10.2. Статические параметры оу.

R статическим параметрам относятся те, которые могут быть измерены без подачи на вход переменного сигнала. К стандартным, нормируемым в ТУ статическим параметрам в первую очередь относят:

• входной ток,

• входное сопротивление,

• напряжение смещения,

• коэффициент усиления,

• КОСС.

Входные токи ОУ очень малы (в идеальном ОУ принимается I_ВХ = 0) в реальных ОУ значения I_ВХ находятся в пределах от 0.1нА (полевые транзисторы на входе) до сотен мкА. Иногда вместо входного тока в ТУ указывают входное сопротивление

Напряжение смещения – U_СМ - постоянное напряжение между входами ОУ, при котором U_ВЫХ = 0. В идеальном ОУ принимается U_СМ = 0. В реальных ОУ – колеблется от единиц мкВ до 10мВ.

Коэффициент усиления - К_D – отношение ΔU_ВЫХ/ΔU_ВХ при разомкнутых цепях обратной связи (между выходом и НИ-входом ничего не включено). В идеальном ОУ принимается К_D –-> ∞. В реальных – имеет значения от 10⁴ до 10⁶.

К_ОСС – отношение синфазного входного напряжения к дифференциальному входному напряжению, вызывающих одно и то же приращение выходного напряжения, имеет примерно те же порядки ,что и К_D,

Статическая передаточная характеристика – это зависимость U_ВЫХ = f(ΔU_ВХ). Эти характеристики обычно снимаются при подаче напряжения на один из входов и нулевом потенциале на другом – Рис.10.3. Статические передаточные характеристики идеального ОУ показаны на Рис.10.6.

ПРИМЕЧАНИЕ

Входной ДК ОУ всегда усиливает разность входных сигналов ΔU_ВХ = U_НИ - U_И. Понятие U_{ВХ ­} вместо ΔU_ВХ применяется, если на одном из входов постоянно присутствует потенциал 0В.

Рис.10.3. Схемы снятия статических передаточных характеристик.

Рис.10.4 Идеальные передаточные характеристики ОУ

Характеристика 1 снимается в схеме Рис.10.3а, U_BX = U_И, U_НИ = 0В.

Характеристика 2 снимается в схеме Рис.10.3б, U_BX = U_НИ, U_И = 0В,

Особенности идеальной статической характеристики:

• при U_BX = 0B – в режиме покоя – U_BЫX = 0B,

• ограничение происходит на уровне V₀,

• переход от области усиления к области ограничения – резкий.

Реальные статические передаточные характеристики – Рис.10.5 – имеют следующие отклонения:

• смещение от нуля по оси Х на величину ±U_СМ.,

• смещение от нуля по оси Y на величину U_ВЫХ.0.,

• плавный переход между областями усиления и ограничения,

• ограничение U_ВЫХ на уровне < ± V₀ - может быть до (0.7 ÷ 08)V₀.

Рис.10.5 Реальные статические передаточные характеристики ОУ

У различных типов ОУ U_ВЫХ.0. может быть, как_. < 0, так и > 0. Знак и значение U_ВЫХ.0. не зависит от типа характеристики. Для ОУ нормируется напряжение смещения U_CM, которое имеет для разных характеристик одинаковое значение, но разные знаки.

10.3. Балансировка оу

Наличие напряжения U_CM и соответствующего ему выходного напряжения покоя U_ВЫХ.0. = K_D·U_CM объясняется невозможностью точной установки напряжения U_СДВ в КСУ. Поскольку K_D >> 1, то даже при малых значениях U_CM значения U_ВЫХ.0 получаются значительными – до единиц вольт. Состояние усилителя с U_ВЫХ.0. ≠ 0 называется разбалансированным. Это состояние приводит к следующим негативным явлениям:

• при работе с переменным сигналом максимальный размах U_ВЫХ уменьшается от примерно ±0.8∙V₀ до ±0.8∙(V₀ - U_ВЫХ.0.),

• при работе в качестве усилителя постоянного напряжения (вольтметры, измерители температуры и т.п.) появляется постоянная погрешность U_ВЫХ.0.

Самый очевидный способ балансировки ОУ – подача напряжения U_CM от внешнего источника на один из входов.

Рис.10.6. Варианты подачи U_CM для балансировки при рабочем И-входе.

Рис.10.7. Варианты подачи U_CM для балансировки при рабочем НИ-входе.

В принципе, для подачи U_CM может быть выбран любой вход, независимо от того, какой из входов является рабочим.

Схема на Рис.10.6б производит операцию

(10.6)

Схема на Рис.10.6в производит операцию

(10.7)

Аналогичные результаты можно получить для схем на Рис.10.7б и Рис.10.7в.

Знак напряжения U_CM определяется знаком и входом, на который оно подается. Все возможные комбинации сведены в Таблицу 10.1.

Таблица 10.1.

	подача UCM. на И-вход	подача UCM. на НИ-вход
UВЫХ.0 > 0	UCM. > 0	UCM. < 0
UВЫХ.0 < 0	UCM. < 0	UCM. > 0

Приемы балансировки ОУ с использованием внешних источников, показанные на Рис.10.6 и Рис.10.7, являются скорее "учебными", т.к. обладают хорошей наглядностью. На практике ОУ имеют специальные входы для подключения внешних резисторов (потенциометров). Способы подключения и номиналы внешних резисторов могут быть различными и определяются типом ОУ – см.рис.10.8. Целый ряд ОУ имеет встроенную систему автоматической балансировки, т.е. у них U_ВЫХ.0 ≈ 0В.

Рис.10.8. Практические варианты балансировки ОУ.

10.4. Динамические параметры ОУ.

Динамические параметры определяют поведение ОУ в частотной и временной областях:

• в частотной области – амплитудно – частотная характеристика (АЧХ) – зависимость коэффициента усиления от частоты,

• во временной области – переходная характеристика – зависимость U_ВЫХ(t) при подаче на вход ступеньки напряжения.

10.4.1. Амплитудно-частотная характеристика.

Типичный вид АЧХ ОУ при разомкнутой цепи обратной связи (между И-входом и выходом ничего не включено), приведен на Рис.10.9.

Обе шкалы АЧХ имеют логарифмический масштаб, т.к. диапазон значений слишком велик для линейного масштаба (до 10МГц по оси Х и до 10⁶ по оси Y)

Рис.10.9. АЧХ ОУ с разомкнутой цепью ОС

По оси Х откладываются декады – отрезки, у которых значения на границах различаются в 10 раз. Ось Х может начинаться со сколько угодно малого значения, но принципиально не с 0.

ОУ является усилителем постоянного тока, т.е. плоская часть его АЧХ начинается с 0Гц или, по-другому, с постоянной составляющей. При необходимости можно было бы начать построение АЧХ с еще меньших частот, но обязательно не с нуля!

Значение коэффициента усиления дано в децибелах [dB]. Для любого коэффициента усиления K_U выражение в [dB]

(10.8)

Некоторые соотношения для быстрого ориентирования при определении K_U[dB]:

• если K_U[dB] = 20N, то K_U = 10^N (N – целое),

• если K_U[dB] > 0, то K_U > 1,

• если K_U[dB] < 0, то K_U < 1,

• если K_U[dB] = 0, то K_U = 1.

Пример 10.1. Оценить диапазон нахождения К_U, если K_U[dB] = 35dB.

Определяем диапазон в dB в границах, кратных 20

120 < 35 < 220, отсюда 10 < K_U[dB]< 100

В АЧХ на Рис.10.9 информативными параметрами являются:

• граничная частота полосы пропускания в области ВЧ - f_ГР.НЧ, на которой значение K_D уменьшается на 3dB или, что то же, снижается до 0.707 от максимального; на данном графике f_ГР.ВЧ < 10Гц;

• частота единичного усиления f1, на которой значение K_D[dB] = 0 или, что то же, значение K_D = 1 (отсюда и название); на данном графике f1 ≈ 10МГц, быстродействующие ОУ имеют значения f1 > 50МГц.

Очевидно, что усилитель со спадом значения K_D на частоте менее 10Гц совершенно непригоден для работы обычного усилителя переменного напряжения. Однако, обычные усилители и не работают со значениями K_U ≈ 10⁶, которое имеет данный ОУ при разомкнутой цепи обратной связи. Характер изменения АЧХ при переходе к усилителям с небольшими (по сравнению с K_D) значениями K_U, а также основной смысл частоты f1 будет рассмотрен в пп.10.6.