Перейти к содержанию

Усиление без обратной связи (AVOL)

Операционный усилитель усиливает разность напряжений на входах в сотни тысяч раз. Это усиление без обратной связи почти никогда не используют напрямую, но от него зависит, насколько точно работает схема с обратной связью.

Обновлено Редакция GAW

Усиление без обратной связи (open-loop voltage gain, AVOL, у TI — AVD, large-signal differential voltage amplification) — во сколько раз операционный усилитель усиливает разность напряжений на своих входах, когда обратной связи нет. Оно огромно, поэтому в даташитах его записывают в вольтах на милливольт: 200 В/мВ — это 200 000 раз, или около 106 дБ.

Значения из даташитов при постоянном токе:

МикросхемаУсловияГарантированный минимумТипично
LM741 (TI)±15 В, нагрузка от 2 кОм50 В/мВ, 25 во всём диапазоне200 В/мВ
LM741C (TI)±15 В, нагрузка от 2 кОм20 В/мВ, 15 во всём диапазоне200 В/мВ
LM358 (onsemi)15 В, нагрузка 2 кОм25 В/мВ, 15 во всём диапазоне100 В/мВ
LM311, компаратор (TI)нагрузка 1 кОм40 В/мВ200 В/мВ

Разброс между минимумом и типовым значением — в несколько раз, а с нагревом минимум падает ещё. Расчёт точности ведут по гарантированному минимуму.

Зачем оно нужно. Схемы на ОУ работают с отрицательной обратной связью, и их усиление задают резисторы: например, у неинвертирующего усилителя 1 + R2/R1. Но это идеальная формула. Реальное усиление чуть меньше, и относительная ошибка примерно равна отношению шумового усиления схемы к собственному усилению ОУ:

ε≈GAVOL.\varepsilon \approx \frac{G}{A_{VOL}}.

Для усилителя с G = 100 на LM358 с гарантированными 25 В/мВ ошибка — около 100 / 25 000 = 0,4 %. С ростом заданного усиления ошибка растёт, поэтому каскад с большим усилением иногда делят на два.

Зависимость от частоты. Значения в таблицах — для постоянного тока. Внутренняя коррекция, обеспечивающая устойчивость, заставляет усиление спадать с частотой, и на высоких частотах его характеризуют произведением усиления на полосу. Там ошибка схемы растёт.

У компаратора большое усиление нужно для другого: чтобы милливольты на входе переключали выход на весь размах. Подробнее — в статье об операционном усилителе и в разделе «Операционные усилители».

Частые вопросы

Что значит усиление 200 В/мВ?

200 вольт выходного напряжения на каждый милливольт разности на входах, то есть 200 000 раз, или около 106 дБ. Так TI записывает типовое усиление LM741. Гарантированный минимум меньше — от 50 В/мВ у LM741 и от 25 В/мВ у LM358 по onsemi, — и считать нужно по нему.

Зачем нужно большое усиление без обратной связи, если его не используют?

Оно определяет точность схемы с обратной связью. Чем больше собственное усиление по сравнению с заданным резисторами, тем ближе реальное усиление к расчётному. Относительная ошибка примерно равна отношению заданного усиления к собственному: при усилении 100 и собственном 25 000 это около 0,4 %.

Почему усиление без обратной связи падает с частотой?

Из-за внутренней частотной коррекции, которая делает ОУ устойчивым. Значения в В/мВ в даташите — для постоянного тока или низкой частоты; с ростом частоты усиление спадает, и произведение усиления на частоту остаётся примерно постоянным. Поэтому на высоких частотах ошибка схемы растёт.

Источники

  1. Texas Instruments. LM741 Operational Amplifier (SNOSC25D, revised October 2015) — разд. 6.5–6.7 — усиление при ±15 В, выходе ±10 В и нагрузке от 2 кОм: LM741 от 50 В/мВ (25 во всём диапазоне), 200 типично; LM741C от 20 В/мВ (15 во всём диапазоне)
  2. onsemi. LM358, LM258, LM2904, NCV2904: Single Supply Dual Operational Amplifiers (LM358/D, Rev. 36, September 2024) — AVOL при VCC = 15 В, нагрузке 2 кОм и большом размахе: LM258 от 50 В/мВ, LM358 от 25 В/мВ при 25 °C, 100 В/мВ типично; во всём диапазоне температур — от 25 и 15 В/мВ
  3. Texas Instruments. LM111, LM211, LM311 Differential Comparators (SLCS007K, revised March 2017) — разд. 6.6 — усиление компаратора 200 В/мВ типично, от 40 В/мВ, при выходе 5–35 В и нагрузке 1 кОм

Нашли ошибку?

Смотрите также