Операционные усилители (стр. 2 из 3)
Входное и выходное напряжения. Выходное напряжение ОУ зависит от разности напряжений на его входах
, где 
– напряжения на неинвертирующем и инвертирующем входах усилителя. Поэтому для ОУ справедливо: 
, (1.3)где K – коэффициент усиления ОУ без обратной связи (разомкнутого усилителя). Предположим, что
(напряжение на входе (+) положительно по отношению к напряжению на входе (–)), тогда выходное напряжение положительно, рис. 1.7,а.В случае, если
(напряжение на входе (+) отрицательно по отношению к напряжению на входе (–)), выходное напряжение отрицательно, рис. 1.7,б.Общая зависимость
представлена на рис. 1.8. Выходное напряжение линейно зависит от 
лишь в некотором диапазоне изменения последнего (от 
до 
) и не может превышать величины UНАС. 
Рис. 8. Амплитудная характеристика операционного усилителя
Два правила, справедливые для идеального ОУ. Определим значения
и . В соответствии с (1.3) имеем 
(1.4)Величина K чрезвычайно велика; она может достигать 200000 единиц и более. Приняв K=200000, для ОУ, запитанного от источника ±12 В, на основании (1.4) получим:
, 
.Здесь допущено, что
. Напряжение 60 мкВ очень мало. В типичном измерительном приборе напряжения наведенных шумов, сетевых наводок и напряжения от токов утечки могут превышать 1 мВ (1000 мкВ). В силу этого можно принять 
. Последнее позволяет сформулировать важное правило.Правило 1. Если ОУ находится в линейном режиме (выходное напряжение
), разность напряжений между его входами равна нулю ( 
).Для того, чтобы ОУ работал в линейном режиме, в схему необходимо ввести отрицательную обратную связь (ООС). Образно можно сказать, что будучи охвачен ООС операционный усилитель сделает все от него зависящее, чтобы устранить разность напряжений между своими входами.
ОУ является хорошим усилителем напряжения с большим входным сопротивлением. Для идеального ОУ сопротивления по обоим входам можно считать равными бесконечности. Отсюда следует второе важное правило.
Правило 2. Входы ОУ тока не потребляют.
Идеальный и реальный ОУ. Для идеального ОУ справедливо:
Коэффициент усиления дифференциального сигнала K бесконечно велик и не зависит от частоты сигнала.
Коэффициент усиления синфазного сигнала (напряжения общего для обоих входов) KСИНФ равен нулю.
Сопротивление по обоим входам бесконечно велико.
Напряжение смещения равно нулю.
Скорость изменения выходного напряжения бесконечно велика.
Дрейф (изменение во времени выходного напряжения) отсутствует.
Параметры реального ОУ несколько хуже. Однако в большинстве случаев для анализа схем на операционных усилителях можно использовать оба правила, справедливые для идеального ОУ. Этот подход и будет использоваться в дальнейшем. Знание реальных значений параметров конкретного ОУ позволяет оценить погрешность схемы преобразования сигнала и решить вопрос о целесообразности использования данного ОУ в конкретной схеме.
Параметры и характеристики ОУ. Параметры и характеристики ОУ можно условно подразделить на входные, выходные и характеристики передачи.
К входным параметрам относятся: напряжение смещения; средний входной ток; разность входных токов; входные сопротивления; коэффициент ослабления синфазного сигнала (синфазного напряжения); диапазон синфазных входных напряжений; температурный дрейф напряжения смещения; температурные дрейфы среднего входного тока и разности входных токов; напряжение шумов, приведенное ко входу; коэффициент влияния нестабильности источника питания на напряжение смещения.
Напряжение смещения ЕСМ– дифференциальное входное напряжение, при котором выходное напряжение усилителя равно нулю.
Средний входной ток IВХ– среднеарифметическое значение токов обоих входов усилителя, измеренных при таком входном напряжении UВХ, при котором выходное напряжение UВЫХ равно 0. Эти токи обусловлены необходимостью обеспечить нормальный режим работы входного дифференциального каскада на биполярных транзисторах. В случае использования полевых транзисторов это токи всевозможных утечек. Другими словами, входные токи – это токи, потребляемые входами ОУ.
Разность входных токов ΔIВХ– это разность токов, потребляемых входами ОУ.
Входные сопротивленияв зависимости от характера подаваемого сигнала подразделяются на дифференциальное (для дифференциального сигнала) и синфазное (сопротивление общего вида).
Входное сопротивление длядифференциального сигнала RВХ. ДИФ– это полное входное сопротивление со стороны любого входа, в то время как другой вход соединен с общим выводом (заземлен).
Входное сопротивление длясинфазного сигнала RВХ. СИНФхарактеризует изменение среднего входного тока при приложении к входам синфазного напряжения. Оно на несколько порядков выше сопротивления для дифференциального сигнала.
Коэффициент ослабления синфазного сигнала КОС СИНФопределяется как отношение напряжения синфазного сигнала, поданного на оба входа, к дифференциальному входному напряжению, которое обеспечивает на выходе тот же сигнал, что и в случае синфазного напряжения:
(1.5)С учетом (1.5) напряжение на выходе ОУ, появляющееся при одновременной подаче дифференциального и синфазного входных сигналов, равно
.Для каждого ОУ указывается диапазон изменения UВХ. ДИФ и UВХ. СИНФ, превышение предельных значений которых может привести к потере работоспособности усилителя.
Температурные дрейфы напряжения смещения и входных токовхарактеризуют изменения соответствующих параметров с температурой и составляют мкВ/°С и нА/°С. Наиболее важно учитывать данные параметры в прецизионных устройствах, так как компенсация их влияния на выходное напряжение затруднительна. Температурные дрейфы являются основной причиной появления температурных погрешностей устройств с ОУ.
Коэффициент влияния нестабильности источника питания КП – отношение изменения напряжения смещения ΔЕСМ к вызвавшему его изменению одного из питающих напряжений ΔUП.
К группе выходных параметров относятся выходное сопротивление, напряжение и ток выхода.
Коэффициент усиления по напряжению ОУ К – отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению дифференциального входного напряжения при работе усилителя на линейном участке характеристики:
К = ΔUВЫХ/ΔUВХ. (1.6)
Частота единичного усиления f1- это частота, на которой модуль коэффициента усиления ОУ равен единице.
Скорость нарастания выходного напряжения- это максимальная скорость изменения выходного сигнала при максимальном значении его амплитуды. Скорость нарастания определяется при подаче на вход усилителя импульса напряжения прямоугольной формы.
2. ПРИМЕНЕНИЕ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
В настоящее время в электронике широкое распространение получила цифровая обработка сигналов. Цифровые методы, основывающиеся на использовании микропроцессоров, проникли во множество областей радиоэлектроники и привели к созданию совершенно новых способов обработки сигналов. Одновременно наблюдается развитие аналоговой электроники, поскольку по мере развития систем цифровой обработки повышаются требования к качеству входных и выходных аналоговых сигналов. Операционный усилитель является базовым элементом устройств аналоговой обработки сигналов. Поэтому разработчик систем сбора, передачи и обработки измерительной информации должен обладать знаниями параметров ОУ (схем их включения и умением проектировать устройства на основе ОУ). В настоящем разделе рассматриваются некоторые основные применения ОУ в аналоговой схемотехнике.