Основные понятия, термины, определения

Операционный усилитель (ОУ) - усилитель электрических сигналов, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью (ООС). Комплексная схема из ОУ и внешних элементов, образующих ООС, носит название решающего усилителя (РУ).

Дифференциальный операционный усилитель (ДУ) - ОУ, имеющий два симметричных входа (инвертирующий и неинвертирующий).

Входное напряжение (U_вх) – напряжение между выводами входа и земли или напряжение между входными выводами дифференциального ОУ (дифференциальное входное напряжение - U_{вх. диф}). На рисунке 3.22 показаны два входа ОУ: инвертирующий (−) и неинвертирующий (+). Входные напряжения на неинвертирующем входе (+) и на инвертирующем (–) измеряются между входными выводами и общей точкой источников питания (^).

Напряжения U_{вх (+)} и U_{вх (–)}, равные по амплитуде и одного знака, действующие на неинвертирующем и на инвертирующем входах, называются синфазными (U_{вх. сф}).

Напряжения U_{вх (+)} и U_{вх (–)}, равные по амплитуде, но противоположного знака, действующие на входах ОУ, называются парафазными (U_{вх. пф}).

Произвольные по знаку и амплитуде входные напряжения U_{вх (+)1} и U_{вх (–)1} можно представить в виде комбинации входных синфазных и парафазных напряжений:

U_{вх (+)1} = U_{вх. сф 1}+ U_{вх. пф 1},

U_{вх (–)1}= U_{вх. сф 1} − U_{вх.пф 1}.

Синфазная составляющая входного напряжения определяется как полусумма входных напряжений U_{вх (+)1} и U_{вх (–)1}:

.

(3.37)

Парафазная составляющая входного напряжения определяется как полуразность входных напряжений U_вх(+)1 и U_вх(–)1:

Напряжение между двумя входами - дифференциальное (U_{вх. диф}) определяется как разность:

U_{вх. диф} = U_{вх (+)}− U_{вх (–)}.

Предельное входное напряжение (U_{вх. макс}) - максимальное значение входного напряжения, не вызывающее необратимых изменений в ОУ.

Коэффициент усиления ОУ (К_у,U или К_у,I) – отношение приращения значения выходного напряжения (тока) ОУ к вызвавшему это приращение значению входного напряжения (тока).

Напряжение смещения ОУ (U_см) - значение постоянного входного напряжения, при котором выходное напряжение равно нулю при включении резисторов с оговоренными значениями сопротивлений между любым входным выводом ОУ и источником входного напряжения. Если значения указанных сопротивлений стремятся к нулю, то напряжение смещения называется ЭДС смещения (Е_см).

Средний температурный дрейф напряжения смещения (D U_см /DТ) – максимальное изменение значения U_см при изменении температуры окружающей среды. Имеет размерность мкВ/°С.

Временной дрейф напряжения (ЭДС) смещения (D U_см / D t) - максимальное изменение U_см (Е_см) за указанный интервал времени через заданный интервал после включения при условии необходимой стабильности прочих воздействующих факторов.

Синфазные входные напряжения (U_{вх. сф}) - напряжения между каждым из входных выводов ОУ и землей, амплитуды и фазы которых совпадают, или среднеарифметическое значение напряжений на входах ОУ, определяемое по формуле (3.37). На практике используется еще одно определение: синфазное напряжение равно напряжению на неинвертирующем входе. Практически оба определения равнозначны, поскольку напряжение между входами ОУ значительно меньше входного синфазного напряжения.

Диапазон синфазных входных напряжений (D U_вх.сф) - диапазон значений синфазных входных напряжений, в котором параметры ОУ лежат в гарантированных пределах.

Предельные синфазные входные напряжения (U_{вх. сф. макс}) - максимальные значения синфазных входных напряжений, не вызывающих необратимых изменений в ОУ.

Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений (К_{ос. сф}) - коэффициент, равный отношению синфазного входного напряжения к дифференциальному входному напряжению, вызывающих одно и то же приращение выходного напряжения ОУ.

Малый сигнал - сигнал (напряжение или ток), воздействующий на операционный усилитель, увеличение амплитуды которого не приводит к изменению исследуемого параметра.

Диапазон выходного напряжения (D U_вых) - диапазон значений выходного напряжения (между выходом ОУ и землей), в котором параметры ОУ, определяемые малым сигналом, лежат в гарантированных пределах.

Максимальное выходное напряжение (U_{вых. макс}) - предельное значение выходного напряжения ОУ при оговоренном сопротивлении нагрузки и напряжения источника питания.

Входной ток (I_вх) - ток, протекающий во входной цепи ОУ. Под входным током подразумевают средний входной ток, определяемый как среднее арифметическое значение входных токов по каждому из входов I_{вх 1} и I_{вх. 2} при заданном нулевом значении выходного напряжения.

Предельный входной ток (I_{вх. мах}) - максимальное значение входного тока ОУ, не вызывающее изменений в усилителе.

Разность входных токов (D I_вх) - разность значений токов, протекающих через входы дифференциального ОУ, при заданном нулевом значении выходного напряжения. Разностный ток характеризует несимметрию входного дифференциального каскада ОУ. Если значение D I_вх близко к нулю, то влияние входных токов I_вх на выходное напряжение ОУ можно существенно уменьшить, установив одинаковые эквивалентные проводимости внешних цепей, присоединенных к инвертирующему и неинвертирующему входам ОУ. Обычно D I_вх составляет 20…50 % от входного тока I_вх.

Диапазон выходного тока (D I_вых) - диапазон значений выходного тока, в котором параметры ОУ лежат в гарантированных пределах.

Предельный выходной ток (I_{вых. макс}) - максимальное входное значение выходного тока ОУ при оговоренном выходном напряжении, не вызывающее необратимых изменений в ОУ. Большинство новых моделей ОУ имеют каскад защиты от короткого замыкания в цепи нагрузки или от перегрузки, ограничивающий выходной ток на уровне 25 мА.

Входное сопротивление (R_вх) - величина, равная отношению приращения входного напряжения ОУ к приращению входного тока при заданном значении частоты сигнала. Фактически это сопротивление между входами ОУ (рисунок 3.23).

Рисунок 3.23 - Входное и выходное сопротивления ОУ

В некоторых случаях это сопротивление называют входным сопротивлением для дифференциального (парафазного) сигнала (дифференциальное входное сопротивление - R_{вх. д}). Входное сопротивление ОУ, входной каскад которого выполнен на биполярных транзисторах, может составлять значение от нескольких десятков килоом до единиц мегаом и более. Для увеличения входного сопротивления применяются транзисторы со сверхвысоким b (значением 10…5000), работающие с малыми входными токами. Увеличение b приводит к росту сопротивления эмиттерного перехода

,

которое в значительной мере определяет входное дифференциальное сопротивление. Параметр j_т - тепловой потенциал, при комнатной температуре составляет 25 мВ.

ОУ с выходным каскадом на униполярных транзисторах обладает существенно большим входным сопротивлением (10⁸ Ом и более). Необходимо помнить, что входное сопротивление ОУ (R_вх) и входное сопротивление решающего усилителя (R_{вх. ру}) - совершенно разные понятия. Входное сопротивление РУ (R_{вх. ру}) определяется схемой включения ОУ, параметрами внешних цепей и в том числе входным дифференциальным сопротивлением операционного усилителя (R_вх). Так, в случае реализации неинвертирующего повторителя, его входное сопротивление много больше входного дифференциального сопротивления ОУ.

Для оценки входного дифференциального сопротивления ОУ, входной каскад которого выполнен на биполярных транзисторах, можно использовать выражение

,

где j_т - тепловой потенциал 25 мВ;

I_вх - входной ток.

Входное сопротивление для синфазных напряжений (R_{вх. cф}) - величина, равная отношению приращения синфазных входных напряжений ОУ к приращению I_вх при заданной частоте сигнала (см. рисунок 3.23). Это сопротивление значительно больше (более чем в 100 раз) входного дифференциального сопротивления. Этот параметр приводится достаточно редко и его значение лежит в диапазоне от сотен килоом (ОУ с биполярными входными транзисторами) до десятков гигаом (ОУ с полевыми транзисторами).

Выходное сопротивление (R_вых) - величина, равная отношению приращения выходного напряжения ОУ к вызвавшему его приращению выходного тока (см. рисунок 3.23). Этот параметр нормируется достаточно редко и ориентировочное его значение составляет десятки-сотни Ом. Необходимо отметить, что выходное сопротивление решающего усилителя во много раз меньше, чем R_вых операционного усилителя, на базе которого он построен.

Входная емкость (С_вх) - емкость между входами ОУ.

Входной импеданс (Z_вх) - полное сопротивление входа, соответствующее параллельному соединению R_вх и С_вх. С увеличением частоты входного сигнала (более 100 кГц) значение Z_вх уменьшается.

А) - схема измерения; б) - диаграмма изменения входного и выходного напряжений при измерении времени установления; в) - диаграмма изменения входного и выходного напряжений при измерении времени восстановления

Рисунок 3.24 - Схема измерения динамических параметров t_уст, t_нар, t_в

Время установления выходного напряжения (t_уст) - время от момента подачи на вход импульса напряжения прямоугольной формы до момента последнего вхождения выходного напряжения в зону заданной погрешности (рисунок 3.24) на диаграммах 3.24, б и 3.24, в. Штриховкой показана зона погрешности достижения заданного уровня U₀ выходного напряжения.

Обычно время установления нормируется для зоны заданной погрешности d = 1%, 0,1% и 0,01% при максимальной амплитуде входного импульса для данного типа ОУ.

Время нарастания (t_нар) - время, за которое выходное напряжение изменяется от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения U₀ (рисунок 3.24, б).

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения (V_{Uвых.макс}) - наибольшая скорость изменения выходного напряжения ОУ при воздействии импульса максимального входного напряжения прямоугольной формы (см. рисунок 3.24, б). Определяется как отношение приращения выходного напряжения к времени t_нар, за которое произошло это приращение. Числовое значение V_Uвых.max лежит в пределах от десятых долей В/мкс (прецизионные ОУ) до сотен В/мкс (быстродействующие ОУ). Для передачи без искажений синусоидального сигнала необходимо выбрать ОУ с учетом следующего условия:

U_m 2 π f < V_Uвых.max,

где U_m - амплитуда синусоидального сигнала, В;

f - частота синусоидального сигнала, Мгц;

V_{Uвых.макс} - параметр выбираемого типа ОУ, В/мкс.

Время восстановления (t_в) - время с момента скачкообразного уменьшения входного сигнала перегрузки до момента последнего вхождения в зону погрешности, заданную относительно установившегося выходного напряжения U₀ (рисунок 3.24, в). Это очень важный параметр, но часто не указывается в технических характеристиках. Необходимо помнить и учитывать при экспериментальном определении, что время восстановления, необходимое для выхода из положительного насыщения, может существенно отличаться от t_в, необходимого для выхода из отрицательного насыщения.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) - зависимость модуля коэффициента усиления от частоты (рисунок 3.25).

Фазочастотная характеристика (ФЧХ) - зависимость аргумента коэффициента усиления ОУ от частоты.

Частота единичного усиления (f ₁) - частота, на которой модуль коэффициента усиления ОУ К_у равен единице (см. рисунок 3.25). В теории управления частота единичного усиления f ₁ называется частотой среза (f_срз). Частотой среза f_срз характеризуется АЧХ решающего усилителя с внешними корректирующими цепями. Для решающего усилителя, реализованного на базе ОУ с внутренней частотной коррекцией, частоты f ₁ и f_срз могут совпадать. Например, характеристики 1 и 2 на рисунке 3.25. Значения f ₁ лежат в пределах от сотен килогерц для прецизионных ОУ до десятков мегагерц - для быстродействующих.

Граничная частота (полоса пропускания f_гр) - частота, на которой модуль коэффициента усиления уменьшается на 3 дцБ (до уровня 0,707) относительно своего уровня на низких частотах (рисунок 3.25).