Основные параметры операционных усилителей

Что означают показатели, приведённые в технических
характеристиках и datasheet-ах на операционные усилители?

Рис.1 Обозначение ОУ на схемах

Операционный усилитель, ОУ (operational amplifier, OpAmp) – это интегральный многокаскадный усилитель постоянного тока c дифференциальным входным каскадом, предназначенный для усиления аналоговых сигналов, либо выполнения математических операций с ними. Если не залезать глубоко в дебри, то во многих случаях ОУ удобно рассматривать как некий черный ящик (или треугольник), в котором есть пять основных выводов (Рис.1):

V+ – неинвертирующий вход, V- – инвертирущий вход, Vout – выход, Vs+ и Vs- – выводы для подключения к плюсу и минусу источника питания.
На рисунке Рис.2 приведена схема замещения операционного усилителя в виде многополюсника.

Рис.2 Схема замещения ОУ

Rin образует дифференциальное входное сопротивление ОУ (Input Resistance), измеряемое при подаче на входы ОУ разности входных напряжений, либо одного напряжения, при котором один из входов ОУ должен быть заземлён. Rin имеет величину от десятков кОм для усилителей на биполярных транзисторах до сотен МОм для ОУ на полевиках. Входное сопротивление для синфазн. сигнала Rin_common_mode измеряется при подаче на оба входа ОУ одинаковых напряжений.

Оно на несколько порядков превышает дифференциальное входное сопротивление R_in и в справочных характеристиках, как правило, не указывается.

Входные токи или токи смещения I_вх (I_bs, I_ib, Input bias current) – это токи, напрямую связанные со значением входного сопротивления и обусловленные токами базы входных биполярных транзисторов или токами утечки затворов полевых транзисторов. Численно I_вх равен половине суммы входных токов, измеренных при соединении входов между собой.



Рис.3 Определение напряжения сдвига и напряжения смещения ОУ

Напряжение сдвига (U_сд) – это напряжение, появляющееся на выходе ОУ при закороченных входах (Рис.3 слева). Является следствием неточного согласования напряжений эмиттер-база или затвор-исток входных транзисторов. Обычно данная величина составляет несколько мВ.

Напряжение смещения U_см (U_io, V_os, Input Offset Voltage) – значение постоянного напряжения, при котором выходное напряжение сдвига становится равным нулю (Рис.3 справа).

Температурный коэффициент напряжения смещения (U_см/∆T) или Temperature coefficient of Vos (U_см/∆T, V_os/∆T), или Input Offset Voltage Drift (DV_io) – это коэффициент, равный отношению максимального изменения напряжения смещения операционного усилителя к вызвавшему его изменению окружающей температуры. Измеряется в µV/°C.

Диапазон синфазного входного напряжения Input (U_вх.сф.) или Common-Mode Voltage Range (V_cmr , V_icm) – это интервал значений синфазного входного напряжения, в котором параметры операционного усилителя лежат в заданных пределах.

Коэффициент усиления напряжения (K_у.U) или Signal Voltage Gain (A_vd, A_vol) – это отношение изменения ∆Uвых к вызвавшему его изменению входного напряжения ∆Uвх при работе усилителя на линейном участке передаточной характеристики. Как правило, модуль коэффициента усиления выражают в децибелах или V/mV.

Диапазон выходного напряжения или Output Voltage Swing (V_out, ±V_opp) – интервал значений выходного напряжения, в котором параметры операционного усилителя лежат в заданных пределах. Этот диапазон измеряется относительно нулевого потенциала при заданном сопротивлении нагрузки. При уменьшении этого сопротивления максимальное выходное напряжение уменьшается.

Диапазон выходного тока (I_вых) – интервал значений выходного тока, в котором параметры операционного усилителя лежат в заданных пределах.

Output Short-circuit Current (I_os) – максимальное значение выходного тока ОУ, при котором гарантируется работоспособность прибора.

Выходное сопротивление (R_вых) или Open-Loop Output Resistance (R_o) – выходное сопротивление ОУ с разомкнутой ОС, численно равное отношению приращения выходного напряжения операционного усилителя к вызвавшей его активной составляющей выходного постоянного или синусоидального тока.

Ток потребления (I_пот), Supply (quiescent) Сurrent (I_CC, I_supp) – постоянный ток, протекающий в цепи питания ОУ при отсутствии входного сигнала и сопротивления нагрузки.

Коэффициент ослабления синфазного входного напряжения (K_ос.сф) или Common Mode Rejection Ratio (CMR, CMRR) – коэффициент, равный отношению синфазного входного напряжения к дифференциальному входному напряжению, вызывающих одно и то же приращение выходного напряжения ОУ. Или другими словами – отношение коэффициента усиления ОУ к коэффициенту передачи синфазного сигнала. Как правило, выражается в децибелах (дБ).

Коэффициент влияния нестабильности источника питания на напряжение смещения (K_вл.ип) или Power Supply Rejection Ratio (PSRR), или Supply Voltage Rejection Ratio (SVR) – коэффициент, равный отношению приращения напряжения смещения ОУ к вызвавшему его приращению напряжения источника питания. Как правило, выражается в децибелах (дБ).

Рис.4 АЧХ операционного усилителя

Граничная частота (частота первого полюса) (fгр) или Cutoff Frequency -3dB Bandwidth (fc, f-3dB) – это частота, на которой усиление ОУ уменьшается на 3дб относительно своего значения на нулевой частоте. Частота единичного усиления (f1) или Unity-Gain Bandwidth (GBW), или Gain Bandwidth Product (GBP) – частота, на которой модуль коэффициента усиления ОУ равен единице.

Рис.5 Отклик ОУ на ступенчатое воздействие

Скорость нарастания выходн. напряжения (VUвых.max) или Slew Rate (SR) – это скорость изменения выходн. напряжения операционного усилителя при подаче на вход прямоугольного импульса максимального уровня. Определяется как отношение изменения выходн. напряжения с уровня 0,1 до уровня 0,9 ко времени его нарастания. Измеряется в В/мкс, V/µs. Время нарастания выходного напряжения или Rise Time (tr) – это время нарастания выходного напряжения от уровня 0,1 до 0,9 от установившегося значения.

Время установления выходного напряжения или Settling Time (t_s) – время от подачи на вход импульса напряжения прямоугольной формы (максимальной амплитуды) до момента последнего вхождения выходного напряжения в зону заданной погрешности.

Запас по фазе или Phase Margin (PM) – разность между фазовым сдвигом на частоте единичного усиления и 180 град. Измеряется в градусах.

Входная ёмкость (С_вх) или Input Capacitance (С_in) – величина, равная отношению ёмкостной реактивной составляющей входного тока операционного усилителя к произведению круговой частоты на синусоидальное входное напряжение при заданной частоте сигнала.

Выходная ёмкость (С_вых) или Output Capacitance (С_out) – величина, равная отношению ёмкостной реактивной составляющей выходного тока операционного усилителя к произведению круговой частоты на вызванное им выходное напряжение при заданной частоте сигнала.

Нормированная ЭДС шума или спектральная плотность входной ЭДС шума (E_ш.н), или Input Referred Noise Voltage Density, или Equivalent Input Noise Voltage (e_n) – приведённая ко входу ЭДС шума операционного усилителя, делённая на корень квадратный из заданной полосы частот. Выражает частотную зависимость действующего значения Eш в определённом диапазоне частот. Измеряется в нВ/√Гц (nV/√Hz).

Нормированный ток шума (I_ш.н) или Input Referred Noise Voltage Density (i_n) – приведённый ко входу ток шума операционного усилителя, делённый на квадратный корень из заданной полосы частот. Измеряется в нА/√Гц (nA/√Hz).

Коэффициент гармоник (КГ) или Total Harmonic Distortion (THD) – это отношение суммы среднеквадратичных напряжений всех, кроме первой, гармоник сигнала ОУ к среднеквадратичному напряжению первой гармоники. Измеряется в % или дБ.

А на следующей странице рассмотрим основные схемы включения ОУ, а также схемотехнические построения, применяемые в различных областях электроники.

Дальше