Свойства операционного усилителя

Операционный усилитель (ОУ) сходен по принципу действия с обычным усилителем и предназначен для усиления по напряжению или по мощности входного сигнала. Однако его отличие от обычного усилителя состоит в том, что параметры схемы с его использованием определяются не внутренней схемой усилителя, преимущественно параметрами цепи обратной связи. ОУ выполняют по схеме транзисторного усилителя постоянного тока с нулевым значением выходного напряжения и напряжения смещения нулевой точки.

На рис. 1 приведено схемное обозначение ОУ и показаны основные напряжения и токи. Входной каскад выполняется в виде дифференциального усили-теля, так что ОУ имеет два входа: неинвертирующий и инвертирую-щий (отмечен на схеме кружком), на которые относительно земли подаются напряжения U_н и U_и. Чтобы обеспечить работу ОУ с положительными и отрицатель-ными сигналами на каждом входе требуется два разнополярных источника напряжения питания U_п+ и U_п–. В области низких частот выходное напряжение находится в той же фазе, что и разность входных напряжений U_д = U_н – U_и (дифференциальное напряже-ние). По обоим входам протекают токи I_н и I_и, а в цепи выхода ток нагрузки I_вых.

Идеальный ОУ должен обладать следующими свойствами:

дифференциальный коэффициент усиления холостого хода при разомкнутой обратной связи К_д, входное сопротивление для дифференциального сигнала R_д и ширина полосы пропускания бесконечны;

выходное сопротивление R_вых, входные токи, шумы и сдвиг нуля равны нулю.

Параметры реальных ОУ отличаются от параметров идеального ОУ.

имеет конечную величину, которая лежит в пределах от 10⁴ до 10⁶.

На рис. 2 показана типовая передаточная характеристика ОУ при напряжениях источников питания +15 и –15 В. В области усиления при U_{вых.мин.}<U_вых.<U_{вых.макс.} характеристика почти линейна. В области насыщения с ростом U_д соответствующего увеличения U_вых. не происходит. Границы области усиления отстоят приблизительно на 1…3 В от соответствующих положительного и отрицательного напряжений питания и по абсолютной величине могут быть разными.

У идеального ОУ передаточная характеристика должна проходить через нулевую точку. У реального усилителя эта характеристика сдвинута на напряжение сдвига нуля U_сдв, типично имеющего величину до 3…10 мВ. U_сдв является следствием неточного согласования напряжений эмиттер – база транзисторов входного дифференциального каскада. Чтобы сделать выходное напряжение равным нулю, надо подать на входы ОУ с противоположным знаком разность напряжений, равную U_сдв, либо изменить токи входных транзисторов. Во многих ОУ для этого предусмотрены специальные выводы. В дальнейшем изложении
предполагается, что напряжение сдвига нуля скомпенсировано и равно нулю.

Если на инвертирующий и неинвертирующий входы идеального ОУ подать одно и то же относительно земли – общей точки источников питания – напряжение (синфазный сигнал), то U_д = U_н – U_и окажется равным нулю и, следовательно, U_вых также будет равно нулю. У реального ОУ U_вых будет отличаться от нуля. Параметр относительное ослабление синфазного сигнала К_ос.сф. показывает, во сколько раз входное синфазное напряжение больше входного дифференциального напряжения при условии, что оба напряжения вызывают одинаковое выходное напряжение. Типичные значения К_ос.сф. от 1000 до 100000.

Входной ток I_д является результатом неточного согласования коэффициентов усиления по току β входных транзисторов. I_д определяется по току генератора, подключённого к обоим входам ОУ, при котором выходное напряжение становится равным нулю. Этот ток равен полусумме входных токов дифференциального каскада. В схемах на биполярных транзисторах I_д составляет 10 нА …10 мкА, на полевых транзисторах – 10 пА …1 нА.

Входное сопротивление R_д определяется шунтированием цепи, подключённой ко входным зажимам ОУ, при отключённой обратной связи. Типичные значения колеблются от нескольких до сотен килоом, а у ОУ с транзисторами супер-β или с полевыми транзисторами на входах до сотен мегаом.

Выходное сопротивление R_вых определяется шунтированием цепи, подключённой к выходу ОУ, при отсутствии обратной связи. Типичные значения R_вых от 100 до 500 Ом.

В таблице приведены важнейшие параметры ОУ общего назначения К140УД7 с биполярными транзисторами на входах и К140УД8 с полевыми транзисторами.

Типовые параметры интегральных операционных усилителей без внешних обратных связей при напряжениях питания +15 и –15 В