Статические параметры операционных усилителей
Основные параметры ОУ
Интегральный ОУ имеет следующие основные параметры:
Коэффициент усиления напряжения KyU отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению входного напряжения. В общем случае коэффициент напряжения ОУ, не охваченного обратной связью, равен произведению KyU всех его каскадов. В настоящее время Ky некоторых усилителей по постоянному току превышает 3.10 6. Однако значение его уменьшается с ростом частоты входного сигнала, при этом суммарная АЧХ имеет столько изломов, сколько усилительных каскадов в ОУ. Каждый каскад на высоких частотах вносит фазовый сдвиг, который влияет на устойчивую работу ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС). Устойчивой работы усилительных каскадов ОУ добиваются введением частотной коррекции внешних нагрузочных RC цепей. Для стабилизации двухкаскадного усилителя обычно требуется одна цепь, трехкаскадного две. Многие ОУ последних выпусков не требуют внешних цепей коррекции, так как в их схему уже введены необходимые элементы.
Частота единичного усиления fI значение частоты входного сигнала, при котором значение коэффициента усиления напряжения ОУ падает до единицы. Этот параметр определяет максимально реализуемую полосу усиления ОУ. Выходное напряжение на этой частоте ниже, чем для постоянного тока в 30 раз.
Максимальное выходное напряжение UВЫХ макс максимальное значение выходного напряжения, при котором искажения не превышают заданного значения. В отечественной практике этот измеряется относительно нулевого потенциала как в положительную, так и в отрицательную сторону UВЫХ макс. В зарубежных каталогах приводят значение максимального диапазона выходных напряжений, который равен 2UВЫХ. Выходное напряжение измеряется при определенном сопротивлении нагрузки. При уменьшении сопротивления нагрузки величина UВЫХ макс уменьшается.
Скорость нарастания выходного напряжения VUвых отношение изменения UВЫХ от 10 до 90% от своего номинального значения ко времени, за которое произошло это изменение. Параметр характеризует скорость отклика ОУ на ступенчатое изменение сигнала на входе; при измерении ОУ охвачен ООС с общим коэффициентом усиления от 1 до 10.
Напряжение смещения UСМ значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы на выходе напряжение было равно 0. Операционный усилитель реализуется в виде микросхемы со значительным числом транзисторов, характеристики которых имеют разброс по параметрам, что приводит к появлению постоянного напряжения на выходе в отсутствие сигнала на входе. Параметр UСМ помогает разработчикам рассчитывать схемы устройств, подбирать номиналы компенсационных резисторов.
Входные токи IВХ токи, протекающие через входные контакты ОУ. Эти токи обусловлены базовыми токами входных биполярных транзисторов и токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Входные токи, проходя через внутреннее сопротивление источника сигнала, создают падение напряжений, которые могут вызывать появление напряжения на выходе в отсутствие сигнала на входе.
Разность входных токов IВХ. Входные токи могут отличаться друг от друга на 10 ... 20%. Зная разность входных токов, можно легко подобрать номинал балансировочного резистора. Все параметры ОУ изменяют свое значение дрейфуют с изменением температуры. Особенно важными дрейфами являются:
Дрейф напряжения смещения UСМ.
Дрейф разности входных токов IВХ.
Максимальное входное напряжение UВХ напряжение, прикладываемое между входными выводами ОУ, превышение которого ведет к выходу параметров за установленные границы или к разрушению прибора. В таблицах приводятся значения UВХ, в зарубежной литературе абсолютные значения диапазона.
Максимальное синфазное входное напряжение UВХ СФ наибольшее значение напряжения прикладываемого одновременно к обоим входным выводам ОУ относительно нулевого потенциала, превышение которого нарушает работоспособность прибора. В отечественной документации приводят модуль величины UВХ СФ, а в зарубежной диапазон.
Коэффициент ослабления синфазного сигнала КОССФ отношение коэффициента усиления напряжения, приложенного между входами ОУ, к коэффициенту усиления общего для обоих входов напряжения.
Выходной ток IВЫХ максимальное значение выходного тока ОУ, при котором гарантируется работоспособность прибора. Это значение определяет минимальное сопротивление нагрузки. Очень важно при расчете комплексного сопротивления нагрузки учитывать, что при переходных процессах включения (выключения) ОУ значение емкостной или индуктивной составляющей сопротивления нагрузки резко изменяются и при неправильном подборе нагрузки схема может выйти из строя.
Часто вместо значения IВЫХ в документации приводят минимальное значение сопротивления нагрузки RН. Большая часть ОУ, разработанных в последнее время, имеют каскад, ограничивающий величину выходного тока при внезапном замыкании выходного контакта на шину источника питания или нулевой потенциал. Предельный выходной ток при этом ток короткого замыкания IКЗ равен 25 мА.
Конструкторы и технологи микросхем ОУ постоянно ищут способы улучшения основных параметров приборов: увеличение KyU, fI, VUвых и др. Применяя схемотехнические решения и вводя новые технологические приемы, стараются снизить значение «паразитных» параметров UСМ, IВХ, IВХ и их дрейфов, а также мощность, потребляемую прибором. Как правило достичь максимальных значений для всех параметров невозможно. Достижение максимального значения одного параметра часто осуществляется за счет ухудшения другого. Так, увеличение коэффициента усиления по напряжению влечет за собой снижение частотных свойств, и наоборот.