11.4 Основные параметры и типовые схемы включения операционных усилителей
В линейных устройствах ОУ используются с глубокой ООС. При этом параметры схем на ОУ практически полностью определяются видом и характеристиками элементов, включенных в цепь обратной связи. ОУ стали самыми универсальными и массовыми элементами аналоговой схемотехники. Такая многофункциональность и гибкость при использовании лишь нескольких типов микросхем ОУ достигается применением самых разнообразных внешних цепей обратной связи, включающих линейные, нелинейные, пороговые, частотно-зависимые и другие элементы.
На
рис. 11.6 приведена схема включения
сдвоенного ОУ с внутренней цепью
частотной коррекции, выполненного на
микросхеме К14ОУД20. Показана цепь
балансировки нуля, с помощью которой
устраняется начальный сдвиг нулевого
уровня на выходе операционного усилителя.
Без балансировки при нулевом напряжении
на входе напряжение на выходе устройств,
построенных на ОУ, иногда может составлять
единицы вольт.
Условное графическое обозначение ОУ показано на рис.11.7, а. На этом же рисунке приведены амплитудная (11.7, б) и амплитудно-частотная (11.7, в) характеристики ОУ. Операционный усилитель имеет два входа: неинвертирующий (U+) и инвертирующий (U–). Уровни положительного и отрицательного ограничения приближаются по величине к напряжениям двухполярного источника питания. Возможное смещение амплитудной характеристики относительно начала координат характеризует напряжение смещения Uсм. Амплитудно-частотная характеристика ОУ в области верхних частот вплоть до частоты единичного усиления f1 спадает с таким наклоном, при котором во сколько раз изменяется частота (например, в 10 раз, т.е. на декаду), во столько же раз изменяется коэффициент усиления по напряжению К (также в 10 раз, т.е. на 20 дБ в логарифмическом масштабе).
При практическом применении операционных усилителей разработчиков интересует не столько принципиальная схема ОУ, сколько схема включения и основные параметры (в скобках приведены для К14ОУД20):
1) коэффициент усиления по напряжению (К = 25000);
2) входное сопротивление (rвх – сотни килоом);
3) выходное сопротивление (rвых– сотни ом);
4) напряжение смещения (Uсм = 1мВ);
5) входной ток (Iвх = 100 нА);
6) коэффициент подавления синфазного сигнала (Mсф = 70 дБ);
7) частота единичного усиления (f1 = 0,5 МГц);
8)
напряжение питания
9)
дрейф напряжения смещения
.
Упрощенный
анализ устройств на ОУ будем проводить
для идеального операционного усилителя,
т.е. имеющего
По мере совершенствования схемотехники
и технологии изготовления ОУ их
характеристики все больше приближаются
к идеальным.
Получим
основные соотношения для типовых
включений ОУ. В практических схемах в
качестве Z1
и Z2
могут
использоваться резисторы, конденсаторы,
катушки индуктивности, а также
двухполюсники, составленные из их
последовательного или параллельного
соединения. Потенциалы инвертирующего
и неинвертирующего входов идеального
ОУ можно считать одинаковыми, т.к.
При
инвертирующем
включении
(рис. 11.8, а)
через элемент Z1
течет ток
Точно такой же ток течет и через Z2, т.к.
Таким образом,
а
(11.14)
При
неинвертирующем
включении
(рис. 11.8, б)
по цепи ОС течет ток
и
откуда
.
(11.15)
На основе операционных усилителей путем введения внешних цепей обратной связи (в том числе и частотно-зависимых) строится большое число электронных устройств, осуществляющих эффективное преобразование электрических сигналов и широко используемых в измерительной технике. Их передаточные свойства описываются в первом приближении соотношениями (11.14) и (11.15). Для оценки погрешностей измерительных устройств приходится учитывать влияние реальных параметров применямых ОУ. Точность измерительных устройств сильно зависит и от класса точности элементов, используемых в цепи ООС операционного усилителя. Изучению таких устройств и оценке основных составляющих их погрешности посвящена следующая глава, в которой рассмотрены вопросы применения ОУ. С практической точки зрения эти вопросы являются наиболее важными в изучаемой дисциплине.