5. Практические операционные усилители

Практические операционные усилители

Практические операционные усилители приближают их идеальный коллеги, но отличаются по некоторым важным аспектам. Разработчику схемы важно понимать различия между фактическими операционными усилителями и идеальными операционными усилителями, поскольку эти различия могут отрицательно влиять на характеристики схемы.

Наша цель - разработать детальную модель практического операционного усилителя - модель, учитывающую наиболее важные характеристики неидеального устройства. Начнем с определения параметров, используемых для описания практических операционных усилителей. Эти параметры указаны в листах технических данных, предоставляемых производителем операционного усилителя.

В таблице 1 перечислены значения параметров для трех конкретных операционных усилителей, одним из трех которых является µA741. Мы используем операционные усилители µA741 во многих примерах и проблемах в конце главы по следующим причинам: (1) они были изготовлены многими производителями ИС, (2) они встречаются в больших количествах во всей электронной промышленности, и ( 3) они представляют собой операционные усилители общего назначения с внутренней компоновкой, и их свойства могут использоваться в качестве эталона для целей сравнения при работе с другими типами операционных усилителей. Поскольку различные параметры определены в следующих разделах, следует обратиться к таблице 9.1, чтобы найти типичные значения.

Практические операционные усилители, операционные усилители

Таблица 1 - Значения параметров для операционных усилителей

Наиболее существенная разница между идеальным и реальным операционными усилителями заключается в коэффициенте усиления по напряжению. Идеальный операционный усилитель имеет усиление напряжения, которое приближается к бесконечности. Фактический операционный усилитель имеет конечное усиление напряжения, которое уменьшается с увеличением частоты (мы подробно рассмотрим это в следующей главе).

Увеличение напряжения в разомкнутом контуре 5.1 (G)

Коэффициент усиления по напряжению в разомкнутом контуре операционного усилителя представляет собой отношение изменения выходного напряжения к изменению входного напряжения без обратной связи. Коэффициент усиления по напряжению является безразмерной величиной. Символ G используется для обозначения усиления напряжения разомкнутой цепи. Операционные усилители имеют усиление высокого напряжения для низкочастотных входов. В спецификации операционного усилителя указано усиление напряжения в вольтах на милливольт или в децибелах (дБ) [определено как 20log10(vвнешний/vin)].

5.2 Модифицированная модель операционного усилителя 

На рисунке 14 показана модифицированная версия идеализированной модели операционного усилителя. Мы изменили идеализированную модель, добавив входное сопротивление (Ri), выходное сопротивление (Ro) и синфазное сопротивление (Rcm).

операционные усилители, практичные операционные усилители

Figure 14 - Модифицированная модель операционного усилителя

Типичные значения этих параметров (для операционного усилителя 741)

Теперь рассмотрим схему на рисунке 15, чтобы проверить производительность операционного усилителя. Инвертирующий и неинвертирующий входы операционного усилителя управляются источниками с последовательным сопротивлением. Выход операционного усилителя подается обратно на вход через резистор, RF.

Источники, управляющие двумя входами, обозначены vA и v1и связанные последовательные сопротивления RA и R1, Если входная схема является более сложной, эти сопротивления можно рассматривать как эквиваленты Тевенина этой схемы.

Практические операционные усилители, операционные усилители

Рисунок 15 - Схема операционного усилителя

5.3 Напряжение смещения на входе (Вio)

Когда входное напряжение идеального операционного усилителя равно нулю, выходное напряжение также равно нулю. Это не так для настоящего операционного усилителя. входное смещение напряжения, Vio, определяется как дифференциальное входное напряжение, необходимое для того, чтобы сделать выходное напряжение равным нулю. Vio ноль для идеального операционного усилителя. Типичное значение Vio для операционного усилителя 741 - 2 мВ. Ненулевое значение Vio нежелательно, потому что операционный усилитель усиливает любое входное смещение, таким образом вызывая больший выход dc ошибка.

Следующая методика может быть использована для измерения входного напряжения смещения. Вместо того, чтобы изменять входное напряжение, чтобы принудить выходной сигнал к нулю, вход устанавливается равным нулю, как показано на рисунке 16, и измеряется выходное напряжение.

операционные усилители, операционные усилители

Рисунок 16 - Методика измерения Vio

Выходное напряжение, возникающее в результате нулевого входного напряжения, называется выходное напряжение смещения постоянного тока. Входное напряжение смещения получается путем деления этой величины на коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя.

Эффекты входного напряжения смещения могут быть включены в модель операционного усилителя, как показано на рисунке 17.

В дополнение к входному напряжению смещения, идеальная модель операционного усилителя была дополнительно модифицирована с добавлением четырех сопротивлений. Ro это выходное сопротивление, входное сопротивление операционного усилителя, Riизмеряется между инвертирующей и неинвертирующей клеммами. Модель также содержит резистор, соединяющий каждый из двух входов с землей.

Это синфазные сопротивленияи каждый равен 2Rcm, Если входы соединены вместе, как показано на рисунке 16, эти два резистора параллельны, а суммарное сопротивление Thevenin к земле Rcm, Если операционный усилитель идеален, Ri и Rcm приблизиться к бесконечности (то есть, разомкнутой цепи) и Ro ноль (т. е. короткое замыкание).

Рисунок 17 - Входное напряжение смещения

Внешняя конфигурация, показанная на рисунке 18 (a), может использоваться для нейтрализации влияния напряжения смещения. Переменное напряжение подается на инвертирующий входной терминал. Правильный выбор этого напряжения отменяет смещение входа. Аналогичным образом, рисунок 18 (b) иллюстрирует эту схему балансировки, примененную к неинвертирующему входу.

практичные операционные усилители, операционные усилители

Рисунок 18 - Балансировка напряжения смещения

ЗАЯВЛЕНИЕ

Вы можете проверить балансировку напряжения смещения входа схемы 18 (a) путем имитации в режиме онлайн с помощью TINACloud Circuit Simulator, нажав на ссылку ниже.

Моделирование цепи балансировки входного смещения напряжения (a) с помощью TINACloud

Моделирование цепи балансировки входного смещения напряжения (a) с помощью TINACloud

Моделирование цепи балансировки входного смещения напряжения (a) с помощью TINACloud

ЗАЯВЛЕНИЕ

Вы можете проверить балансировку входного смещения схемы 18 (b) путем онлайн-моделирования с помощью TINACloud Circuit Simulator, нажав на ссылку ниже:

Моделирование схемы балансировки входного смещения напряжения (b) с TINACloud

Моделирование схемы балансировки входного смещения напряжения (b) с TINACloud

Симуляция цепи балансировки входного смещения (b) с TINACloud

5.4 Входной ток смещения (IСмещение)

Хотя идеальные входы операционного усилителя не потребляют тока, фактические операционные усилители позволяют некоторому току смещения поступать на каждую входную клемму. IСмещение это dc ток на входной транзистор, и типичное значение 2 мкА. Когда сопротивление источника низкое, IСмещение имеет небольшой эффект, поскольку вызывает относительно небольшое изменение входного напряжения. Однако в цепях возбуждения с высоким сопротивлением малый ток может привести к большому напряжению.

Ток смещения может быть смоделирован как два потребителя тока, как показано на рисунке 19.

операционные усилители, операционные усилители

Рисунок 19 - Балансировка напряжения смещения

Значения этих поглотителей не зависят от полного сопротивления источника. ток смещения определяется как среднее значение двух текущих стоков. таким образом

(40)

Разница между двумя значениями поглотителя известна как входной ток смещения, Iioи дается

(41)

И ток смещения на входе, и ток смещения на входе зависят от температуры. входной температурный коэффициент тока смещения определяется как отношение изменения тока смещения к изменению температуры. Типичное значение - 10 нА /oC. входной сдвиг, текущий температурный коэффициент определяется как отношение изменения величины тока смещения к изменению температуры. Типичное значение -2nA /oC.

операционный усилитель, операционный усилитель

Рисунок 20 - Модель тока смещения на входе

Входные токи смещения включены в модель операционного усилителя на рисунке 20, где мы предполагаем, что входной ток смещения незначителен.

То есть,

операционный усилитель, операционный усилитель

Рисунок 21 (a) - Схема

Мы анализируем эту модель, чтобы найти выходное напряжение, вызванное входными токами смещения.

На рисунке 21 (a) показана схема операционного усилителя, в которой инвертирующий и неинвертирующий входы соединены с землей через сопротивления.

Схема заменена ее эквивалентом на рисунке 21 (б), где мы пренебрегли Vio, Далее мы упростим схему на рисунке 21 (c), пренебрегая Ro и Rзагрузка, То есть мы предполагаем RF >> Ro и Rзагрузка >> Ro, Требования к выходной нагрузке обычно обеспечивают соблюдение этих неравенств.

Схема далее упрощена на рисунке 21 (d), где последовательная комбинация зависимого источника напряжения и резистора заменена параллельной комбинацией зависимого источника тока и резистора.

Наконец, мы объединяем сопротивления и переключаем оба источника тока обратно на источники напряжения, чтобы получить упрощенный эквивалент рисунка 21 (e).

операционный усилитель, операционный усилитель

Рисунок 21 (b) и (c) - Входные эффекты смещения

Мы используем уравнение петли, чтобы найти выходное напряжение.

(43)

в котором

(44)

Синфазное сопротивление, Rcm, находится в диапазоне нескольких сотен Мом для большинства операционных усилителей. Следовательно

(45)

Если мы далее предположим, что Go большое, уравнение (43) становится уравнением.

(46)

операционный усилитель, операционный усилитель

Рисунок 21 (d) и (e) - эффекты смещения на входе

Обратите внимание, что если значение R1 выбирается равным, тогда выходное напряжение равно нулю. Из этого анализа мы заключаем, что dc сопротивление от V+ на землю должен равняться dc сопротивление от V К земле, приземляться. Мы используем это баланс смещения ограничение много раз в наших проектах. Важно, чтобы как инвертирующие, так и неинвертирующие клеммы имели dc путь к земле, чтобы уменьшить влияние входного тока смещения.

Входной ток смещения, практический операционный усилитель, операционные усилители

Рисунок 22 - Конфигурации для примера 1

Пример 1

Найдите выходное напряжение для конфигураций рисунка 22, где IB = 80 нА = 8 10-8 A.
Решение: Мы используем упрощенную форму уравнения (46), чтобы найти выходные напряжения для схемы на рисунке 22 (a).

Для схемы рисунка 22 (б), мы получаем

ЗАЯВЛЕНИЕ

Кроме того, вы можете выполнить эти расчеты с помощью симулятора цепей TINACloud, используя инструмент интерпретатора, нажав на ссылку ниже.

Моделирование цепи моделирования тока смещения на входе

Моделирование цепи моделирования тока смещения на входе с помощью TINACloud

Моделирование цепи моделирования тока смещения на входе с помощью TINACloud

5.5 Синфазный отказ

Операционный усилитель обычно используется для усиления разницы между двумя входными напряжениями. Поэтому он работает в дифференциальный режим. Постоянное напряжение, добавленное к каждому из этих двух входов, не должно влиять на разницу и, следовательно, не должно передаваться на выход. В практическом случае эта постоянная или среднее значение входов приносит влияет на выходное напряжение. Если мы рассмотрим только равные части двух входов, мы рассматриваем то, что известно как общий режим.

операционный усилитель, операционный усилитель

Рисунок 23 - Общий режим

Предположим, что две входные клеммы фактического операционного усилителя соединены вместе, а затем с общим источником напряжения. Это показано на рисунке 23. В идеальном случае выходное напряжение будет равно нулю. В практическом случае этот вывод не равен нулю. Отношение ненулевого выходного напряжения к приложенному входному напряжению является усиление синфазного напряжения, Gcm, коэффициент отклонения синфазного режима (CMRR) определяется как отношение dc коэффициент усиления без обратной связи, Go, для усиления общего режима. Таким образом,

(47)

Типичные значения CMRR варьируются от 80 до 100 дБ. Желательно, чтобы CMRR был как можно выше.

5.6 Коэффициент отклонения питания

Коэффициент отклонения источника питания является мерой способности операционного усилителя игнорировать изменения напряжения источника питания. Если выходной каскад системы потребляет переменную величину тока, напряжение питания может изменяться. Это вызванное нагрузкой изменение напряжения питания может привести к изменениям в работе других усилителей, использующих тот же источник питания. Это известно как наводоки это может привести к нестабильности.

Ассоциация коэффициент отклонения питания (PSRR) коэффициент изменения vвнешний к общему изменению напряжения питания. Например, если положительный и отрицательный источники питания изменяются от ± 5 В до ± 5.5 В, общее изменение составляет 11-10 = 1 В. PSRR обычно указывается в микровольтах на вольт или иногда в децибелах. Типичные операционные усилители имеют PSRR около 30 мкВ / В.

Чтобы уменьшить изменения напряжения питания, источник питания для каждой группы операционных усилителей должен быть разъединены (то есть изолированные) от других групп. Это ограничивает взаимодействие одной группой операционных усилителей. На практике каждая печатная плата должна иметь обводные линии питания, заземленные через керамический конденсатор 0.1-мкФ или танталовый 1-мкФ. Это гарантирует, что колебания нагрузки не будут значительно подаваться за счет подачи на другие карты.

5.7 Выходное сопротивление

В качестве первого шага в определении выходного сопротивления, Rвнешниймы находим эквивалент тевенина для части схемы операционного усилителя, показанной в рамке, показанной пунктирными линиями на рисунке 24. Обратите внимание, что мы игнорируем ток и напряжение смещения в этом анализе.

(24)

Поскольку в схеме нет независимых источников, эквивалентное напряжение Тевенина равно нулю, поэтому схема эквивалентна одиночному резистору. Номинал резистора не может быть определен с помощью комбинации резисторов. Чтобы найти эквивалентное сопротивление, предположим, что к выходным выводам приложен источник напряжения v. Затем мы вычисляем результирующий ток, iи принять соотношение v/i, Это приводит к сопротивлению Тевенину.

операционный усилитель, операционный усилитель

Рисунок 25 (часть а) - Эквивалентные схемы Тевенина

операционный усилитель, операционный усилитель

Рисунок 25 (часть б)

 

 

 

 

 

 

 

На рисунке 25 (a) показан источник приложенного напряжения. Схема упрощена до той, что показана на рисунке 25 (б).

Схема может быть дополнительно уменьшена до показанной на рисунке 25 (c), где мы определяем два новых сопротивления следующим образом:

(48)

Мы делаем предположение, что Р'A << (Р'1 + Ri) и расширение Ri >> Р'1, Упрощенная схема результатов рисунка 25 (d).

Дифференциальное входное напряжение, vd, найдено из этой упрощенной схемы с использованием отношения делителя напряжения.

(49)

Чтобы найти выходное сопротивление, мы начнем с написания уравнения выходного контура.

(50)

операционный усилитель, операционный усилитель

Рисунок 25 (части c и d) - Сокращенные эквивалентные схемы Тевенина

Выходное сопротивление затем определяется уравнением (51).

(51)

В большинстве случаев, Rcm настолько велика, что Р'A»RA и R1"»R1, Уравнение (51) можно упростить, используя усиление напряжения нулевой частоты, Go, Результатом является уравнение (52).

(52)

ЗАЯВЛЕНИЕ

Вы можете рассчитать выходной импеданс схемы 25 (a) с помощью моделирования схемы с помощью TINACloud Circuit Simulator, щелкнув ссылку ниже.

Выходной импеданс имитации схемы операционного усилителя с TINACloud

Выходной импеданс имитации схемы операционного усилителя с TINACloud

Выходной импеданс имитации схемы операционного усилителя с TINACloud

 

Пример 2

Найдите выходное сопротивление буфера с единичным усилением, как показано на рисунке 26.

практичный операционный усилитель, операционные усилители

Рисунок 26 - буфер усиления Unity

 

Решение:  Когда схема рисунка 26 сравнивается с цепью обратной связи рисунка 24, мы находим, что

Следовательно,

Уравнение (51) использовать нельзя, поскольку мы не уверены, что в этом случае применимы неравенства, приводящие к упрощению рисунка 25 (c). То есть упрощение требует, чтобы

Без этого упрощения схема принимает форму, показанную на рисунке 27.

Буфер усиления Unity, практические операционные усилители, операционные усилители,

Рисунок 27 - Эквивалентная схема для буфера усиления Unity

Эта схема анализируется, чтобы найти следующие отношения:

В первом из этих уравнений мы предположили, что Ro<< (Р'1+Ri) << 2Rcm, Выходное сопротивление тогда дается

Где мы снова используем усиление напряжения нулевой частоты, Go.