Краткие лекции по ЭиМ (1166441), страница 21
Текст из файла (страница 21)
100 дБ.3. Напряжение смещения нуля Uсм, представляющее собойпостоянное напряжение определенной полярности, которое необходимоподать на вход при отсутствии входного сигнала, для того чтобынапряжение на выходе стало равным нулю. Наличие отклонения выходногонапряжения от нуля обусловлено, хотя и малым, но неизбежнымдисбалансомплечдифференциальногокаскада.ПрактическиUсм = 5 ... 20 мВ.4. Температурный дрейф напряжения смещенияTKU см U смT ,характеризует изменение напряжения Uсм при изменении температуры исоставляет1 30мкВС .5. Входное сопротивление для дифференциального Rвх диф сигнала.Измеряется со стороны любого входа в то время, когда другой входсоединен с общим выводом.
Величина Rвх диф лежит в пределах сотен кОм- единиц МОм.6. Входное сопротивление для синфазного Rвх сф сигнала.Измеряетсямеждусоединеннымивместевходамиоперационногоусилителя и корпусом. Данное сопротивление на несколько порядковбольше, чем сопротивление для дифференциального сигнала.7.ВыходноесопротивлениеRвых.Величинавыходногосопротивления для операционного усилителя составляет десятки - сотниОм.ОглавлениеОбозначим напряжения на выводах операционного усилителя (рис.1.138).Напряжение идиф между инвертирующим и неинвертирующимвходами называют дифференциальным напряжением (дифференциальнымсигналом).
Ясно, чтоuдиф u u .Операционные усилители конструируют таким образом, чтобы оникакможнобольшеизменялинапряжениеuвыхприизменениидифференциального сигнала (т. е. разности и+ — и-) и как можно меньшеизменяли напряжение ивых при одинаковом изменении напряжений и+ и и.Пусть uдиф = 0. Сделаем обозначение: uCФ = и+ = и-. Напряжениеисф называют синфазным напряжением (синфазным сигналом). Используяэтот термин, можно сказать, что операционные усилители конструируюттаким образом, чтобы влияние синфазного сигнала на выходное напряжениебыло как можно меньше.Передаточная характеристикаОперационный усилитель хорошо характеризует его передаточнаяхарактеристика — зависимость видаuвых f (uдиф ),где f – некоторая функция.Изобразим график этой зависимости (рис. 1.139) для операционногоусилителя К140УД1Б (это один из первых отечественных операционныхусилителей).
Эта конкретная характеристика не проходит через началокоординат. У различных экземпляров операционных усилителей одного итого же типа эта характеристика может проходить как слева, так и справа отначалакоординат.Заранеепредсказатьточноеположениеэтойхарактеристики невозможно. Значение напряжения идиф, при которомвыполняется условие ивых= 0, называют напряжением смещения(напряжением смешения нуля) и обозначают через Uсм. Для операционногоусилителя типа К140УД1 известно только то, что напряжение Uсм лежит вдиапазоне от -10 до +10 мВ.
А это означает, что при нулевом напряженииидиф напряжение ивых может лежать в пределах от минимальновозможного (около -7 В) до максимально возможного (около +10 В).Для того чтобы при нулевом усиливаемом сигнале напряжение навыходе было равным нулю, т. е. для того чтобы передаточнаяОглавлениехарактеристика проходила через начало координат, предусматривают мерыпо компенсации напряжения смешения (балансировка, коррекция нуля,настройка нуля).
В некоторых операционных усилителях (в том числе и типаК140УД1Б) не предусмотрены специальные выводы, воздействуя накоторые можно было бы компенсировать напряжение смещения. В этомслучае на входы операционного усилителя, кроме усиливаемого сигнала,нужно подавать напряжение, компенсирующее напряжение смещения. Внекоторых операционных усилителях для компенсации напряжениясмещения предусмотрены специальные выводы. Изобразим типовую схемувключения операционного усилителя типа К140ХД8А, в которомпредусмотрены такие выводы (рис. 1.140).Через NС обозначены специальные выводы для балансировки.Цифрами обозначены номера выводов.Диапазонвыходногонапряжения,соответствующийпочтивертикальному участку передаточной характеристики, называется областьюусиления.
Соответствующий этому диапазону режим работы называютрежимом усиления (линейным, активным режимом). В линейном режимеuвых К uдиф ,где К — коэффициент усиления по напряжению (коэффициентусилениянапряжения,коэффициентусилениядифференциальногосигнала).Обычно величина К лежит в пределах 104...105. К примеру, дляоперационного усилителя типа К140УД1Б К = 1350...12 000, дляоперационного усилителя К140УД14А К не менее 50 000.Диапазоны выходного напряжения вне области усиления называютсяобластями насыщения. Соответствующий этим областям режим называютрежимом насыщения. Обычно считается, что в режиме насыщениявыполняется условиеuвых U пит 3 В(при uдиф> 0)илиuвых U пит 3 Вгде +Uпит и -Uпит — напряжения питания.В приближенных расчетах иногда считают, что в режиме насыщенияuвых U питили uвых U пит .Реальныеэлектронныеустройстванаосновеоперационногоусилителя практически всегда имеют коэффициент усиления значительноменьше К, так как в них используется отрицательная обратная связь.Пример схемы с отрицательной обратной связью приведен на рис.
1.134.Легко заметить, что чем больше коэффициент К при заданныхнапряжениях +Uпит и -Uпит, тем меньше тот диапазон значенийнапряжения идиф, который соответствует режиму усиления. Так, если К=50000 и +Uпит = |-U|пит = 15 В, то величина идиф не может превышатьзначения 15 / 50000 = =300·10-6 В = 300 мкВ. Если наперед известно, чтооперационный усилитель работает в режиме усиления, то при практическихрасчетах обычно принимают, идиф ≈0.ОглавлениеВлияниеразличныхфакторовнавыходноенапряжениеоперационного усилителяПрипрактическомиспользованииоперационногоусилителянеобходимо учитывать, что различные факторы могут существенно влиятьна его выходное напряжение.Влияниесинфазногонапряжениянавыходноенапряжение.Обратимся к схеме (рис.
1.141), в которой имеется только синфазный сигналисф (идиф = 0). Изобразим типичный график зависимости ивых от исф дляоперационного усилителя (рис. 1.142).Если модуль | исф | сравнительно мал, то синфазный сигнал слабовлияет на напряжение ивых. Иначе его влияние, как следует из графика,может быть очень существенным. Если синфазный сигнал оказываетсячрезмерно большим по модулю, то операционный усилитель может выйтииз строя. Влияние синфазного сигнала при его малых по модулю значенияххарактеризуют коэффициентом усиления синфазного сигнала Ксф икоэффициентом ослабления синфазного сигнала Кос.сф:K сф Кuвых., K ос.сф K сфucaКоэффициент К всегда положителен.
Коэффициенты Ксф и Кос.сфмогут быть как положительными, так и отрицательными. Но в справочныхданных обычно указывают модулиэтихкоэффициентакКсфобычноблизоккоэффициентов. Модульединице,поэтомумодулькоэффициента Кос.сф обычно такого же порядка, что и коэффициент К.Коэффициент Кос.сф часто измеряют в децибелах, обозначая его в этомслучае через Кос.сф дБ:Кос.
сф. дБ 20 log | Кос.сф. |.Например, для операционного усилителя типа К140УД1Б принапряжении питания ±12,6 В синфазный сигнал исф должен лежать впределах - 6...+6 В. Для этого усилителя коэффициент Кос.сф дБ не меньше60 дБ. Это означает, что модуль |Кос.сф | не меньше 1000.Влияние входных токов на выходное напряжение. Рассмотрим схемус операционным усилителем, во входной цепи которого включены дварезистора (рис.
1.143).В этой схеме источники входных сигналов отсутствуют, однаковходные токи i+ и i- для реальных операционных усилителей не равны нулю.Эти токи могут быть в зависимости от типа операционного усилителя иположительными,иотрицательными.Есливооперационного усилителя используются биполярныеОглавлениевходномкаскадетранзисторы, то токи i+, i- обычно лежат в пределах от десятковнаноампер до единиц микроампер, а если используются полевыетранзисторы, то они обычно лежат в пределах от долей пикоампер додесятков наноампер. К примеру, для операционного усилителя типаК140УД1Б токи i+, i- при t = 85°С не превышают 11 мкА (во входномкаскаде — биполярные транзисторы), а для усилителя К140УД8А типовоезначение этих токов при t = 70'С равно 10 нА (во входном каскаде —полевые транзисторы с p-n-переходом).Даже если выполняется равенство i+ = i-, но сопротивления R+ и Rразличны (R+ ≠ R-), разность падений напряжения на этих сопротивленияхбудет воспринята усилителем как дифференциальный сигнал и вызоветпоявление напряжения на нагрузке.
Поэтому стремятся к тому, чтобыэквивалентные сопротивления цепей, подключенных к инвертирующему инеинвертирующему входам, были одинаковыми. К сожалению, токи i+ и iне всегда одинаковы, и это является еще одной причиной нарушениярежима работы операционного усилителя.Влияние температуры, напряжения питания и времени (старения) навыходное напряжение. Влияние указанных факторов проявляется в том, чтопод их воздействием изменяется напряжение смещения Uсм. Дляприближенной оценки этого влияния можно считать, что напряжениеUсм.может изменяться следующим образом:- на единицы — десятки микровольт при изменении температуры наГС;- на единицы — десятки микровольт при изменении напряженияпитания на 1 В;- на доли — единицы микровольт при увеличении срока службысхемы на 1 месяц.Амплитудно-частотнаяфазочастотнаяхарактеристикиоперационного усилителя и его эквивалентная схемаПри увеличении частоты f уменьшается коэффициент К и возникаетсдвиг по фазе ᵠ между напряжениями идиф и ивых (предполагается, что этинапряжения синусоидальные).
Для учета этого удобно использовать.комплексный коэффициент усиления по напряжению К :..K U вых.,U диф.где.U вых , U диф— соответственно комплексные действующие значенияпеременных напряжений идиф и ивых.На практике широко используют графики амплитудно-частотной и.фазочастотной характеристик для K .
Каждую отдельную характеристикуили пару этих характеристик называют диаграммой Боде..На практике модуль | K | часто измеряют в децибелах, обозначая его.при этом через | K |дБ...По определению | K |дБ 20 log | K | .Изобразим схематически амплитудно-частотную и фазочастотнуюхарактеристики для операционного усилителя типа К140УД8 (рис. 1.144, а,6).Оглавление.По оси ординат будем откладывать как значения | K |, так и значения |.K | дБ.Обратим внимание на тот факт, что для оси абсцисс каждого графикаиспользуется логарифмический масштаб..Очень важно отметить, что несмотря на то, что модуль | K | сдвиг пофазе начинают уменьшаться уже при очень малых частотах (около 10 Гц),подобные операционные усилители могут вполне успешно работать назначительно более высоких частотах (в десятки и сотни килогерц).Дело в том, что в практических схемах, как уже отмечалось, обычноиспользуется отрицательная обратная связь, а она, как будет показано ниже,значительно улучшает частотные свойства схем на основе операционныхусилителей.У некоторых операционных усилителей частотные характеристикитаковы, что возможно самовозбуждение (при этом усилитель на основеоперационного усилителя превращается в генератор).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
