценим характерное значение U0 для усилителя с коэффициентом усиления, определяемым величинами R1=1kOм, R2= 1000kOм для значений е=5мВ и =1000нА.

Подставляя указанные значения в формулу, получим U0=1В+5.005В=6.005В. Как видно, полученная величина сопоставима с максимальным уровнем выходного напряжения, поэтому необходимо при окончательной доработке схемы предусмотреть возможность компенсации смещения нулевого уровня. Эта задача может быть решена на основе следующей схемы компенсации по входу. Как видно из схемы, в ней предусмотрена регулировка постоянного напряжения смещения, подаваемого на неинвертирующий вход с потенциометра R6. Делитель напряжения, образованный резисторами R4, R5, R6 рассчитывается таким образом, чтобы при изменении положения подвижного контакта R6 напряжение на нем по отношению к точке заземления изменялось в пределах необходимой регулировки, обычно не более милливольт. Вряде микросхем дополнительные резисторы, за исключением регулировочного, входят в состав самой микросхемы. В таком случае с внешней стороны подключается только регулировочный резистор. Регулировка смещения нулевого уровня обеспечивает желаемый результат только для фиксированных условий работы схемы. К этим условиям прежде всего относится постоянство температуры окружающей среды. При изменении температуры наблюдается явление так называемого температурного дрейфа нуля, т.е. зависящего от температуры изменения смещения нуля на выходе. Для численной оценки такой зависимости в справочных данных приводятся значения дрейфа напряжения смещения мкВ/градус и дрейфа разности входных токов наноампер/градус. Характерные значения этих

величин (5-20) мкВ/градус и (3-30) наноампер /градус. Таким образом, при изменении температуры, например, всего на 10 градусов напряжение смещения по входу может измениться на 200 микровольт, что при коэффициенте усиления 1000 приведет и изменению смещения нуля на выходе на 200 мВ. В тех случаях, когда это недопустимо, применяют специальные схемы, к которым относятся, в частности, схемы периодической компенсации напряжения смещения нуля.

Принцип периодической компенсации рассмотрим на примере следующей схемы, представленной в периоды запоминания и компенсации.

В период запоминания (верхняя схема) выход ОУ через замкнутый ключ К3 подключен к инвертирующему входу, параллельно которому, за счет замыкания ключа К2,включен конденсатор С1.Таким образом конденсатор имеет возможность зарядиться до напряжения смещения.

В период компенсации состояние ключей изменяется в соответствии с нижней схемой. Напряжение сигнала при этом суммируется с напряжением на конденсаторе и компенсирует смещение нуля на выходе при условии, что оно имеет такую же величину, как в период запоминания. С учетом того, что в большинстве случаев причиной нестабильности напряжения смещения является температурный дрейф, имеющий сравнительно небольшую скорость изменения, периодическая компенсация оказывается достаточно эффективной. В реальных схемах коммутация осуществляется с помощью электронных ключей на полевых транзисторах.

Перейдем к рассмотрению частотных характеристик операционных усилителей.

Частотная характеристика определяет зависимость величины выходного сигнала от частоты входного сигнала при его постоянной амплитуде. При этом предполагается, что амплитуда выходного сигнала не выходит за пределы линейного участка амплитудной характеристики.

Частотная характеристика (ЧХ) может быть представлена в виде формулы (функции) или графика зависимости модуля этой функции от частоты входного сигнала. Если при расчетах по формуле или при построении графика определять зависимость от частоты отношения амплитуд выходного и входного сигналов, то частотная характеристика будет определять зависимость коэффициента усиления от частоты. По функциональному назначению операционный усилитель предназначен работать в схемах с отрицательной обратной связью. Как будет показано ниже, это предъявляет особые требования к его частотной характеристике, реализуемые за счет введения специальных цепей частотной коррекции. Без цепей частотной коррекции ЧХ операционного усилителя зависит от частотных характеристик каскадов, образующих его схему. Частотная характеристика одного (i-ого) каскада, как правило, может быть определена в виде следующей функции:

, где - величина коэффициента усиления на нулевой частоте, в постоянная времени каскада в области верхних частот в- верхняя граничная частота. Для всей схемы многокаскадного ОУ коэффициент усиления можно представить в виде: , т.е. в виде произведения коэффициентов усиления всех каскадов схемы.

Рассмотрим особенности частотно-зависимого множителя в формуле для одиночного каскада.

Представим его в виде произведения модуля на фазовый множитель:

. Рассмотрим графики для модуля и аргумента (фазы) полученного выражения, обозначив , .

На этом графике показана в логарифмическом масштабе зависимость модуля от частоты (сплошная линия)и линейная аппроксимация этой зависимости (пунктирная линия). Как видно из графиков, максимальная ошибка аппроксимации соответствует частоте и равна 3-м децибелам. Для частот график представляет собой наклонную прямую линию, крутизна которой равна -20 децибелл на декаду. Декадой называется интервал десятикратного изменения частоты. Приведенные графики определяют логарифмическую амплитудно-частотную характеристику (ЛАЧХ) одного каскада операционного усилителя. Аппроксимация ЛАЧХ удобна для анализа частотных характеристик многокаскадных схем. Рассмотрим аналогичный график фозово-частотной характеристики.

На этом графике показаны действительная фазово-частотная характеристика (ФЧХ) и ее аппроксимация в виде функции скачка на частоте . В точке скачка точное значение фазового сдвига составляет -45 градусов, или , а аппроксимированное составляет -90, градусов, или . Из графика видно, что на расстоянии декады от точки скачка аппроксимация практически совпадает с точным значением. Отметим, что частотасоответствует так называемой частоте среза частотной характеристики.

Используя аппроксимации ЛАЧХ и ФЧХ для одиночного усилительного каскада можно сравнительно просто построить соответствующие графики для многокаскадной схемы. Действительно, при использовании логарифмического масштаба как по частоте, так и по коэффициенту усиления, графики для многокаскадной схемы можно построить на основе суммирования соответствующих графиков отдельных каскадов. Пример такого построения приведен ниже.

На этом графике показано, как при каскадном соединении усилителей с частотами среза и формируется результирующая частотная характеристика. Из графика видно, что на частоте появляется еще один излом, соответствующий второй частоте среза, справа от которой крутизна среза становиться равной -40 децибелл на декаду. Аналогично можно построить график для результирующей фозо-частотной характеристики, приведенный ниже. Из этого графика видно, что на второй частоте среза появляется скачек фазы еще на 90 градусов или на радиан. В результате суммарный фазовый сдвиг на этой частоте и справа от нее оказывается равным 180 градусам или радиан. Это означает, что в этом диапазоне частот фаза выходного сигнала изменяется на 180 градусов и при наличии цепи отрицательной обратной связи эта связь превращается в положительную. В схеме, при выполнении определенных условий, может возникнуть явление самовозбуждения, или генерации. Рассмотрим эти условия, которые

называются условиями самовозбуждения схемы с обратной связью, на примере схемы неинвертирующего усилителя

В имеющейся формуле учтем зависимость коэффициента усиления от частоты.

.

Примем, что ЛАЧХ и ФЧХ данной микросхемы представлены графиками с двумя частотами среза, приведенными выше. В этом случае, начиная с частоты фазовый сдвиг на 180 градусов приводит к изменению знака коэффициента усиления К с положительного на отрицательный и наша формула должна быть записана в виде .

Очевидно, что если , т.е. , то , что физически соответствует условию потери устойчивости схемы, и проявляется в виде начала самопроизвольной генерации периодических сигналов. Из проведенного анализа следует, что генерация может возникнуть при одновременном выполнении двух условий: появление в определенном частотном диапазоне фазового сдвига на 180 градусов- это условие называется условием баланса фаз, и выполнение в этом частотном диапазоне условия , которое называется условием баланса амплитуд. При заданном значении самовозбуждение возникает на частоте , определяемой из условия . Покажем на примере, как с помощью графика ЛАЧХ определяется условие самовозбуждения схемы при заданном коэффициенте обратной связи. Пусть график ЛАЧХ имеет вид:

Минимальная частота самовозбуждения соответствует частоте среза . На этой частоте коэффициент усиления равен 60 децибелл. Условие баланса амплитуд требует, чтобы коэффициент обратной связи был не менее -60 децибелл, т.е. .