18.3.2. Усилительные параметры и характеристики

Собственный коэффициент усиления по напряжению разомкнутого ОУ К' определяется отношением приращения выходного напряжения к вызвавшему это приращение значению входного напряжения

(18.5.)

У реальных ОУ собственный коэффициент усиления К^’ =10⁴ -10⁶.

Рассмотрим амплитудную характеристику ОУ, рис.18.3.

Рис. 18.3. Амплитудная характеристика операционного усилителя

В рабочем диапазоне амплитудная характеристика линейна и определяет область усиления. Наклон характеристики в этой области определяется собственным коэффициентом усиления К'= U_вых /U_вx.

В области насыщения с увеличением U_вх соответствующего увеличения выходного напряжения не происходит. U_{вых.макс} близко к источнику питания. Разность параметров Е-U_{вых.макс} зависит от R_н и составляет доли вольта. Однако в области ограничения нелинейность характеристики становится значительной. Поэтому обычно задают U_{вых.доп} при допустимом коэффициенте нелинейных искажений Кr.

Передаточная характеристика идеального ОУ должна проходить через нулевую точку (сплошная линия рис.18.3). Реальная амплитудная характеристика сдвинута, т. е. при U_вx=0 и U_вых0 условия баланса не выполняются. Для балансировки ОУ на вход усилителя необходимо подать некоторое напряжение, которое называется напряжением смещения нуля U_см0. Оно составляет единицы милливольт и зависит от температурного дрейфа, временного дрейфа и дрейфа, обусловленного изменением суммарного напряжения питания.

Если на входы "+" и "-" подать синфазное напряжение, то U_вх=0. Поэтому выходное напряжение тоже должно быть равно нулю. Однако для реальных ОУ это не соответствует действительности, т.е. имеет место некоторая передача синфазного сигнала, которая определяется коэффициентом передачи

К_сф=U_вых/U_вхсф (18.6.)

Передаточная характеристика синфазного сигнала приведена на рис.18.4.

Рис. 18.4. Передаточная характеритика синфазного сигнала

Наклон передаточной характеристики синфазного сигнала определяется К_сф. При некоторых значениях U_вх.с порядка 10 В выходное напряжение резко возрастает. Поэтому обычно задают допустимое синфазное напряжение на входе, которое выбирают:

U_{вх.сф.доп}  E; U_{вх.сф.доп} = Е- 3 В. (18.7)

Важной характеристикой ОУ является коэффициент ослабления синфазного сигнала

К_осл = К^ / К_сф, значение которого равно 10³-10⁵ (60 -100) дБ.

Лекция №19 Амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя. Коррекция оу

19.1. Диаграмма Боде

Напомним, что за счет шунтирующего влияния паразитной емкости собственный коэффициент усиления на верхних частотах уменьшается. Эквивалентная схема одного каскада в области высоких частот (ВЧ) представлена на рис.19.1.

Рис.19.1. Эквивалентная схема на ВЧ.

По этой эквивалентной схеме можно выразить амплитудно-частотную характеристику

(19.1)

где: f_с частота среза (полюс), равная верхней граничной частоте

f_c= 1/2RC (19.2)

Из выражения (19.1) видно, что частотную характеристику такого каскада можно аппроксимировать двумя асимптотами, рис.19.2:

на нижних частотах, при ffc, f/fc  1,

K(f) =K₀;

на высоких частотах, при f  fc, f/fc>>1, K(f)= К₀ fc/f.

Рис. 19.2. Кусочно-линейная аппроксимация АЧХ (Диаграмма Боде)

Аппроксимированная АЧХ называется диаграммой Боде. В области высоких частот, т.е. f/f_c  1, коэффициент усиления обратно пропорционален частоте. При увеличении частоты в 10 раз (декада) он уменьшается в 10 раз, т.е. на 20 дБ/дек.

Поскольку ОУ имеют большой собственный коэффициент усиления К^ 10⁵, то частотная характеристика K(f) строится в двойном логарифмическом масштабе. Переход к логарифмической единице при рассмотрении многокаскадных усилителей упрощает построение общей АЧХ, так как общий коэффициент усиления определяется простым сложением коэффициентов усиления отдельных каскадов. При построении фазовой характеристики используется кусочно-линейная или ступенчетая аппроксимация (рис.19.2.).

Операционный усилитель представляет собой многокаскадный усилитель состоящий из различных по структуре каскадов. Поэтому общую эквивалентную схему ОУ можно представить как эквивалентный генератор, нагруженный на несколько RC-цепей, рис.19.3.

Рис. 19.3. Эквивалентная схема операционного усилителя

Обычно число таких цепей соответствует числу каскадов. Частоты срезов (полюса) для данной эквивалентной схемы определяются:

(19.3)

Аппроксимированная АЧХ ОУ строится сложением коэффициентов усиления отдельных каскадов, рис.19.4.

Пусть f_c1 =10⁴ Гц, f_c2=10⁵ Гц, f_c3=10⁶ Гц

При частотах f<fc, K'_0дб =К_01дб +К_02дб +К_03дб.

При f_с1<f <f_c2 К(f) определяется R1C1 и имеет спад - 20 дБ/дек;

при f_с2<f <f_c3 суммируется влияние R1C1 и R2C2,спад K(f) –40 дБ/дек;

при f > f_с3 суммируется влияние всех трех звеньев и спад K(f) –60дБ/дек.

Надо отметить, что рабочая область K(f) ОУ простирается до частоты единичного усиления f_Т, на которой K(f)=1(КдБ= 0),

Из фазовой характеристики ОУ (рис.19.4) видно, что на f_c1=45 на f_c2-135°. При f > f_c2, т.e. при f=f_kp, =-180°

Это означает, что на данной частоте ООС превращается в ПОС, что приводит к самовозбуждению усилителя.

Рис. 19.4. Построение АЧХ операционного усилителя