У розділі розглядаються основні характеристики операційних підсилювачів, такі як АЧХ, ФЧХ, гранична робоча частота, напруга і струм живлення, напруга зсуву, його температурний дрейф, коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу та багато інших.

Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) – одна з найважливіших характеристик ОУ, характеризує залежність коефіцієнта його передачі (підсилення) від частоти.

Фазочастотная характеристика (ФЧХ) – характеризує частотну залежність фазового зсуву вихідного гармонійного коливання щодо вхідного.

Модуль коефіцієнта посилення – значення коефіцієнта посилення, взяте за абсолютною величиною (по модулю).

Гранична робоча частота – відповідає значенню частоти на АЧХ, при якій модуль коефіцієнта посилення стає рівним одиниці.

Швидкість зміни рівня вихідного сигналу – характеризує швидкодію підсилювача і його граничні частотні характеристики.

Мінімальний опір навантаження – визначає мінімальне значення опору, на яке може бути навантажений ОУ невизначено довгий час.

Напруга і струм живлення, напруга зсуву, його температурний дрейф, коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу … – не менш важливі характеристики ОУ, значення яких можна дізнатися з довідників для кожній конкретній мікросхеми.

Для наочності і зручності використання частотні характеристики модуля коефіцієнта підсилення операційних підсилювачів прийнято зображати в координатах lg | x | – lg /, рис. 2.1.

Таку залежність можна описати рівнянням прямої: у = ах + Ь, де y = lg | iCyc |; X = lg /. Тоді lg | x j = -a lg / ь έ ». Коефіцієнти а і b можна визначити, прирівнявши у = lg | Kyi. | = 0; х = lg / = 0. У загальному випадку

Зрозуміло,

прямою лінією в представлених на рис. 2.1 координатах ідеально описується тільки ідеальна амплітудно-частотна характеристика операційного підсилювача. Нагадаємо, що під цією характеристикою розуміють частотну залежність модуля коефіцієнта передачі. Реально, в силу різних причин конструкційного характеру, АЧХ ОУ на практиці виглядає дещо інакше, рис. 2.1.

При візуальному аналізі амплітудно-частотної характеристики ОУ, рис. 2.1, 2.2, може здатися, що твір коефіцієнта підсилення на верхню граничну частоту (частоту зрізу f) не змінюється, проте це не так. У цьому неважко переконатися, підрахувавши кількість квадратиків на рис. 2.2, залитих сірим кольором. У порядку зіставлення на рис. 2.2 поряд з АЧХ ОУ наведені їм відповідні фазочастотной характеристики.

Цікавою особливістю операційних і не тільки підсилювачів є швидкість відгуку вихідного параметра на зміну вхідної, рис. 2.3, іншими словами, швидкість зміни рівня вихідного сигналу, що характеризує швидкодія підсилювача і його граничні частотні характеристики.

Ці характеристики, що називаються перехідними, суто індивідуальні для кожного конкретного типу (різновиду) мікросхем. Вони визначаються особливостями їх внутрішньої будови, зокрема, RC-елементами, входять до складу мікросхеми, або підключаються до її ланцюгах корекції. Як правило, підвищені значення ємностей напівпровідникових елементів, що складають мікросхему, наявність паразитних ємностей, ємнісних зв’язків обмежує швидкість реакції мікросхеми на зміну рівня вхідного сигналу, обмежує граничну частотну область застосування мікросхеми.

При аналізі залежності вихідної напруги від рівня вхідного для будь-якого підсилювача можна виявити яскраво виражену нелінійність.

Примітка.

Рис. 2.1. Ідеальна (гранична) і реальна амплітудно-частотні характеристики операційного підсилювача k = 201дК, дБ

Вона обумовлена ​​тим, що в своїй основі підсилювач, як складнотехнічних пристрій, містить безліч нелінійних елементів.

Рис <2.2. Типові амплітудно-частотні (ліворуч) і їм відповідні фазочастотной (праворуч) характеристики операційних підсилювачів при зміні глибини зворотного зв’язку

Так, наприклад, величина максимально можливого вихідного сигналу підсилювача жодною мірою не може перевищувати напруги живлення. В області малих вхідних напруг нелінійності яскраво проявляються у зв’язку з тим, що нелінійні властивості напівпровідникових приладів найбільш яскраво виражені в області знижених напружень.

Рис. 2.3. Перехідні характеристики операційного підсилювача при ступінчастому зміні рівня вхідного сигналу

Залежність нормованого значення вихідної напруги підсилювача U

-від рівня вхідного UBX можна Вира-

^ Тах

зить у вигляді:

де Umax – Гранично досяжний рівень вихідної напруги; А і В – взаємопов’язані нормувальні коефіцієнти; а – постійна.

На рис. 2.4 наведені приклади спрощених варіантів застосування цього рівняння для опису залежностей UBbDt = /(UBX). Показання залежності характерні для простих ОУ. На малюнку чітко можна виділити зони насичення (область підвищених вхідних напруг), зону нечутливості (область малих вхідних напруг), область релейного перемикання зі стану «виключено» в стан «включено». Ідеальною слід вважати строго лінійну залежність івих. = / (UBX ), Реалізувати яку особливо на початковому і завершальному ділянці характеристики (область малих і великих сигналів, відповідно) важко.

Нелінійність залежності рівня вихідного сигналу від рівня вхідного обумовлює для будь-якого підсилювача привнесення спотворень: вихідний сигнал за рівнями частотних складових не відповідає вихідного спектру. Для кількісної оцінки рівня нелінійних спотворень вихідного гармонійного сигналу ідеальної синусоїдальної форми використовують коефіцієнт нелінійних спотворень (коефіцієнт гармонік), який визначається відношенням квадратного кореня з суми потужностей вищих гармонік (вище першої) до потужності вихідної першої гармоніки.

Таким чином, передбачається, що при подачі на вхід підсилювача сигналу ідеально синусоїдальної форми частотою / на виході пристрою крім основного сигналу частотою / з’являються паразитні сигнали з частотами 2 /, 3 /, 4 / і т. Д.

Рис. 2.4. Залежно нормованого вихідної напруги підсилювачів від рівня вхідної напруги (амплітудна характеристика підсилювача)

Органолептически, т. Е. На слух, залежно від ступеня його розвитку, можна виявити спотворення, які мають рівень 3-10%, а візуально, на екрані монітора і осцилографа – 15-25%.

Зазвичай будь-який операційний підсилювач в силу неідеальності елементів, його складових, має невелике флуктуірует в часі позитивне чи негативне початковий зсув на вході, рис. 2.5. Для операційних підсилювачів, виконаних на біполярних транзисторах, величина цього зміщення лежить в межах одиниць мілівольт; для ОУ на польових транзисторах може досягати десятків мілівольт.

Відповідно, якщо не вжити заходів для компенсації цього зміщення, на виході підсилювача буде присутній постійна складова.

Коефіцієнт посилення операційного підсилювача, рис. 2.5, визначають як відношенняабо, що тотожно, як тангенс кута

нахилу дотичної до кривої амплітудної характеристики підсилювача. Зрозуміло, величина цього коефіцієнта на різних ділянках кривої амплітудної характеристики, рис. 2.5, помітно різниться: на краях вона падає до нуля, а в центральній частині графіка наближається до максимуму.

Рис. 2.5. Амплітудні характеристики операційного підсилювача:

1 – без зворотного зв’язку;

2 – зі зворотним зв’язком

Визначення.

Ставлення рівня максимального вхідного сигналу при заданому (обговореному) рівні нелінійних спотворень до мінімального рівня вхідного сигналу при заданому (обговореному) рівні співвідношення сигнал / шум називають динамічним діапазоном підсилювача, зазвичай висловлюваним в дБ.

Шустов М. А., Схемотехніка. 500 пристроїв на аналогових мікросхемах. – СПб .: Наука і Техніка, 2013. -352 с.