Операційний підсилювач

Термін “операційний підсилювач” відноситься до підсилювачів ППС з великим коефіцієнтом підсилення і таких, що мають диференціальний вхід (два вхідних виводи) і один вихід.

Назва підсилювачів пов'язана з початковим їх застосуванням, головним чином, для виконання різних операцій з аналоговими сигналами

Умовне позначення ОППС

Один із входів U_вх.н (+) називають неінвертуючим, а другий U_вх.н (-) інвертуючим.

При подачі сигналу на неінвертуючий вхід приріст вихідної напруги співпадає за знаком (фаза) з вхідним. Якщо сигнал подано на інвертуючий вхід, то приріст має протилежний знак (фазу) у порівнянні з приростом .

Вхід, що інвертує, використовують для введення зовнішніх зворотних зв'язків.

Основу операційного підсилювача складає диференціальний каскад, застосований у якості вхідного.

Як вихідний каскад використовують емітерний повторювач.

Крім названих каскадів ОП містить ще кілька каскадів для збільшення коефіцієнта підсилення.

Крім того ОП можуть містити каскади спеціального призначення: джерела стабільного струму, зрушення рівня, уведення зворотного зв'язку.

Принципова схема ОП представлена на рис.

Живлення схеми здійснюється від двох джерел +Е_К1 і -ЕК₂ з однаковою напругою, при чому джерела мають загальну точку.

Вхідний підсилювач виконаний за диференціальною схемою на Т1-Т2.

Виходи цього каскаду з'єднані з входами другого диференціального каскаду зібраного на транзисторах Т5-Т6, при чому резистор у ланцюзі колектора Т5 відсутній, тому що вихідний сигнал знімається тільки з колектора Т6.

Транзистори Т7, Т8 утворять керований дільник емітерного повторювача зібраного на транзисторі Т9.

Крім того транзистор Т2 забезпечує ДЗЗ, збільшуючи коефіцієнт підсилення підсилювача.

Резистор R5 у ланцюзі эмиттеров Т5-Т6 служить для створення комплексувальної напруги транзистора Т2.

Дільник Т7-Т8 працює в такий спосіб:

При подачі на вхід неінвертуючого сигналу у виді позитивної напівхвилі U, на базі транзистора Т7 буде спостерігатися посилена напівхвиля вхідної напруги. Полярність прикладеної напруги до бази транзистора Т7 викликає його відкриття, що приводить до зменшення опору верхнього плеча дільника, а отже до збільшення струму I_K транзистора Т9.

Одночасно відбувається закриття транзистора Т8, тому що збільшується потенціал емітера Т8 унаслідок збільшення спадання напруги на резисторі R12. У такий спосіб зазначена полярність вхідної напруги відкриває Т7 і закриває Т8. Легко довести, що при дії негативної напівхвилі на вході Т7 закривається, Т8 – відкривається. Така зміна опорів дільника емітерного повторювача приводить до зміни полярності вихідної напруги U_вих. При чому максимальне значення вихідної напруги в першому випадку близько до +Е_К1, а в другому – до -ЕК₂.

Операційні підсилювачі характеризуються вихідними, вхідними, енергетичними, дрейфовими, частотними і швидкісними параметрами.

Найбільш істотними є:

1. Передаточна характеристика ОП.

Вона показує, як змінюється вихідна напруга від вхідної при подачі U_вх на різні входи.

мал. 2.41

Амплітудні характеристики мають дві ділянки:

ділянка 1 характеризується пропорційною залежністю між вхідною і вихідною напругою і є робочою ділянкою ОП у режимі підсилювача.

Відношення збільшення вихідної напруги до збільшення вхідної напруги дає коефіцієнт підсилення по напрузі ОП

.

Для початку ділянки 1 справедливе співвідношення

.

Значення K_U ОП залежить від типу підсилювача і знаходиться в межах 1´10³…1´10⁵...

На рис. 2.41 представлені амплітудні характеристики ідеального ОП (немає дрейфу).

У реальних ОП ці характеристики зміщені відносно початку координат

Причиною зміни положення амплітудної характеристики є розбаланс каскадів підсилення в результаті чого з'являється напруга зсуву при .

Поява викликана різницею параметрів підсилювача, а зміна з часом викликається «дрейфом нуля».

Для компенсації в підсилювачі вводять зовнішні ланцюги.

2. Максимальна диференціальна вхідна напруга

Це напруга подавана між входами підсилювача, що не приводить до виходу з ладу транзисторів ДП.

Для захисту ОП від цієї напруги застосовують зустрічно-паралельне включення двох діодів чи стабілітронів.

Так само как і в ДП якість ОП оцінюється вихідною синфазною погрішністю, що оцінюється коефіцієнтом ослаблення синфазного сигналу КПРС.

Вихідними параметрами ОП є максимальний вихідний опір і струм.

ОП володіють повними вихідними опорами, що добре погодиться з малими вхідними опорами навантаження. Іншими словами – ОП таким чином використано как попередній підсилювач у підсилювачах потужностей. Малий вхідний опір забезпечується застосуванням ЕП на виході.

Максимальна вихідна напруга ОП близько до напруги джерел живлення .

Максимальний вихідний струм ОП характеризується транзистора ЕП (емітерного повторювача).

Енергетичні параметри ОП оцінюються сумарною споживаною потужністю від обох джерел живлення.

Частотні параметри ОП оцінюються підсиленням гармонійних сигналів, а посилення імпульсних сигналів визначається його динамічними властивостями.

Частотні параметри ОП визначаються АЧХ рис. А

- частота зрізу, де спостерігається зменшення амплітуди вихідного сигналу

- вища частота смуги; смуга пропуску ОП

- це частота, при якій подальше збільшення частоти приводить до зменшення

К

Причиною спаду характеристики є частотні властивості транзистора і передаточних ємностей у схемі ОП.

Частота f₁, при якій K_U=1 називається частотою одиничного посилення підсилювача. Як і для звичайних підсилювачів - верхня частота обумовлена на рівні .

Ця частота визначає смугу частот, посилювану підсилювачем.

Сучасні ОП мають смугу до десятка Мгц.

ФЧХ (рис. б) показує, що на частоті зрізу з підвищенням частоти кут зрушення між вхідною і вихідною напругою стає більше і на якійсь зовнішній частоті цей кут може стать рівним . Це приводить до самозбудження підсилювача.

Для усунення цього в ОП передбачені зовнішні ланцюги корекції.

Динамічними параметрами ОП є:

- швидкість наростання вихідної напруги . Ця швидкість визначається на ділянці

- час установлення вихідної напруги (час перехідного процесу) цей час, протягом якого вихідна напруга змінюється від

Для сучасних підсилювачів

- швидкість

_- час установлення

Ці параметри приводяться в паспорті підсилювача.

Розгляд ОП показало, що він має

- великі коефіцієнти підсилення

_- великим вхідним і малим вихідним опорами, що є перевагою ОП.

Ця перевага дозволила набути широкого застосування ОП у вимірювальній техніці і пристроях автоматики.

Розглянемо типові схеми включення ОП.