Параметры операционных усилителей

Кафедра радиофизики

Операционные усилители

Методические указания к лабораторной работе практикума по радиоэлектронике

Новосибирск, 1997

Лабораторная работа посвящена изучению операционных усилителей и схем их включения.В методическом пособии разъясняется принцип работы операционного усилителя, приводятся основные параметры и стандартные схемы включения.

В задачу студента входит изучение основных параметров операционных усилителей и схем их включения, измерение основных параметров ОУ, макетирование и наладка некоторых электронных схем с их применением.

Составитель Г.И. Кузин

Печатается по решению кафедры радиофизики

Оглавление

Введение............................................................................................................................ 3

1. Параметры операционных усилителей............................................................... 5

2. Схемы включения операционных усилителей.................................................. 8

3. Практические задания............................................................................................ 12

3.1. Измерение (U_см), (f₁), (I_вх), (DI_вх).................................................................... 13

3.2. Наблюдение температурного дрейфа и низкочастотного шума....... 14

3.3. Интегратор........................................................................................................ 14

3.4. Компаратор с гистерезисом......................................................................... 14

3.5. Прецизионный выпрямитель........................................................................ 15

3.6. Измерение малых сопротивлений............................................................... 15

3.7. Измерение э.д.с. термопары.......................................................................... 15

Литература.................................................................................................................... 16

Справочные данные некоторых ОУ....................................................................... 16

Ó Новосибирский государственный университет, 1997

Введение

Операционный усилитель (ОУ) – это электронный усилитель, предназ­на­ченный для различных операций над аналоговыми величинами в схемах с отрицательной обратной связью (ООС). Чаще под ОУ понимают усилитель постоянного тока (УПТ) с дифференциальным входом, большим коэф­фи­ци­ен­том усиления K₀, малыми входными токами I_вх, большим входным сопро­тив­лением R_вх, малым выходным сопротивле­нием R_вых, достаточно большой граничной частотой усиления f_гр, малым смещением нуля U_см. Под больши­ми и малыми понимаются такие величины, которые в простых расчетах мож­но считать соответственно бесконечными или нулевыми (идеальный ОУ).

Для идеального ОУ K₀ = ¥; I_вх = 0; R_вх = ¥; R_вых = 0; f_гр = ¥; U_см = 0.

Основное назначение операционного усилителя – построение схем с точно синтезированной передаточной функцией, которая зависит практически только от свойств цепи обратной связи (ОС). На основе ОУ создаются прецизионные масштабирующие усилители, генераторы функций, стабилизаторы напряжения и тока, активные фильтры, логарифмирующие и потенцирующие усилители, интеграторы и дифференциаторы и т.д. Можно насчитать более 100 стандартных схем включения ОУ общего применения.

Рис. 1. Упрощенная принципиальная схема ОУ (часть схемы, обозначенная штриховкой, не приведена).

Независимо от слож­ности внутреннего устройства первый каскад состоит из дифференци­аль­ного усилителя (ДУ), который определяет входные свойства ОУ. Использование полевых транзисторов на входе делает входные токи очень малыми (от 10^‑9А до 10^‑12А). Второй каскад служит для усиления и согласования по сопротивлению входного и выходного каскадов.

Оконечный (выходной) каскад служит для согласования большого выходного сопротивления усилительных каскадов с низкоомной нагрузкой, т.е. позволяет получить малое выходное сопротивление.

Операционные усилители обычно питаются от симметричных источников, обеспечивающих одинаковые по величине положительное и отрицательное напряжение +U_п, –U_п относительно нулевого провода ("земли"). Для большинства современных ОУ напряжение питания можно менять в достаточно широких пределах от ±3В до ±18В.

Выходное напряжение ОУ связано со входным дифференциальным сигналом простым выражением

U_вых = K₀×(U_вх+ - U_вх-),                                                                                   (1)

где К₀ - коэффициент усиления без обратной связи. Величина К₀ для разных типов ОУ изменяется в диапазоне 10³ ¸ 10⁷.

Вследствие большого коэф­фи­циента усиления ОУ является высокочувствительным элементом, усиливающим как малые полезные сигналы, так и собственные шумы и внешние наводки. Несимметрия внутренних элементов, нестабильность параметров приводит к тому, что без отрицательной обратной связи ОУ просто непригоден для работы в линейном режиме, так как напря­жение U_вых под влиянием шумов, наводок, температурных уходов будет принимать значения, близкие к напряжению источников питания (режим насыщения выходного кас­када). Основной причиной, по кото­рой К₀ делают большим, явля­ется обеспечение высокой стабиль­ности параметров при глубокой ООС.

Примеры схемных обозначений ОУ приведены на рис. 2. Обычно на схемах ОУ обозначается треуголь­ни­ком с указанием инвертирующего и неинвертирующего входа с помо­щью значков "–" и "+" (рис. 2,а), реже – прямоугольником с инверти­ру­ющим входом в виде кружка (рис. 2,б). Изображения, приведен­ные на рис. 2,а и 2,б, используются, как правило, в функциональных или упрощенных схемах, остальные – в принципиальных схемах.

Параметры операционных усилителей

Возможности применения ОУ зависят от его электрических характеристик. Для полной характеристики ОУ необходимо учитывать более 30 параметров. Знание параметров ОУ, понимание степени их влияния на работу схемы позволяет не только выбрать наиболее подходящий тип для конкретной цели, но зачастую обходиться без дополнительных испытаний.

Коэффициент усиления ОУ (К ₀) равен отношению приращения выход­ного напряжения (тока) к вызвавшему это приращение входному сигналу (току) при отсутствии ОС. К₀ является функцией частоты и с ее увеличением падает. Частотная и фазовая характеристики ОУ складываются из характеристик отдельных внутренних каскадов, каждый из которых имеет свою собственную постоянную времени и может быть представлен в виде RC‑цепочки. Суммарная частотная характеристика ОУ аппроксими­ру­ется диаграммой Боде (рис. 3,а). Каждый каскад вносит фазовый сдвиг 90°, поэтому общий фазовый сдвиг зависит от количества каскадов и имеет вид, показанный на рис. 3,а внизу. Поскольку на выходе ОУ уже имеется сдвиг фазы 180° относительно инвертирующего входа, на который подается ООС, то на некоторой частоте суммарный сдвиг фазы достигает 360°. Если на этой частоте ве­личина К₀b ³ 1, где b – коэффициент ОС, то отрицательная ОС прев­ращается в положительную, что приводит к самовозбуждению схемы.

Рис. 3. а) Аппроксимированная логарифмическая амплитудно-частотная (ЛАЧХ) и фазо-частотная характе­рис­тики (ФЧХ); б) статическая передаточная характеристика

Частотная коррекция предотвращает самовозбуждение схемы. Для этого вводят специальные частотно-зависимые корректирующие цепи, которые снижают коэффициент усиления на высоких частотах, приближая характе­ристику ОУ к звену первого порядка, как на рис. 4. Частотная коррекция может быть как внутренняя (140УД7, 544УД1), так и внешняя (553УД2, 140УД5).

Входное сопротивление (R_вх) определяется как отношение DU_вх/DI_вх при заданной частоте сигнала. Фактически это сопротивление между входами ОУ. Необходимо помнить, что входное сопротивление ОУ и входное сопротивление схемы – это два разных понятия, величина их может отличаться на несколько порядков. Типовые значения R_вх на низких частотах для биполярных входов – 10⁴¸10⁸ Ом, для полевых – 10⁷¸10^{1 2} Ом.

Выходное сопротивление R_вых – это внутреннее выходное сопротивление ОУ, которое можно определить как отношение U_хх/I_кз (напряжение холостого хода / ток короткого замыкания), и составляет для разных ОУ величину порядка десятков-сотен Ом. Глубокая отрицательная обратная связь делает выходное сопротив­ление пренебрежимо малым (или очень большим в случае обратной связи по току). Типовое значение R_вых для ОУ широкого применения 100 ¸1000 Ом.

Входной ток смещения (I_вх) - ток, протекающий во входную цепь ОУ, необходимый для нормальной работы входных биполярных транзисторов (для полевых – ток утечки затвора). Под I_вх подразумевают среднее ариф­ме­тическое двух токов I_вх+ и I_вх. Для разных типов ОУ входной ток смещения изменяется в широких преде­лах: для биполярных входных транзисторов – 10^‑5¸10^‑8А, для полевых – 10^‑9¸10^‑12А. В справочных данных обычно приводятся сильно завышенные значения I_вх.

Разность входных токов (ток сдвига) DI_вх = |I_вх+ - I_вх-| определяется при заданном значении входного напряжения. Разность DI_вх вызывает на выходе ОУ некоторое смещение (приведенное ко входу оно составляет вели­чи­ну 1¸5 мВ и зависит от величины резисторов, подключаемых ко входам).

Напряжение смещения (U_см) определяется как разность напряжений на входах, при котором U_вых = 0 при оговоренных сопротивлениях резис­то­ров, подключаемых ко входам. Если значения этих резисторов стремятся к нулю, то напряжение смещения называют э.д.с. смещения (E_см). Для ОУ с биполярными транзисторами на входе U_см зависит в основном от разброса напряжений DU_э,б эмиттерно-базовых переходов и составляет 1¸10 мВ. Для ОУ с полевыми транзисторами на входе U_см обычно в несколько раз больше (до 30 мВ), что объясняется их меньшей крутизной. Если на оба входа ОУ, не охваченного отрицательной обрат­ной связью, подать точно равные напряжения, например, оба входа заземлить, на выходе скорее всего будет наблюдаться уровень, близкий к одному из питающих напряжений, то есть ОУ войдет в режим ограничения U_вых = U_см×K₀ ~10^‑2×10⁵ = 1000В >>E_пит. Для того чтобы при подаче равного напряжения на оба входа усилителя выход­ное напряжение было близко к нулю, ОУ необходимо сбалансировать. Балан­си­ровка ОУ обычно достигается подачей дополнительного тока в цепь коллекторов входного ДУ с помощью переменного резистора, подключае­мого к специальным выводам (R_бал. на рис. 1). Некоторые типы ОУ таких выводов не имеют и балансируются по входу (140УД5, рис. 2,е).

Средний температурный дрейф напряжения смещения ( DU_см/ DT) – максимальное изменение U_см при изменении температуры на 1°C в оговоренном диапазоне температур. Измеряется в мкВ/°C. Типовые значения для биполярных входов 5¸20 мкВ/°C, для входов с полевыми транзисторами 20¸100 мкВ/°C. Если U_см можно скомпенсировать до нуля, то с температурным дрейфом бороться сложнее. Входной ток I_вх и разность входных токов DI_вх тоже изменяются с температурой.

Частота единичного усиления (f₁) - это частота, на которой |K₀(f₁)| = 1. Характерная зависи­мость коэф­фициента усиления от частоты приведена на рис. 3,а и 4, где ЛАХ пересе­кает уровень 0 дБ в точках f₁.

Граничная частота (f_гр) определяется как частота, на которой коэффициент усиления уменьшается на 3 децибела: |K(f_гр)| = 0.707×|K(0)|.[1] Область частот 0 ¸ f_гр называют полосой пропускания. Введение ООС расширяет полосу про­пус­кания (график 2 на рис. 4).

Скорость нарастания выход­ного напряжения определяется как dU_вых/dt при воздействии импу­льса большой амплитуды. Изме­ря­ется в В/мкс. Для разных ОУ меня­ет­ся в преде­лах от 0.1 В/мкс (прецизионные ОУ) до 100 В/мкс (быстродей­ствую­щие ОУ). Этот параметр стано­вится важным, если ОУ исполь­зу­ется в качестве компа­ратора (раз­ли­чи­теля) уров­ней сигналов в быстродейству­ю­щих схемах.

Диапазон выходного напря­же­ния ( DU_вых) – это диапазон зна­че­ний выходного напряжения, при котором параметры ОУ ле­жат в гаранти­ро­ванных преде­лах. Зависит от напряжения питания. При несимметричном выходе верхняя и нижняя границы диапазона раз­личны. Например, для 544УД2 DU_вх=10В при Е_п = ±15В (симметричный выход); для 140УД5 DU_вх = +6В/–4В при Е_п = ±12В (несимметричный выход).

Диапазон синфазных входных напряжений ( DU_вх.сф) – это такой диапазон синфазных входных напряжений, в котором параметры ОУ лежат в гарантированных пределах. Зависит от напряжения питания. Примерно на 3¸5 В меньше Е_п.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала равен отношению синфазного входного напряжения к дифференциальному, вызывающих одно и то же U_вых. Измеряется в децибелах. Для разных ОУ изменяется в пределах от 50 дБ (140УД5А) до 120 дБ (140УД24).

Максимальный выходной ток (I_вых.max). Для ОУ, имеющих внутреннюю защиту от короткого замыкания по выходу, это выходной ток короткого замыкания в режиме ограничения; для ОУ без защиты от КЗ – предельный выходной ток, который нельзя превышать. Для разных ОУ изменяется в диапазоне 1¸400 мА.

Существуют также другие параметры, характеризующие ток потребления, шумовые, температурные, частотные, фазовые, временные и другие свойства ОУ. В конкретных применениях любой из этих пара­метров может стать самым важным и определяющим выбор типа ОУ.