Основные параметры синусоидальных величин тока и напряжения, способы представления синусоидальных величин

Идеальный операционный усилитель обладает следующими характеристиками:

1. Бесконечно большой коэффициент усиления с разомкнутой петлей обратной связи G_openloop.
2. Бесконечно большое входное сопротивление входов V_- и V₊. Другими словами, ток, протекающий через эти входы, равен нулю.
3. Нулевое выходное сопротивление выхода операционного усилителя.
4. Способность выставить на выходе любое значение напряжения.
5. Бесконечно большая скорость нарастания напряжения на выходе операционного усилителя.
6. Полоса пропускания: от постоянного тока до бесконечности.

Из перечисленных  условий следует важнейшее свойство идеального ОУ, упрощающее рассмотрение схем с его использованием:

Идеальный операционный усилитель, охваченный отрицательной обратной связью, поддерживает одинаковое напряжение на своих входах.

Другими словами, при указанных условиях всегда выполняется  равенство

(V₊ − V_-) = 0

Не следует  думать, что операционный усилитель выравнивает напряжения на своих входах, подавая напряжение на входы «изнутри». На самом деле операционный усилитель выставляет на выходе такое напряжение, которое через обратную связь подействует на входы таким образом, что разность входных напряжений уменьшится до нуля.

Легко убедиться в справедливости равенства. Допустим, оно нарушено – имеет место небольшая разность напряжений. Тогда входное дифференциальное напряжение, усиленное в операционном усилителе, вызвало бы (вследствие бесконечного коэффициента усиления) бесконечно большое выходное напряжение, которое, в соответствии с определением ООС, ещё уменьшило бы разность входных напряжений. И так до тех пор, пока равенство не будет выполнено. Заметим, что выходное напряжение может быть любым — оно определяется видом обратной связи и входным напряжением.

Из рассмотрения принципа работы идеального операционного усилителя следует очень простая методика проектирования схем:

Пусть необходимо построить цепь на операционном усилителе с требуемыми свойствами. Требуемые свойства заключаются прежде всего в заданном состоянии выхода (выходное напряжение, выходной ток и т. д.), которое, возможно, зависит от какого-либо входного воздействия. Для создания схемы нужно подключить к операционному усилителю такую обратную связь, чтобы при требуемом выходном состоянии достигалось равенство напряжений на входах операционного усилителя (инвертирующем и неинвертирующем), а обратная связь была бы отрицательной.

Таким образом, требуемое  состояние системы будет устойчивым состоянием равновесия, и система будет в нем находиться неограниченно долго

 

 

 

 

От усилителя  требуется наличие на выходе напряжения, превышающего входное в K раз. В соответствии с приведённой выше методикой  подадим на неинвертирующий вход операционного усилителя сам входной сигнал, а на инвертирующий — выходной сигнал, поделённый в K раз резистивным делителем напряжения.

Пусть, K — коэффициент  деления напряжения резистивным  делителем R1R2:

K = R1 / (R1 + R2)

Тогда для неидеального операционного усилителя (с конечным коэффициентом усиления G_openloop) имеем:

V₊ = V_in

V₋ = K V_out

V_out = G_openloop(V_in − K V_out)

Решая данную систему  относительно V_out / V_in, получаем:

V_out/V_in = G_openloop/(1 + G_openloop K)

то есть получен  усилитель, коэффициент усиления которого зависит от усиления операционного усилителя и номиналов резисторов. Если же операционный усилитель имеет очень большой коэффициент усиления G_openloop (много больший, чем 1/K), то коэффициент Go_penloop в выражении сокращается и получаем более простое выражение:

V_out/V_in = 1/K = 1 + (R2/R1)

Таким образом, коэффициент передачи усилителя, построенного на операционном усилителе с достаточно большим усилением, практически зависит только от параметров обратной связи. Это полезное свойство позволяет проектировать системы с очень стабильным коэффициентом передачи, необходимые, например, при измерениях и обработке сигналов.

Параметры операционного усилителя, характеризующие его неидеальность, можно разбить на группы:

Параметры по постоянному  току

Ограниченное  усиление: коэффициент G_openloop не бесконечен (типичное значение 105 ÷ 106 на постоянном токе). Этот эффект заметно проявляется только в случаях, когда коэффициент передачи каскада с операционного усилителя отличается от параметра G_openloop в небольшое число раз (усиление каскада отличается от G_openloop на 1÷2 порядка или еще меньше).

Ненулевой входной  ток (или, что почти то же самое, ограниченное входное сопротивление): типичные значения входного тока составляют 10−9 ÷ 10−12 А. Это накладывает ограничения на максимальное значение сопротивлений в цепи обратной связи, а также на возможности согласования по напряжению с источником сигнала. Некоторые операционные усилители имеют на входе дополнительные цепи для защиты входа от чрезмерного напряжения – эти цепи могут значительно ухудшить входное сопротивление. Поэтому некоторые операционные усилители выпускаются в защищенной и незащищенной версии.

Ненулевое выходное сопротивление. Данное ограничение  не имеет большого значения, так  как наличие обратной связи эффективно уменьшает выходное сопротивление  каскада на операционный усилитель (практически до сколь угодно малых значений).

Ненулевое напряжение смещения: требование о равенстве  входных напряжений в активном состоянии  для реальных операционных усилителей выполняется не совсем точно – операционный усилитель стремится поддерживать между своими входами не точно ноль вольт, а некоторое небольшое напряжение (напряжение смещения). Другими словами, реальный операционный усилитель ведет себя как идеальный операционный усилитель, у которого внутри последовательно с одним из входов включен генератор напряжения с ЭДС U_см. Напряжение смещения – очень важный параметр, он ограничивает точность операционного усилителя, например, при сравнении двух напряжений. Типичные значения U_см составляют 10−3 ÷ 10−6 В.

Ненулевое усиление синфазного сигнала. Идеальный операционный усилитель усиливает только разницу входных напряжений, сами же напряжения значения не имеют. В реальных операционных усилителях значение входного синфазного напряжения оказывает некоторое влияние на выходное напряжение. Данный эффект определяется параметром коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС, англ. common-mode rejection ratio, CMRR), который показывает, во сколько раз приращение напряжения на выходе меньше, чем вызвавшее его приращение синфазного напряжения на входе ОУ. Типичные значения: 104 ÷ 106.

Параметры по переменному току

Ограниченная  полоса пропускания. Любой усилитель  имеет конечную полосу пропускания, но фактор полосы не особенно значим для операционного усилителя, поскольку они имеют внутреннюю частотную коррекцию для увеличения запаса по фазе.

Ненулевая входная ёмкость. Образует паразитный фильтр нижних частот.

Ненулевая задержка сигнала. Данный параметр, косвенно связанный  с ограничением полосы пропускания, может ухудшить действие ООС при  повышении рабочих частот.

Ненулевое время  восстановления после насыщения.

Нелинейные  эффекты

Насыщение – ограничение диапазона возможных значений выходного напряжения. Обычно выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания. Насыщение имеет место в случае, когда выходное напряжение «должно быть» больше максимального или меньше минимального выходного напряжения. Операционный усилитель не может выйти за пределы, и выступающие части выходного сигнала «срезаются» (то есть ограничиваются).

В моменты насыщения усилитель  не действует в соответствии с формулой, что вызывает отказ в работе ООС и появлению разности напряжений на его входах, что обычно является признаком неисправности схемы (и это легко обнаруживаемый наладчиком признак проблем). Исключение - работа операционного усилителя в режиме компаратора.

 

 

 

 

 

 

Искажение входного П-образного сигнала при ограниченной скорости нарастания выходного сигнала операционного усилителя.

 

Ограниченная  скорость нарастания. Выходное напряжение операционного усилителя не может измениться мгновенно. Скорость изменения выходного напряжения измеряется в вольтах за микросекунду, типичные значения 1÷100 В/мкс. Параметр обусловлен временем, необходимым для перезаряда внутренних ёмкостей.

Ограничения тока и напряжения

Ограниченное  выходное напряжение. У любого операционного усилителя потенциал на выходе не может быть выше, чем потенциал положительной шины питания и не может быть ниже, чем потенциал отрицательной шины питания (в случае, если нагрузка отсутствует, или является резистивной и не содержит источник тока). Другими словами, выходное напряжение не может выйти за пределы питающего напряжения. Например, для операционного усилителя opa277 выходное напряжение находится в пределах от VS−+0,5 В до VS+-2 В при сопротивлении нагрузки 10 кОм. Ширина этих «мертвых зон» выходного напряжения, которых выход операционного усилителя не может достичь, зависит от ряда условий (сопротивление нагрузки, направление выходного тока и др.). Существуют операционные усилители, у которых мертвые зоны минимальны, например, по 50 мВ до шин питания при нагрузке 10 кОм для opa340, эта особенность операционного усилителя называется «rail-to-rail» (от шины до шины).

Ограниченный  выходной ток. Большинство операционных усилителей широкого применения имеют встроенную защиту от превышения выходного тока – типичное значение максимального тока 25 мА. Защита предотвращает перегрев и выход операционного усилителя из строя.

Мощные операционные усилители, такие как К157УД1, могут иметь крепление для радиатора.

Ограниченная  выходная мощность. Большинство операционных усилителей предназначено для применений, не требовательных к мощности: сопротивление нагрузки не должно быть менее 2 кОм.

Классификация ОУ

По типу элементной базы

На полевых  транзисторах

На биполярных транзисторах

На электронных  лампах (устарели)

 

По области  применения

Выпускаемые промышленностью  операционные усилители постоянно  совершенствуются, параметры операционных усилителей приближаются к идеальным. Однако улучшить все параметры одновременно технически невозможно или нецелесообразно из-за дороговизны полученного чипа. Для того, чтобы расширить область применения операционных усилителей, выпускаются различные их типы, в каждом из которых один или несколько параметров являются выдающимися, а остальные на обычном уровне (или даже чуть хуже). Это оправдано, так как в зависимости от сферы применения от операционных усилителей требуется высокое значение того или иного параметра, но не всех сразу. Отсюда вытекает классификация операционных усилителей по областям применения.

Индустриальный  стандарт. Так называют широко применяемые, очень дешевые операционные усилители общего применения со средними характеристиками. Пример "классических" операционных усилителей: с биполярным входом - LM324, с полевым входом - TL084.(ГОСТ 18725-83Микросхемы интегральные. Общие технические условия).

Прецизионные операционные усилители имеют очень малые напряжения смещения, применяются в точных измерительных схемах. Обычно операционные усилители на биполярных транзисторах по этому показателю несколько лучше, чем на полевых. Также от прецизионных операционных усилителей требуется долговременная стабильность параметров. Исключительно малыми смещениями обладают стабилизированные прерыванием операционных усилителей. Примеры: AD707, AD708, с напряжением смещения 30 мкВ, а также новейшие AD8551 с типичным напряжением смещения 1 мкВ.

С малым входным  током (электрометрические) операционные усилители. Все операционные усилители, имеющие полевые транзисторы на входе, обладают малым входным током. Но среди них существуют специальные операционные усилители с исключительно малым входным током. Чтобы полностью реализовать их преимущества, при проектировании устройств с их использованием необходимо даже учитывать утечку тока по печатной плате. Пример: AD549 с входным током 6·10−14 А.

Микромощные и  программируемые операционные усилители потребляют малый ток на собственное питание. Такие операционные усилители не могут быть быстродействующими, так как малый потребляемый ток и высокое быстродействие – взаимоисключающие требования. Программируемыми называются операционные усилители, для которых все внутренние токи покоя можно задать с помощью внешнего тока, подаваемого на специальный вывод операционного усилителя.

Мощные (сильноточные) операционные усилители могут отдавать большой ток в нагрузку, то есть допустимое сопротивление нагрузки меньше стандартных 2 кОм, и может составлять до 50 Ом.

Высоковольтные операционные усилители. Все напряжения для них (питания, синфазное входное, максимальное выходное) значительно больше, чем для операционных усилителей широкого применения.

Быстродействующие операционные усилители имеют высокую скорость нарастания и частоту единичного усиления. Такие операционные усилители не могут быть микромощными, и как правило выполнены на биполярных транзисторах.

Малошумящие операционные усилители.

Звуковые операционные усилители. Имеют минимально возможный коэффициент гармоник (THD).

Специализированные операционные усилители. Обычно разработаны для конкретных задач (подключение фотодатчика, магнитной головки, и др.). Могут содержать в себе готовые цепи ООС или отдельные необходимые для этого прецизионные резисторы.