Входные параметры

Параметры операционного усилителя определяют степень их неидеальности и условно подразделяются на три группы: входные, выходные и параметры передачи. Рассмотрим входные параметры.

1. Напряжение смещения нуля ( ).

– это напряжение на выходе усилителя при нулевом входном сигнале, поделенное на коэффициент усиления, физически показывает какое напряжение и какой полярности необходимо подать на один из входов усилителя, чтобы напряжение на его выходе стало равно нулю при нулевом входном сигнале.

Рис. 11. К пояснению понятия напряжения смещения нуля

Величина смещения для разных типов ОУ составляет от нескольких нВ до нескольких мВ.

2. Входные токи ( ).

В идеальном усилителе за счет бесконечно большого входного сопротивления входные токи должны быть равны нулю.

В реальных усилителях, входные каскады которых построены на биполярных транзисторах, входные токи необходимы для обеспечения линейного режима работы входных транзисторов. Это токи базы. Наличие этих токов определяет реальное входное сопротивление этих усилителей. В усилителях с полевыми транзисторами на входе роль входных токов выполняют токи утечки затвора. Поэтому, если даже входные токи усилителя одинаковые, за счет разных сопротивлений, подключенных к инвертирующему и неинвертирующему входам усилителя, между входами усилителя может возникнуть дополнительное падение напряжения, которое воспримется усилителем как дифференциальный сигнал ошибки. Поэтому, чтобы этого не происходило надо определенным способом выравнивать сопротивления, подключенные к входам усилителя.

Рис. 12. К пояснению понятия компенсации токовых ошибок

Если входной каскад на транзисторах n-p-n типа, то токи I_вх1 и I_вх2 втекают в ОУ.

Для анализа ошибки будем использовать принцип суперпозиции, то есть рассмотрим вклад в ошибку каждого тока по отдельности.

Пусть . Тогда ток I_вх1 протекая по цепи: общий провод – резистор R₃ – входной транзистор – минус источника питания, создаст на резисторе R₃ падение напряжения указанной полярности. Усилитель воспримет это как полезный сигнал, и так как схема охвачена отрицательной обратной связью, усилит его с заданным коэффициентом. Для данной схемы относительно неинвертирующего входа имеем, что

,

(9)

тогда на выходе появится сигнал ошибки:

.

(10)

Если , то возникает следующая ситуация.

При токе потенциал неинвертирующего входа будет равен нулю. Так как , то получается, что потенциал инвертирующего входа тоже примерно равен нолю. Тогда на резисторе R₁ никакого падения напряжения нет, и ток через этот резистор будет примерно равен нолю. Тогда получается, что ток течет по следующей цепи: плюс источник питания – выход усилителя – резистор R₂ – входной транзистор – минус источника питания.

На резисторе R₂ происходит падение напряжения . Так как потенциал инвертирующего входа равен нулю, то это падение напряжения на резисторе R₂ будет равно напряжению на выходе схемы:

.	(11)

Сумма напряжений и должна быть равна нулю при правильном выборе резисторов и примерно одинаковых токах:

(12)

Если , то это уравнение может выполниться при

.

(13)

Так как отношение резисторов R₁ и R₂ определяет коэффициент усиления, то для компенсации этой ошибки необходимо соответствующим образом выбрать номинал резистора R₃, поэтому решим последнее уравнение относительно R₃:

.

(14)

3. Входные сопротивления.

Их различают для дифференциального и синфазного сигналов.

Входное сопротивление для дифференциального сигнала ( ) – это полное сопротивление любого входа усилителя относительно общего провода при заземлении противоположного входа.

Рис. 13. К пояснению понятия

Входное сопротивление для синфазного сигнала –это полное сопротивление обоих входов усилителя относительно общего провода.

Обычно .

Рис. 14. К пояснению понятия

– десятки кОм ¸ единицы МОм, – единицы МОм ¸ десятки ГОм, меньшее значение характерно для ОУ с биполярными транзисторами на входе, а большее – с полевыми.

Если считать, что синфазное сопротивление инвертирующего входа ( ) равно синфазному сопротивлению неинвертирующего входа ( ), то есть , то тогда , так как можно пренебречь.

На нагружается источник дифференциального сигнала и соответственно на – источник синфазного сигнала.

4. Температурный дрейф напряжения смещения нуля и температурный дрейф входных токов.

	(14)
.	(15)

Эти параметры показывают, как изменяется напряжение ошибки на выходе усилителя при изменении температуры окружающей среды. Эти параметры важно учитывать при построении прецизионных устройств.

5. Напряжение шумов.

Обычно в справочнике приводится спектральная плотность напряжения шумов, приведенная ко входу и имеет размерность

.

(16)

Это говорит о том, что шум оценивается в определенной полосе частот. Это действующее напряжение на выходе усилителя, поделенное на коэффициент усиления при нулевом входном сигнале.

Рис. 15. Мощность шума (Рш) в зависимости от частоты

До частоты f₁ (это единицы кГц) мощность шума уменьшается со скоростью, пропорциональной . Этот шум обусловлен неидеальностью контактных площадок (наличие раковин и так далее). В полосе частот от f₁ до f₂ характерен равномерный «белый шум», обусловленный тепловыми движениями носителей заряда в объеме полупроводника. Выше частоты f₂ шум резко возрастает, в основном это происходит из-за уменьшения коэффициента транзистора с увеличением частоты.

В связи с этим шумовые свойства полупроводниковых приборов накладывают важные ограничения на конструирование усилителей.

Рис. 16. К пояснению шумовых свойств усилителя компенсации токовых ошибок

Если, например, усилитель трехкаскадный, и каждый каскад имеет свой коэффициент усиления, то с учетом источников шума полное выходное напряжения шума можно определить, как:

,

(17)

где – полный коэффициент усиления всего усилителя.

Тогда следует, что максимальный вклад в выходное напряжение шума вносит первый каскад. И для того, чтобы уменьшить вклад остальных каскадов нужно обеспечивать максимальное усиление в первом каскаде усилителя.

6. Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС).

ОУ должен усиливать только разностный сигнал, наблюдаемый между входами. Однако за счет связи через общий провод на входе присутствует синфазная помеха . Поэтому на выходе ОУ появится сигнал ошибки, определяемый по формуле:

,

(18)

где – коэффициент усиления синфазного сигнала.

В идеальном усилителе К_с = 0, а K_u ® ¥. Свойство ОУ по подавлению синфазной помехи оценивается коэффициентом ослабления синфазного сигнала.

.

(19)

Для прецизионных ОУ эта величина больше или равна 100 дБ.