Можно ли при выборе ОУ руководствоваться только двумя параметрами:  скорость нарастания и полоса пропускания?

Не всегда. Как правило, операционные усилители характеризуются как минимум 30 параметрами. Какие из наиболее важны – зависит от приложения. При выборе усилителя важно понимать не только сами показатели, но и условия, в которых они были измерены. Среди производителей нет единообразия в представлении данных. При сравнении ОУ важно учитывать условия испытаний и требования конкретного приложения. Поскольку вопрос касался полосы пропускания и скорости нарастания выходного напряжения, остановимся на них.

Представление, что чем шире полоса, тем лучше, неверно. Если полоса пропускания шире, чем требуется, иначе частота генерации будет лежать гораздо ниже, чем требуется.

Еще один очень важный параметр ОУ называется скорость нарастания напряжения на выходе. Этот параметр описывает быстродействие ОУ. Данный параметр характеризует, насколько быстро может меняться напряжение на выходе при изменении входного сигнала. Если быстродействие усилителя недостаточно, возникают нелинейные искажения.

Рис.1. Зависимость искажения от частоты для ОУ с разной шириной полосы пропускания

Необходимо соблюдать осторожность при использовании резисторов больших номиналов в цепи обратной связи, потому что они взаимодействуют с входной ёмкостью ОУ и создают полюса с отрицательной обратной связью, а так же полюса и нули с положительной обратной связью. Резисторы больших номиналов могут сдвигать эти полюса и нули ближе к частоте генерации и воздействовать на сдвиг фаз.

Скорость нарастания сигнала должна быть больше чем 2πV_Pf₀, где V_P — это пиковое напряжение и f₀ — частота генерации; в противном случае выходной сигнал будет искажён.

Можно ли использовать усилитель для ослабления сигнала?

Одно из ценных свойств ОУ – преобразование импеданса. Это наиболее выгодно оно используется в случаях, когда на входе ОУ пассивный ослабитель или сам усилитель работает в этом режиме. Надо иметь в виду несколько моментов.

Во-первых, если сопротивления в контуре ОС большие, то возникают проблемы, связанные с шумом, напряжением смещения и стабильностью. Большие сопротивления, входное сопротивление усилителя и паразитная емкость создают полюс на АЧХ, из-за которого увеличивается фазовый сдвиг. Когда запас по фазе становится недостаточным, усилитель работает нестабильно.

Вторая проблема – шум. Коэффициент шума рассчитывается по той же формуле, что и коэффициент усиления неинвертирующего усилителя, т.е. при коэффициенте усиления -0,5 коэффициент шума 1,5. Необходимо обеспечить запас по фазе не менее 45°.

Ослабитель – это усилитель с коэффициентом усиления менее 1. Усилитель конфигурируется как инвертор с коэффициентом усиления G_inv: G = –R2/R1.

В неинвертирующем режиме коэффициент усиления не может быть меньше единицы: G=(R2/R1)+1.

Рис. 2. Усилитель в неинвертирующем включении

Другой способ получить ослабитель – поставить пассивный ослабитель на входе неинвертирующего усилителя либо использовать дифференциальный усилитель. В обоих случаях G = R2/R1.

Как правильно подключать неиспользуемые усилители в ИС, содержащих несколько усилителей?

Это не такой простой вопрос, как может показаться на первый взгляд. Если усилитель перегружен, выходной каскад насыщается на одном из напряжений питания.

Если все входы лишнего усилителя «висят» (не подключены), возникает риск того,что паразитные электростатические поля создадут сигнал на входе, превышающий размах напряжения питания. Может произойти защелкивание и разрушение ИС. Если даже этого не произойдет, поле постоянного сигнала может вызвать насыщение и трату энергии. Кроме того, усилитель может усиливать поле переменного сигнала, и если ОУ перегружен, его собственный ток питания будет модулирован, возникнут перекрестные помехи для других усилителей на кристалле.

Иногда подключают один из входов к положительному питанию, а другой – к отрицательному. Такая конфигурация также приводит к насыщению и увеличению потребления.

Заземлять оба входа или закорачивать их также не является оптимальным решением. Поскольку напряжение смещения ОУ не равно нулю, то может произойти насыщение каскада, как и в предыдущем случае.

Рис. 3. Повторитель сигнала

Наиболее удачным решением является подключение ИС в качестве повторителя (выходной сигнал на инвертирующий вход) и подключить неинвертирующий вход к потенциалу, не превышающему напряжение питания. Если питание двуполярное, лучше всего заземлить этот вход.

Почему усилители с обратной связью по напряжению используются чаще чем с токовой?

Вряд ли на это есть объективные причины. Это вопрос привычки. Программа обучения построена так, что в качестве примеров и учебных схем используются именно усилители с обратной связью по напряжению. Соответственно, молодые специалисты больше с ней знакомы.

На перечисление всех причин ушло бы много времени, остановимся на основных моментах.

Для усилителей с ОС по напряжению (ОСН) произведение коэффициента усиления на полосу пропускания постоянно. Для усилителей с токовой ОС это не так, поэтому с их помощью можно получать высокий коэффициент усиления и большую полосу.

У ОУ с ОСН оба входа имеют высокий импеданс, в усилителях с ОСТ – только неинвертирующий. По сравнению с ОУ с ОСН усилители с токовой ОС имеют широкую полосу пропускания и очень крутую АЧХ, резистор в контуре ОС сильно влияет на стабильность схемы, поэтому к выбору номиналов следует подходить очень ответственно.