Амплитудно-частотная характеристика

Операционный усилитель, предназначенный для универсального использования, из соображений устойчивости должен иметь такую же частотную характеристику, как и фильтр нижних частот первого порядка, причем это требование должно выполняться по меньшей мере вплоть до частоты, при которой . Длявыполнения этого требования схема операционного усилителя должна содержать фильтр нижних частот с очень низкой частотой среза. На рис. 35 представлена типичная частотная характеристика дифференциального коэффициента усиления такого «частотно-скорректированного» операционного усилителя.

Рис. 35. Типовая частотная характеристика

дифференциального коэффициента усиления ОУ

В комплексной записи дифференциальный коэффициент усиления такого усилителя выражается следующей формулой:

Здесь – предельное значение на нижних частотах. Выше частоты , соответствующей границе полосы пропускания на уровне 3 дБ, модуль коэффициента усиления обратно пропорционален частоте.

Таким образом, в этом диапазоне частот выполняется соотношение

На частоте модуль дифференциального коэффициента усиления .Как следует из приведённого выше выражения, частота равна произведению коэффициента усиления на ширину полосы.

Входное сопротивление

Реальные операционные усилители имеют конечную величину входного сопротивления. Различают входное сопротивление для дифференциального сигнала и входное сопротивление для синфазного сигнала. Их действие иллюстрируется схемой замещения входного каскада операционного усилителя, представленной на рис. 36.

Рис. 36. Схема замещения для дифференциального и синфазного входных сопротивлений и начального входного тока ОУ

У операционных усилителей с биполярными транзисторами на входах входное сопротивление для дифференциального сигнала составляет несколько мегом, а входное сопротивление для синфазного сигнала –несколько гигаом. Входные токи, определяемые этими сопротивлениями, имеют величину порядка нескольких наноампер.

Существенно большие значения имеют постоянные токи, протекающие через входы операционного усилителя. Входной ток при отсутствии сигнала определяется по формуле

,

а входной ток смещения как

.

Для стандартных операционных усилителей на биполярных транзисторах начальный входной ток лежит в пределах от 20 до 200 нА, а для операционных усилителей с входными каскадами, выполненными на полевых транзисторах, он составляет всего несколько наноампер.

Конструктивное исполнение

Типовая цоколёвка операционных усилителей с различными корпусами представлена на рис. 37. Подобные схемы включения имеют большинство операционных усилителей многих производителей.

Рис. 37. Типовая цоколёвка операционного усилителя (вид сверху)

1 – вывод балансировки, 2 – инвертирующий вход, 3 – неинвертирующий вход,

4 – отрицательное напряжение питания, 5 – вывод балансировки, 6 – выход,

7 – положительное напряжение питания, 8 – свободный выход

9. Схема неинвертирующего усилителя на оу и её особенности

Если в качестве цепи обратной связи использовать простейший делитель напряжения и производить операцию вычитания напряжений с помощью дифференциальных входов операционного усилителя, то получится изображенная на рис. 38 базовая схема охваченного обратной связью неинвертирующего усилителя. Коэффициент обратной связи =.

Рис. 38. Схема неинвертирующего усилителя

При допущении идеальности характеристик операционного усилителя коэффициент усиления определяется формулой [2]

(9.1)

Важным особым случаем неинвертирующего усилителя является схема, в которой , т.е.и. Схема такого усилителя изображена на рис. 39. Из формулы (9.1) получаем коэффициент усиления для этой схемы, равный 1. Подобная схема включения операционного усилителя называется повторителем напряжения.

Рис. 39. Схема повторителя напряжения

Данная схема широко используется в качестве преобразователя сопротивления. Существенным преимуществом такой схемы является то, что разница между выходным и входным напряжениями составляет всего несколько милливольт.

Влияние напряжения смещения может быть исследовано по схеме замещения, представленной на рис. 40.

Рис. 40. Схема замещения с учетом влияния напряжения смещения

Видно, что в схеме на рис. 40 напряжение смещения оказывается приложенным последовательно с входным напряжением. Таким образом, как и входное напряжение, оно будет усиливаться в А раз.

Благодаря наличию отрицательной обратной связи входное сопротивление схемы возрастает. Анализируя работу схемы, можно определить, что входное сопротивление неинвертирующего усилителя приблизительно равно входному сопротивлению для синфазного сигнала (рис. 36) [2].

Эта величина даже для операционных усилителей с биполярными транзисторами на входах превышает 10⁹ Ом.

Выходное сопротивление схемы из-за наличия отрицательной обратной связи уменьшается. Так, если выходное сопротивление операционного усилителя, не охваченного обратной связью, равно (для реальных ОУ эта величина лежит в пределах от нескольких сотен Ом до нескольких кОм), то при наличии обратной связи его величина составит [2]

.

При величине коэффициента усиления ОУ = 10⁵…10⁷ выходное сопротивление реальных схем имеет величину от нескольких десятых до нескольких сотых долей Ом.