Charakteristika a parametry operačních zesilovačů. Amplitudová a fázově-frekvenční charakteristika operačního zesilovače Amplitudo-frekvenční charakteristika operačního zesilovače

Je třeba poznamenat, že pracovní oblast K(f) operační zesilovač se rozšiřuje na jednotkový zisk frekvence f T, na kterých K(f)=1(K dB = 0),

Z fázové charakteristiky op-amp (obr. 19.4) je vidět, že na f c 1 j= 45° zapnuto f c 2 - 135°. Na f > f c 2, tj. na f=fkp, j=-180°

To znamená, že při dané frekvenci se CNF změní na COS, což vede k samobuzení zesilovače.

Mezi hlavní charakteristiky operačního zesilovače patří: přenos (PH), amplituda-frekvence (AFC), logaritmická amplituda-frekvence (LAFC), fázově-frekvenční (PFC) charakteristiky.

1) Přenosové charakteristiky operačního zesilovače jsou uvedeny na Obr. .

Obr. 6.6, a ukazuje zahrnutí dvouvstupového operačního zesilovače do externího obvodu obsahujícího dva bipolární zdroje energie (obvykle se stejnými hodnotami napětí a
), zátěžový odpor
a vstupní zdroj +–
.

Rýže. . Statická přenosová charakteristika OS.

Výstupní napětí operačního zesilovače se může symetricky měnit v obou polaritách vzhledem k nule (být bipolární), a pokud
, pak a
. Tato podmínka se nazývá podmínka OC rovnováhy. Napětí signálu může být také bipolární. Bereme v úvahu, že operační zesilovač je řízen napětím
pozorované mezi vstupy operačního zesilovače, bez ohledu na zemní bod zdroje signálu. Pokud je invertující vstup operačního zesilovače uzemněn, pak je zesilovač neinvertující, jeho přenosová charakteristika (TR) je znázorněna na obr. 6.6, b (křivka 1). V tomto případě se vstupní a výstupní signály operačního zesilovače mění ve stejné fázi.

Pokud je neinvertující vstup operačního zesilovače uzemněn, pak je spínací obvod invertující (křivka 2 na obr. 6.6) a vstupní a výstupní signály jsou v protifázi.

Stejně jako u nejjednoduššího dálkového ovládání je u skutečného operačního zesilovače pozorována nerovnováha. Na obr. 1c. ukazuje přenosovou charakteristiku (křivka 1) skutečného operačního zesilovače vyváženého aplikací externího předpětí s nulovou úrovní.

Vliv zatěžovacího odporu na amplitudu výstupního signálu je dán výstupním odporem zesilovače a přípustnou úrovní proudu, při které není signál v koncovém stupni omezen. Kromě toho musí být maximální povolená úroveň výstupního proudu bezpečná pro koncový stupeň zesilovače. Na obr. 6.7 je e. jsou uvedeny přenosové charakteristiky operačního zesilovače pro různé zátěžové odpory. Na Obr. je znázorněn ekvivalentní obvod, kde je výstupní impedance
zapojen do série se zátěžovým rezistorem
a výstup generátoru E.D.S.
.

V řadě spínacích obvodů je na vstupech operačního zesilovače EMF v běžném režimu
, což způsobí posun výstupní úrovně
. Chcete-li znovu vyvážit operační zesilovač, musíte mezi vstupy přidat diferenciální signál kompenzace chyby v běžném režimu
. Generátor modulující toto napětí je zařazen do ekvivalentního obvodu v neinvertujícím vstupním obvodu (obr.).

Obr.6.8. Kompenzace nevyváženosti v důsledku společného režimu EMF pomocí generátoru
(A); generování chyb posunu přenosové charakteristiky a offsetu
v důsledku poklesu kladného (b) a záporného (c) napájecího napětí.

2) Amplitudo-frekvenční a fázově-frekvenční charakteristiky.

Analytický výraz pro zesílení operačního zesilovače, rovný poměru výstupního napětí ke vstupnímu napětí, lze zapsat jako

Kde
- zisk OS bez OS pro oblast střední frekvence; je rohová nebo mezní frekvence, při které se zisk sníží o -3 dB. V případě, kdy je splněna charakteristika pro nerovnost OS
, frekvence rohu je určena vzorcem
.

V praxi se často nepoužívá komplexní vyjádření zisku, ale jeho modul

.

Protože frekvence f je proměnná hodnota a f c je pevná, je snadné vidět, že s rostoucí frekvencí se zvyšuje jmenovatel výrazu () a napěťové zesílení operačního zesilovače klesá.

Grafická závislost modulu napěťového zesílení operačního zesilovače na frekvenci je frekvenční charakteristika, která je znázorněna na obr. přerušovaná čára 2. Jak je vidět z obrázku, frekvenční odezva je znázorněna na logaritmické stupnici a aproximována úsečkou 1, která se v praxi často používá pro usnadnění analýzy.

Operační zesilovač určený pro univerzální použití musí mít z důvodu stability stejnou frekvenční odezvu jako dolnopropustný filtr prvního řádu (inerciální spoj) a tento požadavek musí být splněn alespoň do frekvence jednotkového zisku. , frekvence, při které je zisk v otevřené smyčce jednotný. V tomto případě se fázový posun výstupního harmonického signálu změní z nuly (protože operační zesilovač je UPT) na
. Na Obr. je uvedena frekvenční odezva a fázová odezva jednostupňového UPT (nejjednodušší operační zesilovač).

Mezní frekvence ( ) je definována jako frekvence, při které se zisk sníží o 3 dB:
.

Frekvenční rozsah 0 nazývaná šířka pásma. Zavedení OOS se rozšiřuje šířku pásma (graf 2 na obr.).

V čem
;
;
, Kde je koeficient přenosu signálu podél zpětnovazebního obvodu.

Při změně frekvence se fáze výstupního napětí posune vzhledem k fázi vstupu o úhel, rovnat se
. Protože výstupní napětí operačního zesilovače je mimo fázi se vstupem, je před úhlem posunu umístěno znaménko mínus:

.

To je vysvětleno následovně. Signál prochází operačním zesilovačem ne okamžitě, ale je po určitou dobu zpožděn v aktivních a pasivních prvcích operačního zesilovače. Se zvyšováním frekvence zesíleného signálu se zvyšuje fázový posun mezi výstupním a vstupním napětím operačního zesilovače.

Grafická závislost fázového posunu mezi výstupním a vstupním napětím operačního zesilovače na frekvencích je fázová odezva, která je znázorněna na Obr. . Z obrázku a výrazu () je vidět, že pro f=f fázový posun mezi výstupním a vstupním napětím operačního zesilovače je -45°. Jak se f blíží jednotkovému zesílení frekvence f, úhlu posunu má sklon k –90°. V nejjednodušším případě lze PFC aproximovat segmentem prama s mírnou odchylkou od skutečné křivky, nepřesahující ±5,7° (±0,1 rad).

Sériový RC obvod má rychlost vypínání -20dB/dec nebo -6dB/okt. Protože každý zesilovací stupeň operačního zesilovače je v nejjednodušším případě reprezentován ekvivalentním obvodem sestávajícím ze sériově zapojeného R a C, pak má také rychlost útlumu frekvenční odezvy -20 dB/dec. To je potvrzeno výrazem (). Například, když se frekvence f desetkrát zvýší ve frekvenčním úseku, kde
, zisk kaskády se desetkrát sníží:

U třístupňového operačního zesilovače se zisk rovná součinu zisků jeho jednotlivých stupňů

Výsledné vyjádření je značně těžkopádné, takže často používají velmi jasný a snadno srozumitelný Bodeův diagram - graf desetinného logaritmu zesílení versus desetinného logaritmu frekvence. To je výhodné, protože hodnoty zesílení stupňů, vyjádřené v decibelech, lze sčítat namísto jejich násobení [viz. vzorec ()]. Frekvenční odezvu operačního zesilovače lze tedy získat vynesením jeho kaskád do stejného grafu frekvenční odezvy a jejich sečtením graficky (obr.).

Při frekvencích nižších než , celková frekvenční charakteristika operačního zesilovače je součtem zisků jednotlivých stupňů (30 dB + 20 dB + 10 dB), ve frekvenčním pásmu
celkový zisk klesne o -20 dB/dec, ve frekvenčním pásmu
klesá o -40 dB/dec a ve frekvenčním pásmu
všechny tři stupně mají rychlost útlumu frekvenční odezvy -20 dB/dec, v důsledku toho je celková rychlost tlumení frekvenční odezvy operačního zesilovače -60 dB/dec. Tento přístup je široce používán při analýze nejen operačních zesilovačů, ale také všech vícestupňových zesilovačů.

V každém stupni operačního zesilovače dochází ke zpoždění signálu, které vede k celkovému zpoždění fáze výstupního signálu vzhledem ke vstupu. Pro třístupňový operační zesilovač

Podle () je maximální možné fázové zpoždění signálu pro dva stupně operačního zesilovače -180 ° a pro tři stupně -270 °. Pro frekvence nižší než je rohová frekvence , zpoždění signálu ve fázi jednoho stupně je menší než –45° au tří stupňů je menší než –135°. Fázový úhel mezi výstupním a vstupním napětím operačního zesilovače závisí na frekvenci nelineárně. To způsobuje určité potíže při konstrukci PFC, a to navzdory skutečnosti, že dva body PFC lze snadno určit (kdy

, na

). V tomto ohledu se PFC operačního zesilovače často aproximuje nikoli asymptotami, jako je frekvenční odezva, ale stupňovitými segmenty, jak je znázorněno přerušovanou čárou 1 na obr. . Pokud při aproximaci frekvenční odezvy operačního zesilovače s lineárními segmenty je největší chyba -3 dB, pak při aproximaci PFC operačního zesilovače s přímými segmenty se rovná -45 °.

Rýže. . Charakteristika operačního zesilovače: a) celkový třístupňový zesilovač; b) fázová frekvence (1 - přibližná; 2 - skutečná)

je funkcí frekvence a s rostoucí frekvencí klesá. Frekvenční a fázové charakteristiky operačního zesilovače jsou tvořeny charakteristikami jednotlivých vnitřních stupňů, z nichž každý má svou časovou konstantu a lze je reprezentovat jako RC řetězec. Celková frekvenční odezva operačního zesilovače je aproximována Bodeho diagramem (obr.). Každá kaskáda zavádí fázový posun o 90°, takže celkový fázový posun závisí na počtu kaskád a má tvar znázorněný na obr. 3a níže. Protože výstup operačního zesilovače již má fázový posun 180 ° vzhledem k invertujícímu vstupu, na který je aplikován OOS, pak při určité frekvenci celkový fázový posun dosáhne 360 ​​°. Pokud při této frekvenci hodnota
, Kde je koeficient OS, pak záporný OS je pozitivní což vede k samobuzení obvodu.

Rýže. . Přibližné logaritmické amplitudově-frekvenční (LAFC) a fázově-frekvenční charakteristiky.

Dynamické vlastnosti operačního zesilovače jsou charakterizovány jednotkovým ziskovým kmitočtem , maximální rychlost přeběhu výstupního napětí
a doba ustálení výstupního napětí
(doba doznívání přechodného procesu). S frekvencí související doba vyřízení
. Čím nižší je frekvence jednotkového zisku, tím je vyšší. Ve stejný čas
závisí nejen na , ale také na tvaru frekvenční charakteristiky. Minimální hodnota
se získá s útlumem frekvenční charakteristiky -20 dB / dek.

Všimněte si, že výše uvedené vztahy platí pouze pro dostatečně malý signál, při kterém rychlost změny výstupního napětí nepřekročí
. Při velkém signálu je operační zesilovač přetížen a
zvyšuje. Aby byla zajištěna malá hodnota
, měla by být dostatečně velká
.

Pokud je dvoustupňový operační zesilovač pokryt negativní zpětnou vazbou, pak při frekvenci jednotkového zisku, kdy je fázový posun rovný –180 °, může nastat pozitivní zpětná vazba, která povede k samobuzení op- amp. U třístupňového operačního zesilovače může dojít k samobuzení při frekvenci nižší, než je frekvence jednotkového zisku, protože omezující fázový posun tohoto operačního zesilovače je –270 °. V tomto ohledu je u třístupňových operačních zesilovačů větší nebezpečí samobuzení než u dvoustupňových a je nutná korekce frekvenční odezvy. Mezi integrovanými operačními zesilovači se proto rozšířily především dvoustupňové. Konečný stupeň operačního zesilovače, který se provádí ve formě push-pull emitorového sledovače a nezesiluje napětí, se nepovažuje za zesilovací stupeň, poskytuje jak konstantní výstupní napětí, tak
zesilovač.

Stejný závěr lze vyvodit přímo z výrazu
. Až do
,
a nezávisí na absolutní hodnotě
.

Pokud je v uvažovaném příkladu obvod OOS nahrazen POS, pak se pásmo zesílených frekvencí zesilovače sníží:

.

V tomto případě lze frekvenční odezvu zesilovače s POS získat posunutím horizontální části původní charakteristiky nahoru o 201g(l–
) db. Nová hodnota horní propusti zesilovače
bude určena průsečíkem nového vodorovného řezu s pokračováním asymptoty se sklonem - 20dB/dec (obr.). Se zavedením POS se tedy šířka pásma zesilovače zúží na (1–
) jednou.

Integrované operační zesilovače bez OS se prakticky nepoužívají. V tomto ohledu je třeba poznamenat, že

A
.

Pak
. Na

.

Rýže. . Vliv zpětné vazby na frekvenci párování operačního zesilovače bez zpětné vazby (1) a se zpětnou vazbou (2).

Porovnáním () s výrazem () je snadné stanovit, že rohová frekvence operačního zesilovače v přítomnosti záporné zpětné vazby se rovná rohové frekvenci operačního zesilovače bez zpětné vazby, vynásobené rozdílem zpětné vazby.

Z frekvenční charakteristiky (obr.) je vidět, že zisk operačního zesilovače bez OS je 70 dB a se záporným OS 20 dB. Pokud byla frekvence rozhraní OS bez OS 20 kHz, pak při působení negativního OS se stala 5,7 MHz. Negativní zpětná vazba omezila zisk operačního zesilovače na 20 dB a značně rozšířila šířku pásma. V případě, že frekvence dosáhne 5,7 MHz, je frekvenční odezva operačního zesilovače bez OS a s OS stejná. Všimněte si, že negativní zpětná vazba nerozšíří frekvenční odezvu operačního zesilovače a frekvenční odezva operačního zesilovače se zvýší snížením zisku.

Zisk podél obrysu OS, jak je vidět na obr. , je rozdíl mezi zisky operačního zesilovače bez zpětné vazby a se zpětnou vazbou, vyjádřený v decibelech. To umožňuje určit ji nebo frekvenci rohu graficky. Pro ilustraci výše uvedeného můžeme napsat rovnost

,

což znamená, že zesílení podél smyčky OS se zvyšuje s poklesem zesílení operačního zesilovače s OS.

V případě, že rychlost poklesu frekvenční odezvy operačního zesilovače je –20 dB/dec, je součin zisku operačního zesilovače a frekvence jednotkového zisku konstantní hodnota (
= konst). To lze získat jak z Bodeho diagramu, tak analyticky:

Mělo by být objasněno, že součin zesílení a frekvence jednotkového zesílení zůstává konstantní a má lineární závislost pouze při rychlosti poklesu frekvenční odezvy –20 dB/dec.

Je třeba poznamenat, že pokud jsou hodnoty blízké, bude celkový sklon LAFR menší než –20 dB/dec. To vytváří určité potíže při použití takového operačního zesilovače. To je vysvětleno skutečností, že při vývoji konkrétních schémat je samotný OS zpravidla pokryt obvodem OOS. Když je sklon LAFC menší než -20 dB/dek, dochází ke ztrátě stability. V tomto případě je do operačního zesilovače zaveden další externí nebo interní korekční obvod, který tvoří strmost jeho LAFC -20 dB/dec v celém frekvenčním rozsahu, dokud
. Toto vyrovnání obvykle zužuje šířku pásma zesilovače.

Pokud je časová konstanta jednoho ze zesilovacích stupňů výrazně větší než ostatní, pak strmost –20 dB/dec v celém frekvenčním rozsahu generuje zesilovač sám a další korekce nemusí být potřeba.

V každém případě má tedy typická logaritmická frekvenční odezva operačního zesilovače v celém frekvenčním rozsahu konstantní sklon –20 dB/dec.

Je třeba poznamenat, že vytvoření LAFC odpovídající přenosové funkci v obvodu dvoustupňového operačního zesilovače je dosaženo jednoduššími prostředky než v obvodu třístupňového zesilovače. To je vysvětleno skutečností, že maximální strmost LAFC dvoustupňového operačního zesilovače je pouze -40 dB/dec. zatímco v třístupňovém operačním zesilovači je to -60dB/dec. Pro korekci dvoustupňového operačního zesilovače tedy stačí jeden korekční obvod a pro třístupňový operační zesilovač jsou zapotřebí dva takové obvody.

Ke korekci frekvenčních vlastností dvoustupňového operačního zesilovače se používá kondenzátor
. Časová konstanta koncového stupně je určena jeho kapacitou, kde
- zesílení kaskády s OE pro stejnosměrný proud,
- výstupní impedance diferenciálního stupně.

Diferenciální stupeň používá obvod "proudové zrcadlo", takže
skvělé a
,
je časová konstanta diferenciálního stupně. Časová konstanta v přenosové funkci se operační zesilovač stává rozhodujícím i při malé kapacitě
.

LAFC dvoustupňového zesilovače v místě průsečíku s osou má strmost -20 dB / dec, tj. takový operační zesilovač, když je pokryt externím obvodem bez setrvačnosti OOS, je absolutně stabilní spoj. Vnitřní frekvenční korekce operačního zesilovače je tedy prováděna jediným kondenzátorem
malá kapacita a snadno technologicky implementovatelná.

Operační zesilovače jsou velmi rozmanité z hlediska parametrů a vlastností. Jako první přiblížení lze domácí OS rozdělit podle parametrů do následujících skupin:

1) Operační zesilovače obecného použití se používají k budování uzlů zařízení s celkovou redukovanou chybou 1 %. Vyznačují se relativně nízkou cenou a průměrnou úrovní parametrů (předpětí
- jednotky milivoltů, teplotní drift
- desítky mikrovoltů/°С, činitel zesílení
- desítky tisíc, rychlost přeběhu
- od desetin do jednotek voltů / mikrosekund).

2) Operační zesilovače s nízkým vstupním proudem - zesilovače se vstupním stupněm postavené na tranzistorech s efektem pole. Vstupní proud
pA.

3) Vícekanálové operační zesilovače jsou podobné obecným nebo mikro výkonovým zesilovačům s přidáním dělicího faktoru. Slouží ke zlepšení ukazatelů hmotnosti a velikosti a snížení spotřeby energie zařízení. Západní firmy vyrábějí duální přesné a vysokorychlostní zesilovače.

4) Vysokorychlostní širokopásmové operační zesilovače se používají pro převod rychle se měnících signálů. Vyznačují se vysokou rychlostí přeběhu, rychlou dobou ustálení, vysokou frekvencí jednotkového zisku a v jiných parametrech jsou horší než operační zesilovače pro všeobecné použití. Bohužel doba zotavení po přetížení pro ně není standardizovaná.

Jejich hlavní parametry jsou: rychlost přeběhu
V/us; doba vyřízení
us; jednotný zisk frekvence
MHz.

5) Přesné (vysoce přesné) operační zesilovače se používají k zesílení malých elektrických signálů doprovázených vysokým šumem a vyznačují se malým offsetovým napětím a jeho teplotním driftem, velkým zesílením a potlačením společného režimu, velkou vstupní impedancí a nízkým šumem. Zpravidla mají nízký výkon.

6) Mikrovýkonové operační zesilovače jsou nezbytné v případech, kdy je spotřeba energie přísně omezena (přenosná zařízení s vlastním napájením, zařízení pracující v pohotovostním režimu). Spotřební proud
ma.

7) Výkonné a vysokonapěťové operační zesilovače - zesilovače s koncovými stupni postavené na výkonných vysokonapěťových prvcích. Výstupní proud
mA; výstupní napětí
V.

Tabulky s parametry tuzemských OS jsou uvedeny v příloze A dle údajů .

Operační zesilovače se vyznačují charakteristikami zesilování, vstupu, výstupu, energie, driftu, frekvence a rychlosti.

Zesilující charakteristiky

Získat (K U) se rovná poměru přírůstku výstupního napětí k rozdílovému vstupnímu napětí, které způsobilo tento přírůstek při absenci zpětné vazby (OS). Pohybuje se od 103 do 106.

Nejdůležitější vlastnosti OS jsou amplitudové (přenosové) charakteristiky (obr. 8.4). Jsou reprezentovány jako dvě křivky odpovídající invertujícím a neinvertujícím vstupům. Charakteristiky jsou odstraněny, když je signál přiveden na jeden ze vstupů s nulovým signálem na druhém. Každá z křivek se skládá z horizontálních a šikmých částí.

Vodorovné úseky křivek odpovídají plně otevřeným (nasyceným) nebo uzavřeným tranzistorům koncového stupně. Při změně vstupního napětí v těchto úsecích zůstává výstupní napětí zesilovače konstantní a je určeno napětími +U out max) -U out max. Tato napětí jsou blízká napětí napájecích zdrojů.

Skloněná (lineární) část křivek odpovídá proporcionální závislosti výstupního napětí na napětí vstupním. Tento rozsah se nazývá oblast zisku. Úhel sklonu sekce je určen zesílením operačního zesilovače:

K U = U ven / U dovnitř.

Velké hodnoty zesílení operačního zesilovače umožňují, když jsou takové zesilovače pokryty hlubokou negativní zpětnou vazbou, získat obvody s vlastnostmi, které závisí pouze na parametrech obvodu negativní zpětné vazby.

Amplitudová charakteristika (viz obr. 8.4) prochází nulou. Stav, kdy U out \u003d 0 s U v \u003d 0, se nazývá rovnováha OS. U skutečných operačních zesilovačů však podmínka vyvážení obvykle není splněna. Když Uin \u003d 0, výstupní napětí operačního zesilovače může být větší nebo menší než nula:

U out = + U out nebo U out = - U out).

charakteristiky driftu

Volá se napětí (U cmo), při kterém U out \u003d 0 vstupní offset napětí nula (obr. 8.5). Je určeno hodnotou napětí, která musí být přivedena na vstup operačního zesilovače, aby bylo dosaženo nuly na výstupu operačního zesilovače. Obvykle to není více než několik milivoltů. Napětí U cmo a ∆U out (∆U out = U smykové - smykové napětí) souvisí vztahem:

U cmo \u003d ∆U out / K U.

Hlavním důvodem vzniku předpětí je výrazné rozšíření parametrů prvků diferenciálního zesilovacího stupně.

Teplotní závislost parametrů OS způsobuje teplotní posun vstupní offset napětí. Vstupní offset drift je poměr změny vstupního offsetového napětí ke změně okolní teploty:

E cmo \u003d U cmo / T.

Typicky je E cmo 1 ... 5 μV / ° C.

Přenosová charakteristika operačního zesilovače pro signál společného režimu znázorněno na (obr. 8.6). Je z něj patrné, že při dostatečně velkých hodnotách U sf (poměrných k napětí napájecího zdroje) prudce roste zesílení souosého signálu (K sf).

Použitý rozsah vstupního napětí se nazývá oblast útlumu společného režimu. Operační zesilovače jsou charakterizovány poměr útlumu v běžném režimu (K oss) – diferenciální poměr zesílení signálu (K u d) na zesílení souosého signálu (K u sf).

K oss = K u d / K u sf.

Zesílení souosého režimu je definováno jako poměr změny výstupního napětí ke změně součinného režimu, která jej způsobila.
o vstupním signálu). Útlum v běžném režimu se obvykle vyjadřuje v decibelech.

Vstupní charakteristiky

Vstupní odpor, vstupní předpětí, rozdíl a drift vstupních předpětí, jakož i maximální vstupní diferenciální napětí charakterizují hlavní parametry vstupních obvodů operačního zesilovače, které závisí na schématu použitého diferenciálního vstupního stupně.

Vstupní předpětí (I cm) - proud na vstupech zesilovače. Vstupní předpětí jsou způsobeny základními proudy vstupních bipolárních tranzistorů a svodovými proudy hradla pro operační zesilovače se vstupními FET. Jinými slovy, I cm jsou proudy spotřebované vstupy operačního zesilovače. Jsou určeny konečnou hodnotou vstupního odporu diferenciálního stupně. Vstupní zkreslení proudu (I cm), uvedené v referenčních údajích na operačním zesilovači, je definováno jako průměrný zkreslený proud:

I cm \u003d (I cm1 - I cm2) / 2.

Vstupní posuvný proud je rozdíl ve výtlačných proudech. Objevuje se v důsledku nepřesného přizpůsobení proudového zesílení vstupních tranzistorů. Posunový proud je proměnná hodnota v rozsahu od několika jednotek do několika stovek nanoampérů.

Vzhledem k přítomnosti vstupního předpětí a vstupních předpětí musí být obvody operačních zesilovačů doplněny prvky určenými pro jejich počáteční vyvážení. Vyvážení se provádí přivedením určitého dodatečného napětí na jeden ze vstupů operačního zesilovače a zavedením odporů do jeho vstupních obvodů.

Posun teploty vstupního proudu – koeficient rovný poměru maximální změny vstupního proudu operačního zesilovače ke změně okolní teploty, která jej způsobila.

Teplotní drift vstupních proudů vede k další chybě. Teplotní drifty jsou důležité pro přesné zesilovače, protože na rozdíl od offsetových napětí a vstupních proudů je velmi obtížné je kompenzovat.

Maximální rozdílové vstupní napětí napětí dodávané mezi vstupy operačního zesilovače v obvodu je omezeno, aby se zabránilo poškození tranzistorů diferenciálního stupně

Vstupní impedance závisí na typu vstupního signálu. Rozlišovat:

diferenční vstupní impedance (R v diff) - (odpor mezi vstupy zesilovače);

Vstupní odpor společného režimu (R v sf) - odpor mezi kombinovanými vstupními svorkami a společným bodem.

Hodnoty R v diff leží v rozmezí od několika desítek kiloohmů do stovek megaohmů. Vstupní impedance R v sf je o několik řádů větší než R v diff.

Výstupní charakteristiky

Výstupní parametry operačního zesilovače jsou výstupní odpor, stejně jako maximální výstupní napětí a proud.

Operační zesilovač musí mít malý výstupní impedance (R out) pro zajištění vysokého výstupního napětí při nízkých zátěžových odporech. Nízké výstupní impedance je dosaženo použitím emitorového sledovače na výstupu operačního zesilovače. Skutečný R out jsou jednotky a stovky ohmů.

Maximální výstupní napětí (kladný nebo záporný) v blízkosti napájecího napětí. Maximum výstupní proud omezený přípustným kolektorovým proudem výstupního stupně operačního zesilovače.

Energetické charakteristiky

Energetické parametry OS jsou odhadnuty maximální spotřebované proudy z obou zdrojů energie a podle toho i celkem spotřeba energie .

Kmitočtové charakteristiky

Zesilování harmonických signálů je charakterizováno frekvenčními parametry OS a zesílení pulzních signálů je charakterizováno svými rychlostními nebo dynamickými parametry.

Nazývá se frekvenční závislost zisku s otevřenou smyčkou operačního zesilovače frekvenční odezva (AFC).

Frekvence (f 1), při které je zisk operačního zesilovače roven jedné, se nazývá jednotný zisk frekvence .

V důsledku fázového posunu výstupního signálu vůči vstupu vytvořeného zesilovačem ve vysokofrekvenční oblasti fázová odezva Operační zesilovač získává další (více než 180°) fázový posun přes invertující vstup (obr. 8.8).

Pro zajištění stabilního provozu operačního zesilovače je nutné snížit fázové zpoždění, tzn. opravte amplitudově-frekvenční charakteristiku operačního zesilovače.

Rychlostní vlastnosti

Dynamické parametry OS jsou výstupní rychlost přeběhu Napětí (míra odezvy) a doba ustálení výstupního napětí . Jsou určeny odezvou operačního zesilovače na dopad napěťového skoku na vstupu (obr. 8.9).

Rychlost přeběhu je poměr přírůstku ( U out) k časovému intervalu ( t), po který k tomuto přírůstku dochází, když je na vstup přiveden obdélníkový impuls. To znamená

V U out = U out / t

Čím vyšší je mezní frekvence, tím vyšší je rychlost přeběhu výstupního napětí. Typické hodnoty V U out – jednotek voltů za mikrosekundu.

Doba ustálení výstupního napětí (tset) - doba, za kterou se Uout operačního zesilovače změní z úrovně 0,1 na úroveň 0,9 ustálené hodnoty Uout, když jsou na vstup operačního zesilovače přiváděny obdélníkové impulsy. Doba ustálení je nepřímo úměrná mezní frekvenci.

5.4.1. Obecné informace o operačních zesilovačích

Operační zesilovač se v klasické elektronice obvykle nazývá lineární převodník, se kterým lze provádět různé matematické operace - sčítání, odčítání, integraci, derivování atd. To určilo název takových zesilovačů - operační (rozhodující), na základě které zavedením zpětné vazby můžete provádět matematické operace. Integrované operační zesilovače jsou určeny nejen k provádění matematických operací, ale také k provádění převodu signálu (zesílení, zpracování, generování signálu).

Podmíněné grafické znázornění a funkční označení OS je na obr. 5.5.

Moderní operační zesilovače jsou postaveny podle schématu přímého zesílení s diferenciálními vstupy stejnými v elektrických parametrech (inverzní vstup "○" nebo "-" a neinverzní vstup - bez označení nebo "+") a push-pull bipolární (v signálu amplituda) výstup. Hlavním prvkem operačního zesilovače je vstupní stupeň, postavený podle schématu diferenciálního zesilovače (DU), jehož účelem je zesílit rozdíl signálu pozorovaný mezi jeho vstupy (obr. 5.6, a). Dálkové ovládání má dva tranzistory VT1 a VT2 s kolektorovými zatěžovacími odpory R K. Emitorové proudy těchto tranzistorů jsou tvořeny pomocí stabilního generátoru proudu (GST) I 0 vyrobeného na tranzistorech VT3 a VT4. Pokud jsou parametry tranzistorů VT1 a VT2 shodné, kolektorové odpory jsou stejné a podmínka, že vstupní signály U - = U + = 0, rozdíl ve výstupních signálech dálkového ovládání bude roven nule, protože pro ideální dálkové ovládání je proud emitoru I 0 rozdělen na polovinu mezi tranzistory VT1 a VT2.

Z teorie diferenčních zesilovačů je známo, že v rovnovážném režimu má potenciál každého výstupu úroveň napětí v součinném režimu vzhledem k zemi: .

Režim vyvážení odpovídá diagramu (obr. 5.6, b) až do okamžiku t1. Když se v tu chvíli objeví t1 signál U- tranzistor VT1 přijímá větší předpětí a jeho kolektorový proud Já K 1 se zvyšuje a proud tranzistoru VT2 klesá, protože

I K 1 + I K 2 = I 0. S nárůstem vstupního napětí U − tedy výstupní napětí na výstupu prvního tranzistoru klesá (zesílení signálu je invertováno ve fázi). Na druhém výstupu dálkového ovládání je napětí se zvýší (zesílení signálu není fázově invertováno). Celkový rozdílový výstupní signál mezi výstupy dálkového ovládání je určen vztahem:

Změna výstupních signálů se zastaví, když celý proud I 0 začne protékat tranzistorem VT1. V čase t2 se tranzistor VT2 přepne do režimu cutoff. Protože vstupní odpor dálkového ovladače je nepřímo úměrný hodnotě jeho provozního proudu I 0, je tento proud obvykle nastaven na malou hodnotu (desítky mikroampérů), a to zase určuje nízké zesílení dálkového ovládání. :

kde je strmost bipolárního tranzistoru. V tomto ohledu integrované operační zesilovače používají následné zesilovací stupně k získání velkého napěťového zesílení. Obecně platí, že napěťové zesílení operačního zesilovače se rovná součinu zesílení všech jeho stupňů: .

Absolutní hodnoty vstupních napětí U − , U + A U EXIT omezena napájecím napětím operačního zesilovače +U mazlíčka A -U mazlíčka− (≤ ± 15 V). Typickou vlastností přenosové charakteristiky operačního zesilovače je, že je citlivý na rozdíl vstupních napětí a nezávisí na jejich absolutních hodnotách. Z této vlastnosti plyne zavedení dvou pojmů: vstupní napětí v běžném režimu U SYNF pro společnou složku napětí na obou jejich vstupech, která musí být potlačena zesilovačem, a diferenciální vstupní napětí U D na které zesilovač reaguje:

, ,

Kde K = 1/2 nebo 0.

Pro zjednodušení stanovení parametrů CO se obvykle předpokládá, že NA= 0, tedy U SYNF \u003d U + .

Integrované operační zesilovače se obvykle skládají z diferenciálního vstupního stupně, stupňů zesílení, stupně, který převádí dvoufázový výstup diferenciálního zesilovače na jednofázový, a stupně pro posun úrovně. Na výstupu zesilovače je použit emitorový sledovač na komplementárních tranzistorech, který zajišťuje přenos signálů s kladnou i zápornou polaritou. V moderním OS K 0 dosahuje hodnoty řádově 1*10 5 a více.

Při zvažování a analýze obvodových řešení založených na operačních zesilovačích a odvozování hlavních vztahů se často používá koncept ideální operační zesilovač. V ideálním OS je obvyklé zvážit:

Operační zesilovač má nekonečně velkou vstupní a nulovou výstupní impedanci;

vstupy operačního zesilovače jsou symetrické a nespotřebovávají proud;

Napětí mezi vstupy OU je nulové;

· napěťový zisk operačního zesilovače má tendenci k nekonečnu a výstupní napětí je nulové při absenci vstupních signálů.

5.4.2. Kmitočtová charakteristika operačního zesilovače

Koeficient přenosu napětí jednoho RC řetězu:

Kde - kruhová mezní frekvence.

V souladu s tím mezní frekvence. Modul frekvenční odezvy RC řetězce je určen vztahem:

5.4.3. Obvody operačního zesilovače

Počet obvodů založených na operačních zesilovačích neustále roste s tím, jak se vyvíjí základna prvků a objevují se nové operační zesilovače, proto je zvláště důležité znát principy konstrukce a analýzy tzv. typický (základní) Spínací obvody OU. Existují tři základní schémata zapínání operačních zesilovačů:

Invertující zahrnutí operačního zesilovače;

Neinvertující zahrnutí operačního zesilovače;

Rozdílové zařazení OU.

Tyto obvody jsou základem pro stavbu dalších obvodů založených na operačních zesilovačích a výpočtu jejich parametrů. Při rozboru základních obvodů a zjednodušení výpočtu jejich parametrů se často používá koncept ideálního operačního zesilovače. Zvažte základní schémata pro zapnutí operačního systému.

5.5.3.1. Invertující spínací operační zesilovač

Ekvivalentní obvod invertujícího zahrnutí operačního zesilovače je znázorněn na Obr. 5.9. V tomto obvodu jsou vstupní signál a zpětnovazební signál přiváděny na inverzní vstup operačního zesilovače. Zavedení zpětné vazby vede k tomu, že nyní má obvod zesílení zpětné vazby DO OS. Definujme hodnotu DO OS na základě vlastností ideálního operačního zesilovače.

Napětí mezi vstupy považujeme za nulové. Potom je potenciál neinverzního vstupu a potenciál inverzního vstupu, a tedy potenciál bodu A (bod součtu proudů) také roven nule. Za předpokladu, že vstupní impedance operačního zesilovače R IN dostatečně velký, můžeme předpokládat, že proud ze zdroje signálu i C = U C / R1 proudí pouze přes zpětnovazební rezistor R OS, čímž se na něm vytvoří úbytek napětí:

Pokles napětí na rezistoru R OS s velkou přesností se rovná výstupnímu napětí U OUT, protože potenciál levého výstupu rezistoru R OS(bod A) je roven nule (umělý nulový potenciál obvodu). Proto můžeme napsat:

Zisk zpětné vazby:

Znaménko mínus ve výrazu (4.4) ukazuje, že napětí na výstupu operačního zesilovače je v protifázi se vstupním napětím. Ve skutečném operačním zesilovači s přihlédnutím k omezené hodnotě zisku K 0 výraz pro DO OS vypadá jako:

. (5.5)

Vstupní odpor, když je operační zesilovač zapnutý obráceně, lze uvažovat přibližně R BH ≈ R1. výstupní impedance

Kde R OUT.0- výstupní impedance operačního zesilovače bez zpětné vazby.

Poznámka. Odpor RC v tomto obvodu a dále slouží ke snížení předpětí I CM v obvodech operačních zesilovačů.

5.4.3.2. Neinvertující spínací operační zesilovač

Ekvivalentní obvod neinvertujícího zapojení operačního zesilovače je znázorněn na Obr. 5.10.

V tomto obvodu je zpětnovazební napětí vytvářeno děličem R1 - R OS :

Za předpokladu, že napětí mezi vstupy operačního zesilovače je blízké nule, můžeme to napsat UOC= VIDÍŠ, odkud zisk napětí:

Vstupní odpor s neinvertujícím zahrnutím operačního zesilovače je velký a je určen přibližně poměrem:

Výstupní impedance kde β =R1/ROC.

5.4.3.3. Diferenciální spínání operačních zesilovačů

Ekvivalentní obvod diferenciálního zapojení OS je znázorněn na Obr. 5.11. Jedná se o kombinaci invertujících a neinvertujících spínacích obvodů a umožňuje získat rozdíl mezi dvěma vstupními signály s daným zesílením.

Pro
Abychom získali napěťové zesílení tohoto obvodu, stále předpokládáme, že rozdíl napětí na vstupech operačního zesilovače je nulový a signálové proudy se nerozvětvují na jeho vstupy. Sestavme soustavu rovnic pro napětí na inverzních a neinverzních vstupech:

- invertovaný vstup:

, kde je napětí na inverzním vstupu; (5.8)

- neinverzní vstup:

Vzhledem k tomu, že pro ideální operační zesilovač je napětí mezi vstupy nulové, řešením (9.7) a (9.8) získáme výraz pro

výstupní napětí:

Kde n \u003d R OC / R BX \u003d nR / R je zisk zpětnovazebního zesilovače. Pokud jsou odpory v obvodu různé, lze výstupní napětí určit:

5.4.3.4. Zmije

, Kde KOCi=ROC/Ri je koeficient přenosu i-tého vstupního signálu invertujícím vstupem. V neinvertujícím sčítacím obvodu jsou vstupní napětí přivedena na neinvertující vstup a všechny rezistory kromě odporu zpětné vazby R OC, aby to bylo stejné. Napětí na výstupu takové sčítačky je určeno vztahem:

5.4.3.5. Komparátory

Komparátor (z anglického Compare) je zařízení, které porovnává napětí signálu na jednom ze vstupů s referenčním napětím na druhém vstupu. Při použití jako komparátor operačního zesilovače bude jeho výstup nastaven na kladné nebo záporné saturační napětí ±U nás. Obvykle v operačním zesilovači souvisí saturační napětí a napájecí napětí vztahem: ±U us = ± 0,9 U napájení Komparátory se používají v mnoha zařízeních a obvodech, například:

Ve spouštěči Schmitt nebo obvodu, který převádí signál libovolného tvaru vlny na signál obdélníkového tvaru nebo pulzní signál;

V nulovém detektoru - obvod, který indikuje okamžik a směr vstupního signálu procházejícího 0 V;

V detektoru hladiny - obvod, který indikuje okamžik, kdy vstupní napětí dosáhne dané referenční úrovně napětí,

V generátoru trojúhelníkového nebo obdélníkového tvaru vlny atd.

Výrazným znakem komparátorů je absence OOS, tzn. napěťové zesílení je určeno vnitřním zesílením K 0 OU.

Na Obr. 5.13. je znázorněn obvod komparátoru, citlivý na napětí na vstupu (-). V tomto obvodu je vstupní signál přiveden na invertovaný vstup a neinvertovaný vstup se používá k nastavení referenčního napětí U op. Protože oba vstupy jsou zapojeny do komparátorového obvodu, k analýze jeho činnosti a chování výstupního napětí je třeba použít

třetím základním spínacím schématem je rozdílové zapínání OS a vztah (5.10).

V případě kdy U op = 0, obvod komparátoru funguje jako detektor nuly (obr.5.13.b). V tom případě kdy U VX pozitivní (během první poloviny cyklu), U EXIT rovná se - U USA, protože potenciál vstupu (+) je menší než potenciál vstupu (-) (viz obr. 5.13. b). Ve druhém poločase, kdy U VX negativní U EXIT bude se rovnat + U USA, protože potenciál vstupu (+) je větší než potenciál vstupu (-). Tím pádem, U EXIT ukazuje kdy U VX kladné nebo záporné s ohledem na nulové referenční napětí.

Když U op > 0 obvod komparátoru funguje jako hladinový detektor (obr. 5.13. c). Na intervalu M-N U EXIT rovná se - U USA, protože potenciál vstupu (+) je menší než potenciál vstupu (−) ( U op< U ВХ ). Na U VX< U оп (interval N - K) U EXIT rovná se + U USA.

Pokud prohodíte vstupy pro napájení vstupního napětí a vytvoření reference, můžete získat obvod komparátoru, který je citlivý na napětí na vstupu (+).

V praxi může v některých případech vstupní napětí kolísat vzhledem k referenční úrovni. Takové výkyvy jsou více než pravděpodobné kvůli nevyhnutelným snímačům na vodičích vhodných pro vstupní svorky operačního zesilovače (šumové napětí). V tomto případě napětí U EXIT bude kolísat z jedné úrovně saturace do druhé, což může vést k falešným poplachům, měřením nebo akčním členům. Aby výstupní napětí nereagovalo na falešné překročení referenční úrovně, je do komparátorů zavedena pozitivní zpětná vazba (POS). Takové komparátory se nazývají PIC komparátory nebo regenerativní komparátory, Schmittovy spouštěče. PIC se provádí přivedením některé části výstupního napětí na neinverzní vstup U EXIT pomocí odporového děliče R3 - R4 (obr. 5.14). Napětí generované odporovým děličem bude mít různé hodnoty, protože závisí na znaménku U EXIT. To nazývané horní nebo dolní prahové napětí a u komparátorů s PIC se nastavuje automaticky:

. (5.12)

Pozitivní zpětná vazba vytváří spouštěcí efekt a urychluje přepínání U EXIT z jednoho státu do druhého. Jakmile

U EXIT se začíná měnit, dochází k regenerační zpětné vazbě, vynucování U EXIT změnit ještě rychleji. V okamžiku času rovném nule (obr. 5.14. a, b), U VX záporné, takže výstupní napětí je + U USA a na neinverzním vstupu bude nastavena prahová hodnota U P.V.. V daném okamžiku t1 Napětí U IN > +U US a komparátor zapne výstupní napětí − U USA. V tomto případě bude na neinverzním vstupu nastaven práh U P.N.. V tuto chvíli dojde k dalšímu přepnutí komparátoru t2, Když U VX je zápornější než napětí − U USA.Pokud prahová napětí překročí amplitudu šumu, pak POS neumožní falešné poplachy na výstupu (obr. 5.14. a, b). Rozsah napětí − U US ≤ U ≤ +U US se nazývá "hystereze" nebo "mrtvé pásmo".