18(2) Операционные усилители

Операционными усилителями (ОУ) называют высококачественные усилители постоянного тока (УПТ), предназначенные для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью.

Усилители постоянного тока отличаются от усилителей переменного тока тем, что позволяют усиливать медленно изменяющиеся сигналы (f_н→0). Соответственно на входе, выходе и между каскадами у них отсутствуют реактивные компоненты (конденсаторы, трансформаторы), которые не пропускают постоянную составляющую сигнала. Обычно УПТ достаточно широкополосны и позволяют усиливать сигналы в диапазоне частот от f_н = 0 до f_в (рис. 5.4,а). Их амплитудная характеристика имеет вид, показанный на рис. 5.4,б.

По принципу действия и схемному выполнению УПТ делят на два основных вида: 1) усилители с непосредственными связями (прямого усиления); 2) усилители с преобразованием сигнала. Последние подразделяют: а) на усилители с про­межуточным преобразованием (модуляцией) сигнала посто­янного тока в переменное напряжение и усилением на несущей частоте с последующей модуляцией (УПТ-МДМ); б) усилители, в которых входной сигнал воздействует на параметры автоколебаний

Рис. 5.4. Частотная (а) и амплитудная (б) характеристики УПТ

ав­тогенератора: амплитуду, ча­стоту или фазу (усилители с управляемыми генераторами УПТ-УГ). Иногда УПТ-УГ называют автогенератор­ными усилителями.В них используют обычные схемы усилителей переменного тока, в том числе и с непосредственными связями, основные схемные особенности каса­ются лишь выполнения цепей преобразования сигнала.

В связи с отсутствием реактивных элементов в цепях межкаскадной связи (связь только гальваническая) при по­строении УПТ с непосредственными связями приходится ре­шать вопросы согласования напряжений на различных участках схемы и уменьшения изменений сигнала на выходе усилителя при неизменном сигнале на входе. Изменения напряжения на выходе УПТ при нулевом входном сигнале называют дрей­фом нуля. Его значение обычно приводят к входу, для чего изменение выходного напряжения усилителя делят на его коэффициент усиления. Дрейф нуля показывает, на какую величину надо увеличить или уменьшить напряжение на входе усилителя для того, чтобы изменение выходного напряжения было равно его самопроизвольному изменению. Так как дрейф нуля может быть вызван как временными, так и температур­ными изменениями параметров отдельных компонентов, раз­личают временной и температурный дрейфы. Их оценивают соответственно в мкВ/ч или мкВ/°С, причем временной дрейф измеряют при неизменной температуре окружающей среды. В УПТ дрейф нуля находится в диапазоне от единиц мкВ/ч и даже сотен мВ/ч.

В настоящее время в качестве УПТ с непосредственными связями в основном используют интегральные операционные усилители. По конструктивному выполнению они являются законченными высокостабильными широкополосными высоко­качественными УПТ, имеющими высокий коэффициент усиле­ния, дифференциальный вход и несимметричный выход.

Успехи интегральной технологии позволили выполнять ОУ с заданными техническими параметрами в одном корпусе. Это дает возможность рассматривать его как самостоятельный компонент с определенными параметрами.

Условные обозначения ОУ приведены на рис. 5.5, а, б. По­казанный усилитель имеет один выходной вывод (показывается справа) и два входных (изображаются с левой стороны). Знак Δ или > характеризует усиление. Вход, напряжение на котором сдвинуто по фазе на 180° относительно выходного напряжения, называется инвертирующим и обозначается

Рис. 5.5. Условное обозначение ОУ:

а — без дополнительного поля, б- с дополнительными полями; NC — выводы балансировки; FC — выводы ча­стотной коррекции; U—выводы напряжения питания; х—вывод ненесущей логической информации; OV— общий информационный вывод;  - корпус

знаком инверсии О, а вход, напряжение на котором со­впадает по фазе с выход­ным напряжением,— неинвертирующим. Второй вывод, общий для обоих входов и выхода, часто не показывается. Это общая информационная шина. Для облегчения понимания назначения вы­водов и повышения информативности допускается введение одного или двух допол­нительных полей с обеих сторон от основного поля, в которых указываются метки, характеризующие функции вывода (рис. 5.5,б).

Характерной особенностью ОУ является то, что входные сигналы подаются относительно одной общей шины, от­носительно которой снимается выходной сигнал. При нулевых входных напряжениях выходной сигнал равен нулю. Благодаря этому свойству источники входного сигнала и нагрузку можно непосредственно подключать к выводам ОУ, не заботясь о разделении переменной и постоянной составляющих и не рискуя изменить статические режимы работы усилительных каскадов.

Общее представление о схемотехнике ОУ дает рис. 5.6, а, на котором приведена упрощенная схема ОУ 140УД7 (не показаны цепи защиты и второстепенные элементы). На входе ОУ установлен каскодный дифференциальный каскад на тран­зисторах VT1— VT7, аналогичный каскаду на рис. 4.36, а. К его высокоомному выходу подключен усилительный каскад на транзисторе VT8, выполненный по схеме с ОЭ. Выходной каскад собран на транзисторах VT10, VT11, имеющих разную электропроводность. Они включены по схеме с ОК. Для увеличения сопротивления нагрузки каскада на транзисторе VT8 в цепь его коллектора включен управляемый источник тока ИТЗ, а выходной каскад подключен через дополнительный эмиттерный повторитель, собранный на транзисторе с высокоомной динамической нагрузкой (ИТЗ). Управляемые источ­ники тока ИТ1, ИТ2, ИТЗ взаимосвязаны, и выходной ток одного является входным током другого. Благодаря этому обеспечивается хорошая временная и температурная стабиль­ность выхода сигнала. ОУ имеет внутреннюю частотную коррекцию, выполненную с помощью конденсатора С_к. Кон­денсатор создает отрицательную обратную связь в каскаде на транзисторе VT8. Так как сопротивление конденсатора уменьшается при увеличении частоты,

Рис. 5.6. Упрощенные принципиальные схемы ОУ 14ОУД7 (а); эквивалентная схема цепи частотной коррекции (б):

1—идеализированный усилитель с коэффициентом усиления К_и

то глубина ОС повыша­ется, а коэффициент усиления уменьшается. Эквивалентная схема этой части усилителя показана на рис. 5.6,6. В ней R_вых — выходное сопротивление дифференциального каскада на транзисторах VT1—VT7, К_и — идеализированный усилитель, имеющий такой же коэффициент усиления, как каскад на транзисторе VT8.

Частотная коррекция необходима для того, чтобы устранить автоколебания, которые могут возникнуть при введении ОС. Внутренней коррекции не всегда бывает достаточно для обеспечения устойчивости. Поэтому иногда ее дополняют внешними цепями коррекции. Подключая к выводу 8 допол­нительный навесной конденсатор С_к1 можно изменить частот­ную коррекцию и АЧХ усилителя и устранить автоколебания. Причем если С_к1 соединен с общей шиной, то уменьшается частота, с которой начинается снижение коэффициента усиле­ния. Если конденсатор включить между выводами 2, 8 (С_к2 на рис. 5.6,а), то появится положительная ОС, которая уменьшит глубину отрицательной ОС, осуществляемой через конденсатор С_к. Соответственно увеличится скорость нараста­ния выходного напряжения и повысится частота, на которой начинается снижение К_и усилителя.

Для введения цепей коррекции требуются принципиальная схема усилителя и четкое представление о том, как коррек­тирующие цепи меняют АЧХ и ФЧХ усилителя, причем для обеспечения устойчивости применяются корректирующие цепи интегрирующего (цепи с конденсатором С_к, С_к1) и дифферен­цирующего типов (цепь с конденсатором С_к2). При равенстве постоянных времени этих цепей частотная коррекция у ОУ отсутствует.

У усилителя предусмотрена возможность проведения балан­сировки дифференциального каскада. Для этого для эмиттеров транзисторов VT5, VT6 сделаны выводы 2, 5. К ним подключа­ется регулировочный резистор R1, подвижный вывод которого соединен с минусовой шиной источника питания. Перемеще­нием подвижной части достигается небольшое изменение токов покоя плеч дифференциального каскада. В результате меняется выходное напряжение. При определенном положении движка можно получить U_вых, равное нулю (относительно общей шины, являющейся нулевой точкой двух одинаковых источников питания с напряжениями +Е₁ и — E₁). Внешняя балансировка снижает требования к технологии изготовления ОУ и улучшает характеристики устройств, к которым эти ОУ применены, но при этом увеличивается количество навесных компонентов.

Рис. 5.7. Упрощенная принципиальная схема ОУ 1407УД2

Вариант построения ОУ показан также на рис. 5.7. Он содержит два последовательно включенных дифференциальных каскада на транзисторах VT1— VT4, каскад на транзисторе VT5 и выходной эмиттерный повторитель (усилитель мощ­ности) на транзисторах VT6, VT8. Для транзистора VT8 каскад на транзисторе VT5 представляет собой эмиттерный повторитель. Соответственно напряжение U_вых на выходе эмиттерного повторителя VT8 повторяет потенциал коллектора VT4. Так как в цепь эмиттера транзистора VT5 включен генератор тока ИТ5, то ток транзистора не зависит от входного напряжения базы. Соответственно ток транзистора VT6, определяемый источником тока ИТ6, остается неизмен­ным. При нулевом входном сигнале токи транзисторов VT6 и VT8 равны и U_вых = 0. При появлении сигнала потенциал эмиттера транзистора VT8 меняется в соответствии с ним, а ток транзистора VT6 остается неизменным. Транзистор VT9 выполняет функции защиты.

Характерной особенностью данного ОУ является то, что токи покоя всех каскадов определяются током дополнительного управляющего вывода 1. От значения /_упр зависит ток источника тока ИТ1, а соответственно токи источников ИТ2—ИТ5. Задав большое значение /_упр, получим усилитель, в котором усилительные каскады работают при больших статических токах. При этом обеспечивается большая скорость нарастания выходного напряжения, получается лучшая частотная харак­теристика, но увеличиваются временной и температурный дрейфы нуля. Для УПТ желательно иметь малые токи у активных компонентов, так как при этом меньше разогрев компонентов и невелико влияние разброса их параметров. Поэтому при создании УПТ /_упр следует брать низким. Таким образом, характеристики усилителя можно перестраивать из­менением управляющего тока /_упр. Один и тот же ОУ может работать как при малой потребляемой мощности с хорошей характеристикой по постоянному току, так и при большой потребляемой мощности с широкой полосой пропускания и высокой скоростью нарастания выходного сигнала.

ОУ, имеющие дополнительный управляющий вход, сигнал на котором определяет важнейшие параметры усилителя, получили название программируемых.

Ток управляющего входа может задаваться или с помощью резистора (R1 на рис. 5.7), или с помощью дополнительного внешнего источника тока, причем изменение /_упр, а также входного сопротивления, потребляемой мощности, быстродей­ствия ОУ практически не отражается на значении его коэф­фициента усиления по напряжению. Значения /_упр обычно берут в пределах единиц—сотен мкА. Данный усилитель также имеет внутреннюю коррекцию, выполненную с помощью конденсатора С_к, и имеет выводы 2, 6 для введения внешней коррекции.

Промышленностью выпускаются программируемые ОУ ти­па 140УД12, 1407УД1 —1407УД4.

Из приведенных схем видно, как используются рассмот­ренные в гл. 4 усилительные каскады для построения сложных многокаскадных устройств, причем характерной особенностью большинства типов ОУ является то, что на их выходе установлен усилитель мощности, выполненный на эмиттерных повторителях. Это обеспечивает получение низкого выходного сопротивления, которое у маломощных ОУ оценивается в 100— 500 Ом. Применение транзисторов с разной электропровод­ностью позволило обеспечить нормальную работу различных типов ОУ при изменении напряжений питания от 3(1, 2) до 15 В, например ОУ 1407УД1 — 1407УДЗ. У отдельных ОУ в состав схемы введены компоненты, обеспечивающие защиту от короткого замыкания на выходе.

В зависимости от целевого назначения ОУ подразделяют на: ОУ общего применения, предназначенные для использования в аппаратуре, где к параметрам усилителей не предъявляют жестких требований и допустимы погрешности в доли процента; б) прецизионные, имеющие малые дрейфы и шумы, а также высокий коэффициент усиления; в) быстродействующие, кото­рые имеют большую скорость изменения выходного напряже­ния до 200—500 В/мкс и используются для построения им­пульсных и широкополосных устройств. Иногда в отдельную группу выделяют микромощные ОУ, потребляющие от источ­ника питания малые токи (менее 1 мА), которые удобно использовать в батарейной аппаратуре.

ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Параметры и характеристики ОУ можно условно подраз­делить на входные, выходные и характеристики передачи.

К входным параметрам относят: напряжение смещения нуля; входные токи; разность входных токов; входные со­противления; коэффициент ослабления синфазных входных напряжений; диапазон синфазных входных напряжений; тем­пературный дрейф напряжения смещения нуля; температурные дрейфы входных токов и их разности; напряжение (ток) шумов, приведенное к входу; коэффициент влияния нестабиль­ности источника питания на напряжение смещения.

Напряжение смещения нуля U_CM — это потенциал на выходе усилителя при нулевом входном сигнале, который поделен на коэффициент усиления усилителя. Данный параметр по­казывает, какой источник напряжения необходимо подключить к входу ОУ для того, чтобы на выходе получить U_вых = 0. Если ОУ включить со 100%-ной обратной связью у=1, а выход и инверсный вход соединить накоротко, то коэффициент усиления его будет равен единице, а выходное напряжение равно U_см (рис. 5.8,а). Значение U_CM – 1 мВ – десятки мВ. Зная U_см, легко определить постоянное напряжение на выходе ОУ, имеющего при

Рис. 5.8. Схемы для определения параметров ОУ:

а– напряжения смещения нуля, б– входных токов, в – дифференциального входного сопротивления, г — синфазного входного сопротивления.

выбранной схеме включения коэффициент усиления К_и. На­пряжение U_вых=K_иU_см.

Входные токи обусловлены необходимостью обеспечить нормальный режим работы входного дифференциального ка­скада на биполярных транзисторах. В случае использования полевых транзисторов это токи всевозможных утечек. Если к обоим входам ОУ подключены источники сигналов с разными внутренними сопротивлениями, то токи смещения даже в иде­альном входном каскаде создают разные падения напряжения на этих внутренних сопротивлениях. Между входами ОУ появится дифференциальный сигнал, изменяющий выходное напряжение. С целью его уменьшения сопротивления, под­ключаемые к обоим входам, следует брать по возможности одинаковыми.

Измерение входных токов осуществляется по схеме, показан­ной на рис. 5.8,6. Идея, положенная в основу схемы измерения, сводится к тому, что при постоянном входном токе /_вх1 или /_вх2 изменение сопротивления, подключенного к соответст­вующему входу, приводит к изменению и входного напряжения U_Вых, которое можно измерить и по его значению рассчитать входной ток. При замкнутых ключах S1 и S2 выходное напряжение равно напряжению смещения нуля U_CM, а коэф­фициент усиления по напряжению — единице. При размыкании ключа S1 коэффициент усиления по напряжению остается равным единице (сохраняется 100%-ная ОС), а входное на­пряжение U_вх1 за счет падения напряжения на сопротивлении изменится на ΔU_BXl=I_BXlR. Выходное напряжение достигает значения U_вых1. А так как коэффициент усиления по напряже­нию равен единице, то справедливо равенство

Отсюда ток первого входа определится из выражения

Входной ток второго входа определяют аналогично при разомкнутом S2 и замкнутом S1:

Разность входных токов Δ/_вx = /_BXl-/_Bx2 = (U_выхl – U_вых2)/R может иметь любой знак.

Входные сопротивления в зависимости от характера подава­емого сигнала подразделяют на дифференциальное (для диф­ференциального сигнала) и синфазное (сопротивление общего вида).

Входное сопротивление для дифференциального сигнала – это полное входное сопротивление со стороны любого входа, в то время как другой вход соединен с общим выводом. Значения его лежат в интервале нескольких десятков кОм — сотен МОм.

Входное сопротивление для синфазного сигнала характеризу­ет изменения среднего входного тока при приложении к входам синфазного напряжения. Оно на несколько порядков выше сопротивления для дифференциального сигнала.

Схема для измерения дифференциального входного со­противления показана на рис. 5.8, г. Сопротивление резистора R₂ берется небольшим (порядка нескольких десятков—сотен Ом), так чтобы выполнялись неравенства R₂<<R_BX; R₂<<R₁; R₂<<R₃. Малое значение сопротивления R₂ позволяет считать точку а заземленной по переменному току. В то же время наличие этого сопротивления обеспечивает подачу на неинвертирующий вход постоянного напряжения от делителя напряже­ния на сопротивлении R₄, которое компенсирует напряжение смещения нуля. Это особенно необходимо для высокочувст­вительных ОУ, в которых напряжение смещения нуля, усилива­ясь в К_и раз, может вывести каскады ОУ на нелинейный участок характеристики. Поэтому перед началом измерений при E_вх = 0 с помощью резистора R₄ необходимо выставить нулевое выходное напряжение. При подаче входного напряже­ния и замкнутых ключах SI, S2 на выходе ОУ появится напряжение

После размыкания ключей SI, S2 последовательно с входным сопротивлением для дифференциального сигнала оказывается включенным сопротивление 2R₁, что вызовет изменение входного и выходного напряжений:

Тогда

Выходное напряжение Е_вх при данной схеме измерений берется низкочастотным порядка нескольких — десятков Гц.

Входное сопротивление для синфазного сигнала может быть определено с помощью схемы, приведенной на рис. 5.8, в. В ней обеспечивается единичный коэффициент усиления и син­фазное напряжение на обоих входах.

При замкнутом ключе S1 выходное напряжение

После размыкания ключа S1 входное и выходное напряже­ния усилителя уменьшаются:

Получим входное сопротивление для синфазного сигнала

Следует обратить внимание на сильное уменьшение R_вхсф при увеличении частоты входного сигнала.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала определяется как отношение напряжения синфазного сигнала, поданного на оба входа, к дифференциальному входному напряжению, которое обеспечивает на выходе тот же сигнал, что и в случае синфазного напряжения:

Напряжение на выходе ОУ, появляющееся при одновременной подаче дифференциального и синфазного входных сигналов, равно

Диапазон синфазных входных напряжений характеризует зо­ну, в пределах которой возможны изменения синфазного входного напряжения без

Рис. 5.9. Генераторы напряжения и шумов во входной цепи ОУ

нарушения работоспособности ОУ.

Температурные дрейфы на­пряжения смещения и входных токов характеризуют измене­ния соответствующих параметров с температурой и обычно оцениваются в мкВ/град и нА/град. Эти параметры важны для прецизионных устройств, так как их в отличие от U_CM и /_вх, эффективно скомпенсировать сложно.

Температурные дрейфы являются основной причиной появ­ления температурных погрешностей устройств с ОУ.

Напряжение шумов, приведенное ко входу,— это дейст­вующее значение напряжения на выходе усилителя при нулевом входном сигнале и нулевом сопротивлении источника сигнала, подключенного ко входу, деленное на коэффициент усиления ОУ К_и. Обычно задается спектральная плотность напряжения шумов, которая оценивается как корень квадратный из квадрата приведенного напряжения шумов, деленного на полосу частот Δf, в которой выполнено измерение этого напряжения.

Таким образом оцениваются шумы, имеющиеся в полосе частот 1 Гц. Размерность их нВ/Гц^½. При работе ОУ с источником сигнала, внутреннее сопротивление которого R_r отлично от нуля, приходится также вводить приведенный ток шума ОУ i_ш и его спектральную плотность. Этот параметр отражает тот факт, что результирующее приведенное напряже­ние шумов оказывается больше, чем сумма напряжений шумов ОУ при R_r = 0 и шумов резистора R_r. Для учета этого входную цепь ОУ представляют в виде, показанном на рис. 5.9, а спектральную плотность результирующего приведен­ного напряжения шумов оценивают с помощью уравнения

где U_ш — приведенное напряжение шумов при R_r = 0; 4KTR_r – спектральная плотность теплового шума резистора.

В технических условиях иногда задают коэффициент шума (дБ)

определяемый как выраженное в децибелах отношение при­веденной к входу мощности шума усилителя, работающего от источника с внутренним сопротивлением R_r, к мощности шума активного сопротивления R_r.

Коэффициент влияния нестабильности источника питания на напряжение смещения характеризует приведенные ко входу

Рис. 5.10. Схемы для определения выходных параметров ОУ:

а – выходного сопротивления, б — коэффициента усиления

изменения выходного напряжения ОУ ΔU_CM при колебаниях напряжения источника питания ΔU_ПИТ (мкВ/В):

К группе выходных параметров относятся выходное со­противление, напряжение и ток выхода.

Определить выходное сопротивление достаточно сложно из-за его изменения в зависимости от сдвига нулевого уровня выходного напряжения. Для измерения R_выx можно использо­вать схему рис. 5.10, а, но при этом необходимо, чтобы коэффициент усиления всего усилителя при разомкнутой об­ратной связи был известен. Сопротивления резисторов R₁ и R₂ выбирают одинаковыми, причем их значения должны быть большими (порядка 1 МОм). Выходное напряжение при разомкнутом ключе

где U_вых1 — выходное напряжение при разомкнутом ключе S; R_{вых ос}– выходное сопротивление ОУ, охваченное ОС.

Отсюда, учитывая, что 1_н = U_вых2/К_н, имеем

Из теории обратной связи известно, что выходное со­противление усилителя, не охваченного обратной связью, связано с выходным сопротивлением усилителя с параллельной ОС по напряжению соотношением

.

Так как сопротивления R_t и R₂ равны между собой, а коэффициент обратной связи у равен 1/2, то выходное сопротивление ОУ

Максимальные выходные напряжение и ток указываются в ТУ на изготовление ОУ.

К группе характеристик передачи можно отнести коэф­фициент усиления по напряжению, частоту единичного усиле­ния, скорость нарастания выходного напряжения, время уста­новления выходного напряжения, время восстановления, ам­плитудно-частотную характеристику.

Коэффициент усиления по напряжению ОУ может быть определен экспериментальным путем, когда на вход ОУ, не охваченного цепью ОС, подается известное напряжение и опре­деляется выходное напряжение. Однако при этом возникают существенные трудности, связанные с определением малых входных напряжений. Кроме того, в высокочувствительных ОУ с высоким коэффициентом усиления напряжение смещения нуля, которое может быть представлено генератором напряже­ния U_CM, включенным на входе ОУ, усиливаясь в К_и раз, может вызвать насыщение выходного каскада ОУ и он станет неработоспособным. Поэтому высокочувствительные ОУ нельзя применять без цепей ОС.

Коэффициент усиления ОУ К_уи обычно определяют кос­венным путем с помощью схемы рис. 5.10,б. В ней входное дифференциальное напряжение ОУ равно падению напряжения на резисторе R₃:

где U_а—напряжение в точке а.

Так как сопротивления резисторов R₁, соединяющих ис­точник сигнала и выход усилителя, равны между собой, то коэффициент передачи ОУ с такой обратной связью равен единице, а выходное напряжение U_выx равно Е_вх. Следовательно, коэффициент усиления ОУ

Частота единичного усиления — это частота f₁, на которой модуль коэффициента усиления ОУ равен единице (0 дБ). Иногда оговаривают граничную частоту ОУ, при которой сохраняется гарантированная амплитуда выходного напряже­ния. Это связано с тем, что усилитель, имеющий полосу пропускания, например, 0,5 МГц и выходное напряжение 10 В, обеспечивает получение этой амплитуды до частоты 10 кГц.

Скорость нарастания выходного напряжения—это макси­мальная скорость изменения выходного сигнала при мак­симальном значении его амплитуды. При измерении скорости нарастания ОУ включается в схему (рис. 5.11, а), обеспечива­ющую единичное усиление, и на его вход подается напряжение

Рис. 5.11. Схема для определения скорости нарастания V_uвых (а) и определение ее по результатам измерений (б); схема для определения времени восстановления (в)

прямоугольной формы, амплитуда которого такова, что выход­ной каскад попадает в область насыщения по обеим полярностям (рис. 5.11, б).

Скорость нарастания V_uвых определяется как тангенс угла наклона участка, заключенного между минимальным и максимальным значениями выходного сигнала, и имеет размер­ность В/мкс. Этот параметр важен для широкополосных и импульсных устройств, так как он ограничивает скорость нарастания выходного сигнала и минимальную длительность его фронтов.

Время установления выходного напряжения /_уст — это время, за которое практически заканчивается переходный процесс. Оно обычно измеряется при максимальных значениях выход­ного напряжения и нагрузки и оценивается как промежуток времени Δt, прошедший с момента первого достижения уровня 0,1 до момента первого достижения уровня 0,9 установившегося значения выходного сигнала при подаче на вход импульса напряжения прямоугольной формы.

Под временем восстановления /_вос понимают время, необ­ходимое для возвращения усилителя из состояния насыщения по выходу в линейный режим. При измерении обычно используют схему, показанную на рис. 5.11, в. Уровень входного сигнала выбирают в два раза выше, чем необходимо для насыщения выходного каскада (100% перегрузки). Процесс измерения сводится к определению времени, прошедшего с момента снятия входного напряжения до момента, начиная с которого напряжение на выходе ОУ не будет превышать уровня 0,1 установившегося значения.

Амплитудно-частотная характеристика обычно приводится в виде графика, построенного в логарифмическом масштабе (рис. 5.12, а, б). Причем у ОУ с внутренней коррекцией ЛАЧХ за частотой среза можно аппроксимировать прямой, имеющей наклон 20 дБ/дек, как, например, в случае, показанном на рис. 5.12, а. У ОУ без внутренней коррекции или с небольшой емкостью корректирующего конденсатора ЛАЧХ аппроксимируется двумя асимптотами, имеющими наклоны 20 и 40 дБ/дек

Рис 5.12 Амплитудно-частотные характеристики ОУ:

а - 140УД7, б –1407УД2, упрощенная эквивалентная схема ОУ: в—для синфазного и дифференциального сигналов; г – для дифференциального сигнала переменного тока

и пересекающимися в точках сопряжения f_cр1 и f_cр2 (рис. 5.12, б), или тремя асимптотами, имеющими наклон 20, 40 и 60 дБ/дек.

При расчете устройств с ОУ удобно пользоваться их эквивалентными схемами, в которых ОУ представляют в виде идеального усилителя с коэффициентом усиления К_уи с бесконечно высоким входным и нулевым выходным сопротивлениями и с дополнительными внешними цепями и генераторами (рис. 5.12, в). Напряжение смещения нуля характеризуется генерато­ром напряжения U_см, направление включения которого зависит от его полярности. Наличие входных токов отражено генераторами токов /_вх1 и /_{вх 2}, а выходное сопротивление для синфазного сигнала–сопротивлениями 2R_{вх сф}, включенными параллельно им. Входное сопротивление для дифференциального сигнала показано в виде сопротивления R_BX, включенного между входами идеализированного ОУ. Наличие выходного сопротивления отражено сопротивлением R_вых, включенным последовательно с выходом ОУ. Для рассмотрения ОУ на переменном токе при подаче на вход дифференциального напряжения можно использо­вать упрощенную эквивалентную схему (рис. 5.12, г), в которой для облегчения анализа часто пренебрегают R_BX.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

В настоящее время ОУ находят широкое применение при раз­работке различных аналоговых и импульсных электронных устройств. Объясняется это тем, что, введя в цепи прямой и обратной передачи его сигналов различные линейные и нелинейные цепи, можно направленно синтезировать узлы с требуемым алгоритмом преобразования входного сигнала.

Рассмотрим типовые устройства, которые могут быть построены с использованием ОУ. При этом будем полагать, что основные требования к электрическим параметрам ОУвыполняются, и мы имеем дело с идеальным ОУ.

При необходимости влияние реальных параметров на свойства разрабатываемых на основе ОУ устройств будут специально рассмотрены.

Далее будем пользоваться следующими обозначениями:

U_{вх н} — входное напряжение на неинвертирующем входе ОУ,

U_{вх и} — входное напряжение на инвертирующем входе ОУ;

U_вык — выходное напряжение ОУ;

К_U0 — коэффициент усиления ОУ на постоянном токе.