Передаточные характеристики и коэффициент усиления ОУ

Важная характеристика операционного усилителя — передаточная характеристика (ПХ) — зависимость выходного напряжения от напряжения на одном из входов (или напряжения между входами) t/_Bblx(t/_BX).

На рис. 3.1.3 приведены скриншоты схемы (а), окна задания режима анализа DC Sweep (б) и окна с координатами точек пересечения визирных вертикальных линеек (в) с ПХ на рис. 3.1.4 по инвертирующему входу для ОУ LM741.

Рис. 3.1.3. К моделированию в программе EWB передаточной характеристики ОУ по инвертирующему входу.

Рис. 3.1.4. Передаточная характеристика ОУ по инвертирующему входу (EWB).

Источник сигнала VI, включенный между инвертирующим входом ОУ и «землей» (см. рис. 3.1.3, а), в режиме DC Sweep программы EWB создает постоянное напряжение U_BX = t/_BXИ11В, которое изменяется от -100 до +100 мкВ с шагом 1 мкВ (см. рис. 3.1.3, б).

На рис. 3.1.4 вертикальными линиями 1 и 2 ограничен линейный участок ИХ со значениями U_{Bxi мин} = -37 мкВ, U_mHtKC = 11,03 В слева и ?/", _макс = = 74 мкВ, [/_выхмин = - 10,99 В справа (на рис. 3.1.3, в, соответственно, это координаты х1 и yl, х2 и у2). Заметим, что с увеличением входного напряжения выходное напряжение уменьшается, т. е. входное и выходное напряжения противофазные, так как вход инвертирующий.

На линейном участке в интервале t/_BX от -37 до 74 мкВ коэффициент усиления операционного усилителя.

Линейный участок передаточной характеристики ОУ расположен несимметрично относительно точки 17_VMlill = 0. В этой точке J7_BVMlie ~ 20 мкВ. Это отклонение называют смещением нуля, а соответствующее значение входное напряжения — входным напряжением смещения /У_вхсм. Его значение индивидуально для каждого ОУ и определяется рядом факторов. Современные ОУ позволяют при необходимости уменьшить ?/_вхсм дополнительной подстройкой.

Для получения передаточной характеристики ОУ по неинвертирующему входу проводят эксперимент по схеме, представленной на рис. 3.1.5, а. Входное напряжение t/_BX = U_mHemiB.

Рис. 3.1.5. К моделированию в программе EWB для получения передаточной характеристики ОУ по неинвертирующему входу:

а — схема опыта; б — таблица для точек характеристик 1 и 2.

Передаточная характеристика ОУ по неинвертирующему входу изображена на рис. 3.1.6.

Рис. 3.1.6. Передаточная характеристика ОУ по неинвертирующему входу

По ИХ на рис. 3.1.6 с учетом данных на рис. 3.1.5, 6 получаем.

Входное напряжение смещения равно U_mcM ~ -20 мкВ.

Вывод: О У обладает одинаковыми значениями коэффициента усиления по обоим входам.

В ряде случаев напряжение сигнала поступает на оба входа ОУ, как на рис. 3.1.7, а. Здесь U_m = U_nwm — U_mma.

В этой схеме передаточная характеристика практически совпадает с передаточной характеристикой по неинвертирующему входу на рис. 3.1.6.

Рис. 3.1.7. К моделированию в программе EWB для получения передаточной характеристики ОУ по дифференциальному входу (переключатель К в позиции 1):

а — схема опыта; б — таблица для точек характеристик 1 и 2 Пример 3.1.1

Определить коэффициент усиления ОУ и напряжение смещения нуля по ПХ на рис. 3.1.8 и значениям напряжений на рис. 3.1.7, 6.

Рис. 3.1.8. Передаточная характеристика ОУ по дифференциальному входу

Решение

По ПХ на рис. 3.1.8 с учетом данных на рис. 3.1.7, б получаем.

Входное напряжение смещения равно U_oxсм ~ -20 мкВ.

В рассмотренных в примере и выше случаях максимальное выходное напряжение ОУ не выходит из интервала (-11 В; +11 В). Это значение близко к напряжениям источников питания ОУ -12Ви+12 В, но меньше их U_Bы_Хмакс ~ 0>9f/_n. Для любого ОУ максимальное напряжение на выходе не может превышать напряжения источников его питания {/_п, так как в ОУ отсутствуют источники энергии. По сути это нелинейный резистивный элемент, регулирующий расход энергии источников постоянного тока. Практически для реального ОУ по техническому паспорту можно узнать его предельное допустимое значение U_n и соответствующее предельное значение t/_{BbIX макс}.

Рассмотренный вариант подачи сигнала по дифференциальному входу может быть совмещен с одновременным наличием сигнала «общего вида».

(синфазный сигнал), как на рис. 3.1.7, а источник V4 (переключатель К в позиции 2).

Семейство передаточных характеристик на рис. 3.1.9 получено при трех значениях напряжения источника сигнала общего вида V4 = -0,1; 0; 0,1 В. Этот сигнал подается одновременно на оба входа ОУ и не должен вызывать выходного напряжения. Однако хотя и в малой степени, но он изменяет U .

вых.

Рис. 3.1.9. Передаточные характеристики ОУ по дифференциальному входу при изменении напряжения сигнала общего вида с шагом 100 мВ (EWB).