Операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов

Параметры операционных усилителей

Параметры, описывающие качество ОУ, можно разделить на три группы: точностные, динамические и эксплуатационные.

К точностным параметрам относятся: дифференциальный коэффициент усиления по напряжению KU, коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС, напряжение смещения нуля Uсм, входной ток Iвх, разность входных токов по инвертирующему и неинвертирующему входам Iр, коэффициент влияния источников питания Kв.ип и коэффициенты температурных дрейфов перечисленных параметров. Действие точностных параметров проявляется в том, что при постоянных напряжениях на входах выходное напряжение ОУ отличается от расчетного, определяемого выражением (4). Для сопоставления погрешности приводят ко входу ОУ.

Определим погрешность ОУ, вносимую конечным значением дифференциального коэффициента усиления. Пусть на вход неинвертирующего усилителя с коэффициентом передачи звена обратной связи b подано постоянное напряжение Uвх. Выходное напряжение схемы при бесконечно большом KU определится соотношением:

Uвых = Uвх/b (16)

При конечном KU выходное напряжение будет отличаться на величину DUвых:

Uвых+DUвых = UвхKU/(1+bKU) (17)

Вычтя из (17) (16), получим:

DUвых = -Uвх /b(1+bKU) (18)

Как следует из (16), соответствующее отклонение, приведенное ко входу, с точностью до величин второго порядка малости:

DUвх=DUвыхb,

откуда находим окончательно относительную погрешность, приведенную ко входу:

(19)

Из последнего выражения следует, что погрешность преобразования входного сигнала схемой на ОУ обратно пропорциональна коэффициенту петлевого усиления. Для гармонических сигналов можно получить аналогичное соотношение:

.

(20)

Погрешность, обусловленная синфазным входным напряжением ОУ, может быть определена следующим образом. Выходное напряжение усилителя является функцией как дифференциального Uд=Up-Un, так и синфазного Uc=(Up+Un)/2 входных напряжений:

Uвых=Uвых(Uд, Uс).

Приращение этого напряжение определяется соотношением:

, или

DUвых =KUDUд +KсDUс, (21)

где Kс - коэффициент усиления синфазного сигнала. При DUвых = 0 из (21) следует:

Коэффициент ослабления синфазного сигнала показывает, какое значение дифференциального входного напряжения DUд следует приложить ко входу усилителя, чтобы скомпенсировать усиление входного синфазного сигнала.

Найдем погрешность, обусловленную смещением нуля усилителя. Смещение нуля ОУ проявляется в наличии постоянного напряжения на выходе усилителя при отсутствии входного напряжения. Обычно определяют смещение нуля, приведенное ко входу, т.е. смещение выходного напряжения, умноженное на коэффициент передачи цепи обратной связи b. Смещение нуля является результатом действия двух факторов: собственно напряжением смещения Uсм, и постоянными входными токами усилителя I +вх и I-вх (см. рис. 11). Величина Uсм определяется в основном разбросом напряжений эмиттерно-базовых переходов входных транзисторов дифференциального каскада в усилителях на биполярных транзисторах или напряжений затвор-исток в ОУ с полевыми транзисторами на входах. Эта величина составляет 0, 1 - 5 мВ для усилителей общего назначения с биполярными и 0, 5 - 20 мВ с полевыми транзисторами на входе. Путем лазерной подгонки удается уменьшить смещение нуля до 10 мкВ (МАХ400М) у первого типа усилителей и до 100 мкВ (ОРА627В) у второго. Дальнейшее снижение смещения нуля достигается применением схем автоматической компенсации смещения нуля. Например, ОУ с прерыванием имеют типичное напряжение смещения нуля менее 1 мкВ (ICL7650S, MAX430). Снизить Uсм можно подстройкой внешним резистором, для подключения которого некоторые операционные усилители (например, 140УД7, 140УД8) имеют специальные выводы.

Постоянные входные токи, протекая по резисторам цепей обратной связи и источников сигналов создают разность падений напряжения DU. Например, в дифференциальной схеме включения ОУ (рис. 4) эта разность определяется выражением:

DU = I +вх(R3||R4) - I -вх(R1||R2).

Обозначим I +вх =Iвх + Iр /2; I -вх =Iвх - Iр /2. Тогда

DU = Iвх [(R3||R4)-(R1||R2)] + Iр[(R3||R4)+(R1||R2)]/2. (22)

Величину Iвх называют в технических характеристиках ОУ входным током, а Iр - разностью входных токов. Анализ выражения (22) показывает, что составляющая DU, вызванная входным током, может быть устранена правильным выбором соотношения резисторов, другую же составляющую DU, обусловленную разностью входных токов, можно только уменьшить, выбирая номиналы резисторов по возможности минимальными.

Пример 2. Для снижения смещения нуля инвертирующего усилителя, имеющего существенные входные токи, следует между неинвертирующим входом и общей точкой схемы включить компенсирующий резистор Rк (рис. 18). Сопротивление этого резистора определяется соотношением: Rк = R1R2 /(R1 + R2).