Передаточные характеристики ОУ

 

Усилительные свойства ОУ описываются его передаточными характеристиками (рисунок 2). Их представляют в виде двух кривых 1 и 2, относящихся соответственно к неинвертирующему (1) и инвертирующему (2) входам. Характеристики снимают при подаче сигнала на один из входов (например, р-вход) при нулевом сигнале на другом входе (соответственно n-входе).

Рисунок 2 – Передаточные характеристики ОУ

 

 

Из передаточных характеристик следует:

 

1. наклон характеристики в линейной области (области усиления) определяется коэффициентом усиления:  

;

2. при нулевом напряжении на входе ОУ напряжение на его выходе не равно нулю:

U _вых ¹ 0 = U _вых,0 = А U _сдв,          (6)

 

где U _сдв – входное напряжение сдвига, обусловленное в основном, неидентичностью параметров транзисторов входного дифференциального каскада ОУ.

Численно U _сдв определяется как напряжение, которое необходимо приложить к входу ОУ для того, чтобы его выходное напряжение было равно нулю.

Наличие напряжения U _сдв необходимо учитывать, особенно при усилении малых входных сигналов. Его можно компенсировать, подавая на один из входов ОУ напряжение смещения (соответствующей величины) от внешнего источника;

 

3. выходное напряжение ОУ U _вых ограничено значением U _{вых,макс}, которое всегда меньше напряжения источника питания Е _п.

 

При увеличении входного напряжения U _вх до величины, близкой к

                                 (7)

передаточная характеристика переходит в область нелинейности, а затем – в нерабочую область (горизонтальный участок).

 

 

Основные параметры ОУ

 

1. Коэффициент усиления для дифференциального сигнала   А.

2. Напряжение сдвига   U _сдв.

3. Входной ток смещения   I _cм. Входные токи смещения по входам "р" и "n" необходимы для работы входного дифференциального каскада ОУ.

4. Входной ток сдвига   I _cдв.     I _cдв = | I _{см ,р} – I _{см, n} |.

5. Входное сопротивление R _вх. Следует различать дифференциальное входное сопротивление   R _вхд  (сопротивление между двумя входами ОУ) и синфазное входное сопротивление   R _{вх сс} (сопротивление между объединенными входами и общей шиной).

6. Выходное сопротивление   R _вых.

7. Коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС.

8. Коэффициент влияния нестабильности источника питания на выходное напряжение   К _нп. Он показывает изменение выходного напряжения ОУ при изменении напряжения питания (+ Е _п и – Е _п одновременно) на 1 В. Измеряется в [мкВ/В].

9. Входная емкость   С _вх.

10. Ток потребления без нагрузки   I _п.

11. Мощность потребления без нагрузки   Р.

12. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения   V.  Измеряется в [В/мкс].

13. Переходная характеристика – зависимость напряжения на выходе ОУ от времени при подаче на вход ОУ ступеньки напряжения.

14. Частота единичного усиления f ₍₁₎ – частота, на которой коэффициент усиления ОУ А равен 1 (или 0 дБ).

15. Предельно допустимые значения параметров. Значения параметров, при превышении которых не гарантируется обеспечение функциональных характеристик ОУ или возможно необратимое повреждение ОУ. К таким параметрам относятся:   Р _макс, Е _п,макс, U _д,макс. , U _{сс,макс}, ,  и др.

 

 

Частотные свойства ОУ

 

Коэффициент усиления ОУ, как и любого усилителя, зависит от частоты входного сигнала. В области низких частот его величина практически постоянна, но в области высоких частот величина коэффициента усиления падает. Это объясняется усилением влияния на высоких частотах паразитных емкостей полупроводниковой структуры ОУ.

При рассмотрении частотных свойств ОУ необходимо учитывать, что ОУ может как содержать, так и не содержать собственные (внутренние) цепи частотной коррекции.

ОУ, предназначенный для универсального применения, из соображений устойчивости должен иметь такую же частотную характеристику, как и фильтр нижних частот первого порядка. В комплексной форме дифференциальный коэффициент усиления такого скорректированного усилителя выражается формулой:

,                      (8)

где А ₀ – коэффициент усиления ОУ по постоянному току (на нулевой частоте);

 – частота среза.

 

Обычно в выражении (8) выделяют модуль и аргумент:

 

,                         (9)

 

.                       (10)

 

Здесь  – частота среза, равная частоте, на которой коэффициент усиления  уменьшается по сравнению с А ₀ в  раз (или на 3 дБ).

 

Модуль  дает зависимость коэффициента усиления ОУ от частоты и определяет амплитудно-частотную характеристику (АЧХ).

Аргумент  показывает запаздывание по фазе выходного сигнала относительно входного и определяет фазо-частотную характеристику (ФЧХ).

При построении графиков АЧХ часто для компактности и наглядности частоту откладывают в логарифмическом масштабе, а коэффициент усиления – в децибелах или в линейном масштабе. Здесь справедливы соотношения:

 

А [дБ] = 20lg А,                       (11)

 

А _{f ср} [дБ] = .   (12)

 

На рисунке 3 приведены АЧХ и ФЧХ в логарифмическом масштабе (частота представлена в декадном масштабе).

Рисунок 3 – АЧХ и ФЧХ скорректированного ОУ (со спадом 20 дБ/дек)

 

 

Частота f ₍₁₎ – частота единичного усиления, на которой коэффициент усиления равен единице (или 0 дБ).

 

Спад АЧХ в диапазоне от f _ср до f ₍₁₎ равен 20дБ/дек. Это соответствует уменьшению коэффициента усиления на 20 дБ при увеличении частоты в 10 раз.

 

Из выражения (9) при условии, что  (f / f _ср) >>1, получаем:

 

А f = А ₀ f _ср = f ₍₁₎,                                  (13)

 

т.е. произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания равно частоте единичного усиления.