Краткие сведения из теории

Характеристики операционного усилителя

Цель

1. Измерение входных токов операционного усилителя (ОУ).

2. Оценка величин среднего входного тока и разности входных токов ОУ.

3. Измерение напряжения смещения ОУ.

4. Измерение дифференциального входного сопротивления ОУ.

5. Вычисление выходного сопротивления ОУ.

6. Измерение скорости нарастания выходного напряжения ОУ.

Приборы и элементы

Вольтметр

Амперметр

Осциллограф

Функциональный генератор

Источник напряжения

ОУ LM741

Резисторы

Краткие сведения из теории

Интегральный операционный усилитель характеризуется рядом параметров, описывающих этот компонент с точки зрения качества выполнения им своих функций. Среди параметров, обычно приводимых в справочных данных, основными являются следующие.

Средний входной ток I_ВХ. В отсутствие сигнала на входах ОУ через его входные выводы протекают токи, обусловленные базовыми токами входных биполярных транзисторов или токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Входные токи, проходя через внутреннее сопротивление источника входного сигнала, создают падения напряжения на входе ОУ, которые могут вызвать появление напряжения на выходе в отсутствии сигнала на входе. Компенсация этого падения напряжения затруднена тем, что токи входов реальных ОУ могут отличаться друг от друга на 10...20%

Входные токи ОУ можно оценить по среднему входному току, вычисляемому как среднее арифметическое токов инвертирующего и неинвертирующего входов:

,

где I₁ и I₂ соответственно токи инвертирующего и неинвертирующего входов.

Разность входных токов  определяется выражением:

.

В справочниках указывают модуль этой величины.

Схема для измерения входных токов представлена на рис. 3.1.

Коэффициент усиления напряжения на постоянном токе К₀ - показатель ОУ, определяющий насколько хорошо выполняет ОУ основную функцию - усиление входных сигналов. У идеального усилителя коэффициент усиления должен стремиться к бесконечности.

Коэффициент усиления напряжения схемы усилителя на ОУ (рис. 3.2) вычисляется по формуле:

.

Напряжение смещения U_СМ - значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы напряжение на его выходе было равно нулю.

Напряжение смещения U_СМ можно вычислить, зная выходное напряжение при отсутствии напряжения на входе и коэффициент усиления:

.

Входное сопротивление R_ВХ. Различают две составляющие входного сопротивления: дифференциальное входное сопротивление и входное сопротивление по синфазному сигналу (сопротивление утечки между каждым входом и "землей"). Входное дифференциальное сопротивление для биполярных ОУ находится обычно в пределах 10 кОм …10 МОм. Входное сопротивление по синфазному сигналу определяется как отношение приращения входного синфазного напряжения  к вызванному приращению среднего входного тока :

.

Дифференциальное входное сопротивление наблюдается между входами ОУ и может быть определено по формуле:

где  изменение напряжения между входами ОУ, изменение входного тока.

Выходное сопротивление R_ВЫХ в интегральных ОУ составляет 20...2000 Ом. Выходное сопротивление уменьшает амплитуду выходного сигнала, особенно при работе усилителя, на сравнимое с ним сопротивление нагрузки. Схема для измерения дифференциального входного сопротивления ОУ и выходного сопротивления приведена на рис. 3.3.

Скорость нарастания выходного напряжения V_UВЫХ равна отношению изменения выходного напряжения ОУ ко времени его нарастания при подаче на вход скачка напряжения. Время нарастания определяется интервалом времени, в течении которого выходное напряжение ОУ изменяется от 10% до 90% от своих установившихся значений.

.

Схема для измерения скорости нарастания выходного напряжения показана на рис. 3.4. Измерения проводятся при подаче импульса в виде ступени на вход ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС) с общим коэффициентом усиления от 1 до 10.