Лекция 3 характеристики реального оу

Идеальный ОУ

• Rd = ∞, I1 = 0, I2 = 0

• R0 = 0 (разомкнутая ОС)

• Ku = ∞

• Kсинф = 0

• U0 = 0 при U1=U2

• U0 изменяется мгновенно (бесконечная скорость нарастания)

РЕАЛЬНЫЙ ОУ

• Имеет входные токи покоя Iвх+, Iвх-в режиме покоя

• Обладает Ксинф

• ИмеетRвх д, Rвх с и Rвх ≠0

• Существуют температурные, временные и режимные изменения выходного напряжения (дрейф нуля)

• Частотные свойства определяются:

- граничной частотой fв гр (по спаду усиления на 3 дБ)

- частотой единичного усиления f1 (лежит в пределах от 1 до 10 мГц;

Ku (f=f1) = 1)

При проектировании БМУ

необходимо учитывать:

1. Электрические характеристики реальных ОУ (уметь пользоваться справочными данными)

2. Влияние реальных параметров ОУ на свойства и характеристики проектируемой электронной схемы

3. Способы компенсации некоторых нежелательных характеристик реальных ОУ

Справочные данные оу

1. Общее описание ОУ

2. Электрическая принципиальная схема

3. Конфигурация выводов и вид корпуса

4. Абсолютные (максимальные) значения основных параметров ОУ:

• Напряжение питания

• Мощность рассеяния

• Температурный режим

• Входное напряжение

5. Электрические характеристики – могут ограничивать параметры электронных схем на ОУ

6. Типичные характеристики и графики

7. Типовые схемы применения данного ОУ

Электрические характеристики оу

• Статические – характеризуют режим работы схемы в статике (при отсутствии внешних входных сигналов)

• Входные Uсм Iвх Iсм Rвх

• Выходные Rвых I_выхmaxU₊ и U_-

• Динамические – характеризуют режим работы схемы в динамике (при наличии внешних входных сигналов)

• К0, v, fгр, Косс, tн, канальное разделение

ВХОДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ СМЕЩЕНИЯ

Uсм – постоянное напряжение, которое должно быть приложено к одному из входов ОУ (другой вход на корпусе), чтобы Uвых = 0

Идеальный ОУ: Uсм = 0

Реальный ОУ: Uсм = +- 1…10мВ

Метод измерения Uсм на основе инвертирующего усилителя с Кu = 10:

- оба входа ОУ соединяются с корпусом

- на выходе включается вольтметр постоянного тока

Тогда:

ВХОДНОЙ ТОК

Iвх – среднее значение двух постоянных токов, которые текут в инвертирующий и неинвертирующий входы

Идеальный ОУ: I_вх1=0 и I_вх2=0 (Rвх = ∞)

Реальный ОУ:Iвх = 1…100нА

На схеме инвертирующего усилителя для определения I_вх необходимо измерить U_R2 и U_R1. Тогда:

ВХОДНОЙ ТОК СМЕЩЕНИЯ

I_см – разница между входными токами, т.е.

(может быть со знаком + или - )

Реальный ОУ:Iсм – 1…100нА

ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

R_вх – сопротивление между инвертирующим (или неинвертирующим) входом и корпусом (другой вход заземлен)

Идеальный ОУ:Rвх = ∞

Реальный ОУ: Rвх = 1…100Мом

ВЫХОДНЫЕ СТАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

1. Выходное сопротивлениеR_вых – сопротивление между выходным выводом и корпусом

Идеальный ОУ:Rвых = 0

Реальный ОУ: Rвых = 1…100 Ом

2. Выходной ток короткого замыкания (максимальный постоянный то нагрузки)

3. Размах выходного напряжения (напряжение насыщения) – максимальная амплитуда выходного напряжения, при которой ОУ не входит в состояние насыщения или осечки (U₊, U_-)

ДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ОУ

1. Коэффициент усиления К₀– коэффициент усиления ОУ без ООС

Реальный ОУ:

2. Скорость нарастания – время, в течение которого изменяется выходное напряжение электронной схемы на базе ОУ с ООС и К₀ = 1

Идеальный ОУ:

Реальный ОУ:

• Медленные ОУ – v~0.5 В/мкс

• Быстродействующие ОУ – v~70 В/мкс

3. Частота единичного усиленияfпр – это частота, на которой К₀ уменьшается до 1 (0дБ), связано с поведением АЧХ ОУ

4. Коэффициент ослабления синфазного сигнала Косс – мера способности ОУ подавлять синфазные сигналы, воздействующие на оба входа ОУ одновременно в фазе:

Реальный ОУ: - 99…100 дБ (чем больше – тем лучше)

5. Канальное разделение – мера качества ИМС, имеющей внутри более чем один ОУ (сигнал, приложенный к входам одного ОУ, будет вызывать небольшое выходное напряжение на выходе другого ОУ)

Реальный ОУ: 100…120 дБ

Т.е. если на входе одного ОУ , то на выходе другого ОУ – (для ИМС с канальным разделением 120дБ)

6. Время нарастанияtн – время, в течение которого выходное напряжение изменяется по уровню от 0,1 до 0,9 своего установившегося значения

Реальный ОУ:tн = 0,3 мкс

ВХОДНОЕ И ВЫХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ОУ

• Требуется высокое Rвх – чтобы не нагружать выход источника сигнала

• Требуется низкое Rвых – чтобы можно было подсоединить любую нагрузку

Идеальный ОУ:

В схемах повторителя напряжения инвертирующего, неинвертирующего и дифференциального усилителей ООС снижаетRвых схемы.

Так как , (глубина ООС), – коэффициент передачи цепи ООС, причем , то - выходное сопротивление собственно ОУ

Для повторителя напряжения:(ПН) К=1, поэтому:

Выходное сопротивление схемы на ОУ с ООС может быть достаточно малым (<1 Ом)

ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ДЛЯ ИНВЕРТИРУЮЩЕГО ОУ

Инвертирующий вход = виртуальная «земля»

• R1 закорочен на землю

• Для всех практических применений Rвх = R1

ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ДЛЯ ИНВЕРТИРУЮЩЕГО ОУ (СЛЕДСТВИЕ)

Rвх инвертирующего ОУ определяется R1,

R2 в цепи ООС – единственный, с помощью которого можно изменять К

На схеме R2 = R’2 +R’’2, где R’2 – переменный R, с помощью которого изменяется К

При этом Rвх ≈ R1 = const

ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ДЛЯ НЕИНВЕРТИРУЮЩЕГО ОУ

Для неинвертирующего усилителя (НУ):

Т.е. Rвх существенно увеличивается за счет ООС, или в глубину ООСF раз, т.е. , где F – глубина ООС

ВЛИЯНИЕ СМЕЩЕНИЯ НА ВЫХОДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ

Идеальный ОУ:если Uвх =0 , то Uвых = 0 (оба входа заземлены или соединены с одним источником напряжения)

Реальный ОУ:Uвых ≠0 по причине выходного напряжения смещения Uсм вых («дрейф нуля»)

Причины наличия Uсм вых:

• Входное напряжение смещения Uсм

• Входной ток Iвх

• Входной ток смещения Iсм

• Нестабильность источника питания

ВЛИЯНИЕ ВХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ СМЕЩЕНИЯ

U_{вх см}имеет прямую полярность

Uсм – результат асимметрии входов, может иметь разную полярность

Входные зажимы заземлены, входной сигнал = Uвх см

Повторитель напряжения: Uвх см = Uвых см

Uвх см можно уменьшить при использовании:

• минимального возможного К с учетом больших требований

• ОУ с низким уровнем U вх см

ВЛИЯНИЕ ВХОДНОГО ТОКА

Идеальный ОУ:Iвх = 0, т.к. Rвх = ∞

Реальный ОУ: , а в следствие асимметрии входов Iвх1 ≠ Iвх2

Uвх см можно минимизировать путем:

- выбора R2 (с учетом требуемого К) как можно меньше

- использования ОУ с минимальным входным током (ОУ с входным каскадом на полевых транзисторах)

МИНИМИЗАЦИЯ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ СМЕЩЕНИЯ

ВЛИЯНИЕ ВХОДНОГО ТОКА СМЕЩЕНИЯ

Использование внешнего R3 снижает Uвых см, обусловленное наличием Iвх

При этом полагается, что Iвх1 = Iвх2

В этом случае: Iвх см = 0

Реальный ОУ: в результате на выходе появляется

Однако, так как:

Поэтому введение R3 позволяет снизить (тут опечатка, скорее всего, должно быть: позволяет снизить )

УСТАНОВКА НУЛЯ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ СМЕЩЕНИЯ

Для уменьшения U_{вых см}можно использовать:

1. Выбор ОУ с minIвх см и Uвх см

2. Меньшую величину сопротивления R2 (если такое возможно)

3. Уменьшение К до минимальной возможной величины

4. Включение дополнительного резистора R2 последовательно с неинвертирующим входом

Внешние регулировки: при Uвх = 0, Uвых = 0

ВНЕШНЯЯ РЕГУЛИРОВКА ПОТЕНЦИОМЕТРОМ

Для установки нуля напряжения с помощью потенциометра на выходе подключается цифровой вольтметр (с высокой точностью, +- 1мВ), выход должны быть на корпусе

ДЛЯ ОУ, НЕ ИМЕЮЩИХ ВЫВОДОВ ДЛЯ ПОДКЛЮЧНИЯ ПОТЕНЦИОМЕТРА

КОЭФФИЦИЕНТ ОСЛАБЛЕНИЯ СИНФАЗНОГО СИГНАЛА

Входные сигналы U1 и U2 (#шум с частотой 60Гц) – синфазные

ДУ:

• Uд = (U1 – U2), U0 = 0

• (U1 = U2)

Реальные ОУ:

• U0 ≠ 0,

• U0 = Kc*Uсинф

• (Кс – коэффициент усиления синфазного сигнала)

Коэффициент ослабления синфазного сигнала: Косс = Кд/Кс

Идеальный ОУ:Косс = ∞

Чем больше Косс, тем меньше помеха.

Качественный ОУ – Косс как можно больше.

СПОСОБЫ УВЕЛИЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ОСЛАБЛЕНИЯ СИНФАЗНОГО СИГНАЛА

НЕСТАБИЛЬНОСТЬ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

Параметр чувствительности к источнику питания – отношение изменения входного напряжения смещения к соответствующему изменению напряжения питания

Так как , то выходное постоянное напряжение смещения неидеального неинвертирующего усилителя равно:

ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА ОУ

Идеальный ОУ:бесконечная ПП

Реальный ОУ:ограниченная ПП

0…10 ГЦ:

>10 Гц: линейно падает под углом -20 дБ/дек (\6 дБ/окт) до

Частота единичного усиление f1 –частота, на которой

ПЛОЩАДЬ УСИЛЕНИЯ

– полоса пропускания усилителя.

Отсюда можно определить для данной полосы пропускания

По ПУ определяют максимум К

ВЛЯНИЕ СКОРОСТИ СПАДА АЧХ

КОРРЕКЦИЯ ЧАСТОТЫ

При работе с сигналами НЧ (<20 кГц) достаточно выбрать ОУ с f1≥1МГц (влиянием реальных параметров ОУ можно принебречь)

В общем случае АЧХ ОУ может быть скорректирована цепями коррекции:

А) Внутренними ( в схеме ОУ включены корректирующие элементы, чаще емкости)

Б) Внешними элементами

Это необходимо при высоком коэффициенте усиления на высокой частоте

ВЫВОДЫ

1. Представление ОУ как идеального облегчает процесс проектирования схем.

2. Рассмотрено содержание справочных данныхна ОУ.

3. Выходное напряжение смещения (дрейф) – результат влияния U см вх, Iвх, Iвх,

4. Приведены методы снижения дрейфадля схем повторителя напряжения, суммирующего и дифференциального усилителей

5. Указаны меры подавления синфазной помехив ДУ

6. Рассмотрено влияние АЧХ ОУ, времени нарастания, максимальной скорости нарастания выходного напряжения на передачу сигнала через ОУ

7. Приведены методы коррекции АЧХОУ