4.10. Операционные усилители

Первоначально операционные усилители (ОУ) применялись преимущественно в аналоговых вычислительных машинах для вычисления разнообразных математических функций. Однако в связи с возросшей доступностью ОУ область их применения существенно расширилась. Поэтому под ОУ принято понимать микросхему — усилитель постоянного тока, на базе которого создаются узлы аппаратуры, характеристики которых в большинстве случаев зависят только от свойств цепи обратной связи.

Рассмотрим параметры отечественных и импортных ОУ. В круглых скобках приводятся их названия, обозначения и единицы измерения, принятые в программе EWB 4.1, а для EWB 5.0 — в прямоугольных скобках.

1. Коэффициент усиления напряжения К„ (Open-loop gain A [A]) — отношение выходного напряжения ко входному. В общем случае коэффициент усиления ОУ, не охваченного обратной связью, может достигать нескольких миллионов, однако с ростом частоты он уменьшается.

2. Частота единичного усиления Г,, Гц (Unity-gain bandwidth fu [FU]) — значение частоты входного сигнала, при котором коэффициент усиления ОУ уменьшается до единицы. Этот параметр определяет максимально возможную полосу пропускания ОУ.

3. Максимальное выходное напряжение +U„„ »,„, В (Positive voltage swing, Vsw+ [VSW+]) и -U.^ „„„,, В (Negative voltage swing, Vsw- [VSW-]) — максимальное выходное напряжение положительной и отрицательной полярности, при котором нелинейные искажения пренебрежимо малы при рекомендуемой изготовителем схеме включения ОУ. Это напряжение измеряется относительно нулевого потенциала при заданном сопротивлении нагрузки. При уменьшении этого сопротивления максимальное выходное напряжение уменьшается.

4. Скорость нарастания выходного напряжения Vu,u,, В/мкс (Slew rate SR [SR]) — отношение изменения выходного напряжения от 10 до 90% от своего номинального значения ко времени, за которое произошло это изменение. Этот параметр характеризует скорость отклика ОУ, охваченного отрицательной обратной связью, на ступенчатое изменение входного сигнала при усилении 1 или 10. ОУ при Vii,b„,= 15...150 В/мкс относятся к классу быстродействующих [4].

5. Напряжение смещения нуля U„,, В (Input offset voltage Vos [VOS]) — напряжение, которое нужно подать на вход ОУ, чтобы выходное напряжение равнялось нулю. Эта величина определяется разбросом параметров компонентов, входящих в состав ОУ (см. разд.7.2); для компенсации U,,„ в большинстве ОУ имеются специальные выводы для подключения цепей подстройки.

6. Входные токи I,„ A (Input bias current Ibs [IBS]) — токи, протекающие через входные зажимы ОУ; они обусловлены токами базы входных биполярных транзисторов или токами утечки затворов полевых транзисторов. Входные токи создают на внутреннем сопротивлении источника сигнала падение напряжения, которое вызвает появление напряжение на выходе при отсутствии на входе внешнего сигнала.

7. Разность входных токов AI„, A (Input offset current los [IOS]) — достигает 10— 20% от 1,„ создает на входе ОУ разность потенциалов, приводящую к смещению нуля на выходе.

8. Коэффициент ослабления синфазного сигнала К„ еф, дБ (Common mode rejection ratio CMMR [CMMR]) — отношение коэффициента усиления напряжения, приложенного между входами ОУ, к коэффициенту усиления напряжения, приложенного между общей шиной и каждым входом.

9. Выходной ток короткого замыкания !,„,, A (Output short circuit current Isc [ISC]) — максимальное значение выходного тока ОУ, при котором гарантируется работоспособность прибора.

10. Input resistance Ri [RI], Ом — входное сопротивление.

11. Output resistance Ro [RO], Ом — выходное сопротивление.

12. Phase margin pm [PM] — запас по фазе на частоте единичного усиления в градусах; характеризует устойчивость ОУ.

13. Compensation capacitance Сс [СС], Ф — емкость корректирующего конденсатора, служит для обеспечения устойчивости ОУ при введении ООС. В ОУ ранних выпусков предусматривались специальные выводы для подключения такого конденсатора, сейчас он в большинстве случаев реализуется на кристалле ОУ.

14. Location of second pole fp2 [FP2], Гц — частота второго полюса передаточной характеристики (только для линейной модели ОУ на рис. 4.67, а).

15. Максимальное входное напряжение U„, В (в списке параметров ОУ в программе EWB отсутствует) — напряжение между входными клеммами ОУ, превышение которого приводит к выходу прибора из строя.

16. Максимальное синфазное входное напряжение U„ ^,, В (в EWB отсутствует) — наибольшее значение напряжения, прикладываемого одновременно к обеим входным клеммам ОУ относительно нулевого потенциала (земли), превышение которого нарушает работоспособность прибора (увеличиваются входные токи и смещение нуля, существенное уменьшается коэффициент усиления).

17. Коэффициент влияния источников напряжения питания К„„„, мкВ/В (в EWB отсутствует) — характеризует изменение выходного напряжения прецизионных ОУ при изменении напряжения источников питания (нормируется на уровне 1...10мкВ/В[4]).

Значения параметров ОУ в программе EWB 4.1 могут быть отредактированы с помощью диалогового окна на рис. 4.66 (в EWB 5.0 аналогичное окно имеет две закладки).

В приводимом ниже списке ОУ данные приводятся в следующем порядке: тип ОУ, фирма-разработчик, отечественный аналог и его краткая характеристика.

AD507 AD 154УД2 Быстродействующий ОУ;

AD509 AD 154УДЗ Быстродействующий ОУ;

AD513 AD КР574УД1 Быстродействующий ОУ;

СА3140 RCA К1409УД1 ОУ с полевыми транзисторами на входе;

САЗ 130 RCA КР544УД2 Широкополосный ОУ с полевыми транзисторами на входе;

САЗОЗО RCA КР140УД5 Быстродействующий ОУ;

LF157 NS К140УД23 Быстродействующий ОУ с малыми входными токами;

LF355 NS КР140УД18 Широкополосный ОУ;

LF356 NS К140УД22 Широкополосный ОУ;

LM107 NS К153УД6 ОУ с частотной коррекцией;

LM108 NCS К140УД14 Прецизионный ОУ;

LM301 NCS К553УД2 Быстродействующий ОУ;

LM308 NCS КР140УД1408 Прецизионный ОУ;

LM143 NCS К1408УД1 Высоковольтный ОУ;

LM358 NCS К1401УД5

ЬМ2Ц NCS K554CA3 ОУ для компараторов;

LM392 NCS К1423УДЗ

МС1456 МОТА КР140УД6 ОУ со встроенной коррекцией;

ОР-07 К140УД17 Прецизионный ОУ.

Расшифровка аббревиатур фирм-изготовителей: AD — Analog Devices, NS — National Semiconductors, МОТА — Motorola Semiconductor Products. При необходимости можно составить в EWB отдельную библиотеку из отечественных ОУ [4].

В программе EWB 4.1 ОУ имеет две модели, показанные на рис. 4.67.

Рис. 4.67. Линейная (о) и нелинейная модели (б) ОУ

Модель ОУ на рис. 4.67, а не имеет выводов для подключения источников питания, однако их напряжение можно задать косвенно через значения максимального выходного напряжения Vsw- и Vsw+. ОУ на рис 4.67, б имеет выводы питания (параметры Positive Power Supply и Negative Power Supply на рис. 4.66), что позволяет использовать его в устройствах с одним источником питания или двумя разны-