Операционные усилители

Рис. 17. Компенсация емкостной  нагрузки 

1.8. 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 K_U, коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС, напряжение смещения нуля U_см, входной ток I_вх, разность входных токов по инвертирующему и неинвертирующему входам I_р, 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  подано постоянное напряжение U_вх. Выходное напряжение схемы при бесконечно большом K_U определится соотношением:

U_вых = U_вх         (16)

  При конечном KU выходное напряжение будет  отличаться на величину U_вых:

U_вых+U_вых = U_вхK_U/(1+K_U)         (17)

  Вычтя из (17) (16), получим:

U_вых = -U_вх /(1+K_U)         (18)

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

U_вх=U_вых,

откуда находим  окончательно относительную погрешность, приведенную ко входу:

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

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

U_вых=U_вых(U_д,U_с)

  Приращение  этого напряжение определяется соотношением:

, или 

U_вых =K_UU_д +K_сU_с ,         (21)

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

  Коэффициент ослабления синфазного сигнала показывает, какое значение дифференциального  входного напряжения U_д 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. Смещение нуля является результатом действия двух факторов: собственно напряжением смещения U_см, и постоянными входными токами усилителя I ⁺_вх и I^-_вх (см. рис. 11). Величина U_см 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 U. Например, в дифференциальной схеме включения ОУ (рис. 4) эта  разность определяется выражением:

U = I ⁺_вх(R₃||R₄) - I ^-_вх(R₁||R₂)

  Обозначим I ⁺_вх =I_вх + I_р /2; I ^-_вх =I_вх - I_р /2. Тогда

U = I_вх [(R₃||R₄)-(R₁||R₂)] + I_р[(R₃||R₄)+(R₁||R₂)]/2         (22)

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

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

Рис. 18. Включение компенсирующего резистора

  На  точность преобразования постоянного  входного сигнала существенное влияние  оказывают температурные дрейфы напряжения смещения U_см/T и входного тока I_вх/Т. Особенно существенное влияние может оказать дрейф прогрева, который проявляется при быстром изменении температуры в первое время после включения питания. При этом приращение U_см может быть существенно больше значения, получаемого при медленном изменении температуры. Это явление связано с возникновением термического градиента внутри подложки микросхемы. Наибольшее влияние разницы температур проявляется в парных транзисторах дифференциального усилительного каскада, где она нарушает баланс дрейфов их эмиттерно-базовых напряжений. Длительность процесса установления температуры может достигать несколько десятков секунд.

  Коэффициент влияния источников питания обычно определяют как приведенное ко входу  ОУ статическое (т.е. очень медленное) изменение выходного напряжения Uвых, обусловленное изменением одного из источников питания на 1 вольт. Обычно имеет размерность децибел или мкВ/В. С ростом частоты пульсаций напряжения питания коэффициент влияния источников питания увеличивается, поэтому для ослабления паразитных каналов прохождения сигналов по цепям питания между выводами питания ОУ и общей точкой включают конденсаторы. 

  Динамические  параметры ОУ

  Параметры, характеризующие быстродействие ОУ, можно разделить на параметры  для малого и большого сигналов. К первой группе динамических параметров относятся полоса пропускания f_п, частота единичного усиления f_т и время установления t_у. Эти параметры называются малосигнальными, т.к. они измеряются в линейном режиме работы каскадов ОУ (U_вых <1В). Ко второй группе относятся скорость нарастания выходного напряжения r и мощностная полоса пропускания f_р. Эти параметры измеряются при большом дифференциальном входном сигнале ОУ (более 50 мВ).

  Мощностная  полоса пропускания ОУ определяется по виду амплитудно-частотной характеристики, снятой при максимально возможной амплитуде неискаженного выходного сигнала. Вначале на низких частотах устанавливают такую амплитуду сигнала от генератора гармонических колебаний, чтобы амплитуда выходного сигнала U_{вых.макс} немного не доходила до границ насыщения усилителя. Затем увеличивают частоту входного сигнала. Мощностная полоса пропускания f_р соответствует значению U_{вых.макс} равному 0,707 от первоначального значения. Величина мощностной полосы пропускания снижается при увеличении емкости корректирующего конденсатора.

  Эксплуатационные  параметры ОУ определяют допустимые режимы работы его входных и выходных цепей и требования к источникам питания, а также температурный диапазон работы усилителя. Ограничения эксплуатационных параметров обусловлены конечными значениями пробивных напряжений и допустимыми токами через транзисторы ОУ. К основным эксплуатационным параметрам относятся: номинальное значение питающего напряжения U_п; допустимый диапазон питающих напряжений; ток, потребляемый от источника I_пот; максимальный выходной ток I_{вых.макс}; максимальные значения выходного напряжения при номинальном питании; максимально-допустимые значения синфазных и дифференциальных входных  напряжений. 

1.9. Типы операционных  усилителей

  В настоящее время в мире изготавливаются  сотни наименований интегральных ОУ. Все это многообразие можно разделить  на группы, объединенные общей технологией  и схемотехникой, точностными, динамическими  или эксплуатационными характеристиками, причем эти группы могут пересекаться, т.е. включать общие элементы.

  С точки зрения внутренней схемотехники операционные усилители можно разделить  на биполярные, биполярно-полевые и  КМОП (на комплементарных полевых  транзисторах с изолированным затвором). В биполярно-полевых ОУ полевые транзисторы с управляющим p-n переходом или МОП-транзисторы обычно используются в качестве входных в дифференциальном входном каскаде. За счет этого достигается высокое входное сопротивление и малые входные токи.

  Большая часть номенклатуры ОУ относится  к усилителям общего назначения. Это дешевые усилители среднего быстродействия, невысокой точности и малой выходной мощности. Обычные параметры: K_U = 20 000 - 200 000; U_см = 0,1 - 20 мВ; f_т = 0,1 - 10 МГц. Типичные примеры: 140УД6, 140УД8, 153УД6, LF411.

  Быстродействующие усилители при средних точностных параметрах имеют высокие динамические характеристики (f_т = 20 - 1000 МГц, r = 10 - 1000 В/мкс). Быстродействие ОУ ограничивает два обстоятельства. Во-первых, в состав входного дифференциального усилителя входят p-n-p-транзисторы, относительно низкочастотные из-за меньшей подвижности дырок по сравнению со свободными электронами. Во-вторых, скорость нарастания ограничена скоростью заряда корректирующего конденсатора С_к. Влияние первого фактора устраняют, используя во входном каскаде более быстродействующие р-канальные полевые транзисторы. Увеличить скорость заряда С_к можно либо увеличив ток дифференциального каскада, либо уменьшив емкость С_к. В первом случае увеличивается ток потребления ОУ, а во втором ухудшается устойчивость. Повысить устойчивость можно, вводя дополнительные фазоопережающие звенья в схему усилителя или вне его. Как следствие, быстродействующие ОУ склонны к неустойчивости. Типичные примеры: 140УД10, 574УД3, 154УД4, ОРА634.

  Прецизионные  усилители имеют высокий дифференциальный коэффициент усиления по напряжению, малое напряжение смещения нуля и малый входной ток обычно при низком или среднем быстродействии. Увеличение K_U возможно путем усовершенствования каскадов усиления по напряжению или применением трехкаскадной схемы (например, 551УД1), что усложняет частотную коррекцию. Радикально уменьшить смещение нуля позволяет применение модуляции-демодуляции (МДМ), либо периодическая компенсация дрейфа (прерывание). Типичные примеры: 140УД26, МАХ400М, ОРА227 (без прерывания), ICL7652, 140УД24, МАХ430 (с прерыванием).

  Микромощные усилители используются в приборах, получающих питание от гальванических или аккумуляторных батарей. Эти усилители потребляют очень малый ток от источников питания (например, ОУ МАХ406 потребляет ток не более 1,2 мкА). Все другие параметры (особенно быстродействие) у них обычно невысокие. Для того, чтобы дать возможность проектировщику найти компромисс между малым потреблением и низким быстродействием некоторые модели микромощных ОУ выполняют программируемыми. Программируемый ОУ имеет специальный вывод, который через внешний резистор соединяется с общей точкой или источником питания определенной полярности. Сопротивление резистора задает ток системы токовых зеркал усилителя, которые выполняют функции генераторов стабильного тока и динамической нагрузки каскадов усилителя. Уменьшение этого резистора приводит к увеличению быстродействия ОУ и увеличению потребляемого тока. Увеличение - к обратному результату. Типичные примеры: 140УД12, 1407УД2, ОР22. Обычная величина тока потребления для микромощных и программируемых ОУ - десятки микроампер. Микромощные ОУ, как правило, допускают питание от весьма низких напряжений. Например, ОУ типа МАХ480 допускает работу от источников с напряжением от +/-0,8 до +/-18 В при токе потребления 15 мкА.