Основные характеристики операционного усилителя

К основным характеристикам операционного усилителя относится амплитудная или передаточная характеристика (рис.17). Она отражает усилительные свойства ОУ – это зависимость выходного напряжения от входного, причем входное напряжение это дифференциальное напряжение, т.е. напряжение между входами ОУ

Рис.17. Амплитудная характеристика ОУ (1- неинвертирующее включение, 2- инвертирующее включение, 3 смещенная характеристика)

Амплитудная характеристика имеет линейный участок , на котором приращение выходного напряжения линейно зависит от приращения входного напряжения , а тангенс угла наклона характеристики определяет дифференциальный коэффициент усиления

.

За пределами участка ab усилитель находится в насыщении =0, напряжение на выходе принимает значение или близкие к напряжениям питания ОУ и соответственно. Реальная характеристика ОУ смещена относительно нуля на величину напряжения смещения нуля .

Частотные свойства отображаются амплитудно-частотной и фазовой характеристиками ОУ, которые описываются уравнениями:

,

и ,

где - коэффициент усиления ОУ на нулевой частоте;

- верхняя частота среза, по определению это такая частота,

на которой коэффициент усиления уменьшается в раз от

своего максимального значения.

Вид этих характеристик показан на рис.18.

Рис.18. Логарифмическая амплитудно-частотная (а)

и фазовая (b) характеристики ОУ

Амплитудно-частотная характеристика обычно строится в логарифмическом масштабе; коэффициент усиления представляется в децибелах (ЛАЧХ). Идеализированная ЛАЧХ состоит из асимптот: одна параллельна оси частот, вторая имеет наклон 20db на декаду. Ордината точки пересечения является частотой верхнего среза, в децибелах это соответствует -3 db; на такое значение идеализированная характеристика отличается от истиной характеристики.

Реакция усилителя на импульсное воздействие описывается переходной характеристикой – зависимостью мгновенного значения выходного напряжения от времени (рис.19).

Рис.19. Переходная характеристика ОУ.

По переходной характеристике можно определить параметр, характеризующий динамические свойства ОУ - это скорость нарастания выходного напряжения

.

На основе данных измерений можно построить эквивалентную схему, которая учитывает реальные параметры ОУ (рис.20).

Рис.20. Эквивалентная схема реального операционного усилителя

для малых сигналов.

Классификация ОУ

Операционный усилитель, по существу, является идеальным усилительным элементом и составляет основу всей аналоговой электроники. Это стало возможным в результате достижений современной микроэлектроники, позволившей реализовать достаточно сложную структуру ОУ в интегральном исполнении на одном кристалле и наладить массовый выпуск подобных устройств. Поэтому ОУ можно рассматривать в качестве простейшего элемента электронных схем подобно диоду, транзистору и т.п.

В качестве источника питания ОУ используют двухполярный источник напряжения (+Uп, -Uп). Средний вывод этого источника, как правило, является общей шиной для входных и выходных сигналов и в большинстве случаев не подключается к ОУ. В реальных ОУ напряжение питания лежит в диапазоне ±3 В...±18 В. Использование источника питания со средней точкой предполагает возможность изменения не только уровня, но и полярности как входного, так и выходного напряжений ОУ.

Все операционные усилители имеют либо внутреннюю коррекцию АЧХ, либо внешнюю. В последнем случае к выводам ОУ подключаются внешние пассивные элементы, в качестве которых используются резисторы и емкости. Некоторые ОУ имеют защиту от короткого замыкания.

В соответствии с ГОСТ 4.465-86 все ОУ делятся на следующие группы по совокупности их параметров и назначению:

Универсальные или ОУ общего применения используются для построения узлов аппаратуры, имеющих суммарную приведенную погрешность на уровне 1 %. Они характеризуются относительно малой стоимостью и средним уровнем параметров (напряжение смещения - единицы милливольт, температурный дрейф - десятки мкВ/°С, коэффициент усиления - десятки тысяч, частота единичного усиления ; скорость нарастания выходного напряжения - от десятых долей до единиц вольт/микросекунд).

Прецизионные (высокоточные) операционные усилители используются для усиления малых сигналов и характеризуются малыми значениями напряжения смещения и его температурным дрейфом, большими коэффициентами усиления и высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала, большим входным сопротивлением и низким уровнем шумов. Их основные параметры: напряжения смещения <250 мкВ; температурный дрейф < 5 мкВ/°С; коэффициент усиления >200 тыс. Прецизионные ОУ строятся обычно на принципе модуляции - демодуляции. Например, ОУ К140УД21, К140У24 и др.

Значительно лучшими характеристиками обладают ОУ с периодической компенсацией дрейфа нуля.

Мощные и высоковольтные ОУ - усилители с выходными каскадами, построенными на мощных высоковольтных элементах. Выходной ток ≥100 мА, выходное напряжение ≥15 В. К таким ОУ относятся К157УД1, К1408УД1, К1422УД1 и др.

Быстродействующие ОУ. Они характеризуются высокой скоростью нарастания выходного сигнала, малым временем установления, высокой частотой единичного усиления . Для таких ОУ обычно: ≥ 50 В/мкс, ≥1МГц.

Быстродействующие усилители склонны к самовозбуждению, поэтому для предотвращения генерации в схеме необходимо уменьшить паразитную емкость между выходом ОУ и его входами. Для уменьшения указанной паразитной емкости применяют специальные внешние цепи коррекции, состав которых зависит от задачи, которую решают ОУ. К быстродействующим ОУ относятся ИС: К140УД10, К140УД11, К544УД2, К574УД2.

Микромощные ОУ отличаются минимальными потребляемыми мощностями. Потребляемый ток иногда можно регулировать с помощью внешнего резистора, поэтому такие ОУ иногда называются программируемыми. Микромощные ОУ широко используются в автономной аппаратуре, где важнейшим параметром является минимальная потребляемая мощность. К таким ОУ относятся ИС: К140УД12, К153УД4, К1401УДЗ.

Многоканальные ОУ представляют собой несколько ОУ (обычно 2 или 4), размещенных в одном корпусе. Применяются для снижения массогабаритных показателей. Например, К140УД20, К1401УД1, К1407УД2.

Особую группу операционных усилителей составляют ОУ с большим входным сопротивлением. Их входное сопротивление превышает десятки мегом. У таких ОУ в первом каскаде используются полевые транзисторы, например, ОУ К140УД8, К544УД2 и др. Операционные усилители в настоящее время являются основными элементами для построения аналоговых и импульсных схем.