Теоретичні відомості до лабораторної роботи. Операційний підсилювач (ОП) – це багатокаскадний підсилювач постійного струму з великим коефіцієнтом підсилення за напругою

Операційний підсилювач (ОП) – це багатокаскадний підсилювач постійного струму з великим коефіцієнтом підсилення за напругою , що має два входи та один вихід. Два варіанти умовної позначки ОП показані на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Схематичне позначення операційних підсилювачів

До структури ОП (рис. 6.3) входять: вхідний симетричний диференційний каскад, який зменшує дрейф нуля і має два входи: інвертуючий u _ВХ1 і неінвертуючий u _ВХ2 (СДК), несиметричний диференційний каскад, що здійснює підсилення сигналу (НДК) та емітерний повторювач для забезпечення необхідної потужності вихідного сигналу (ЕП).

Рис. 6.3. Структурна схема ОП

Один з входів ОП називається інвертуючим, а інший – неінвертуючий. При подачі вхідного сигналу на інвертуючий вхі д, вихідний сигнал буде змінюватися в протифазі із вхідним. При подачі вхідного сигналу на неінвертуючий вхід, вихідний сигнал буде зміняться у фазі із вхідним. Дана властивість операційного підсилювача ілюструється передавальною характеристикою ОП (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Передавальні характеристики операційного підсилювача

Передавальна характеристика – це залежність вихідної напруги підсилювача від вхідної (рис. 6.4). Оскільки підсилювач має два входи (прямий та інвертуючий), то ця характеристика відображає роботу ОП при поданні сигналу на кожний вхід окремо. Горизонтальні ділянки характеристики відповідають режиму відкритого або закритого стану транзистора вихідного каскаду (ЕП на рис. 6.3). При цьому величина вихідного сигналу обмежується максимальним значенням напруги на виході ОП додатного () чи від’ємного () значення, яке досягає (0,9 0,95) напруги джерела живлення U. На цих ділянках зміна вхідного сигналу не буде викликати зміни вихідного сигналу, тобто напруга на виході буде залишатись сталою.

На похилих ділянках передавальної характеристики величина вихідної напруги буде визначатися коефіцієнтом підсилення за напругою ОП без зворотного зв’язку k_{U. ОП}:

.

У випадку наявності сигналів на обох входах ОП, його вхідна напруга визначатиметься алгебраїчною сумою напруг на цих входах

.

В цьому випадку

.

Під час розрахунку схем на базі ОП без великої похибки можна приймати, що . При застосуванні ОП в схемах імпульсної техніки важливим є значення вихідної напруги. Оскільки в імпульсній техніці рівні вхідних сигналів є більші за ті значення, які відповідають похилій ділянці передавальної характеристики, то вихідна напруга ОП визначається додатним чи від’ємним значеннями.

Для живлення ОП необхідне двополярне джерело живлення з нульовою точкою. У зв'язку із цим, вхідний і вихідний сигнали відносної нульової точки можуть мати довільну полярність. При , тому ОП можна з'єднувати послідовно, використовуючи безпосередній зв'язок між ними.

Існує поняття – ідеальний операційний підсилювач, якому відповідає ОП з наступними параметрами:

= коефіцієнт підсилення за напругою

= коефіцієнт підсилення за струмом

= вхідний опір

= вихідний опір .

Сучасні ОП в мікроелектронному інтегральному виконанні мають досить високі якісні показники і за своїми параметрами наближаються до ідеального ОП. Тому при аналізі схем на ОП можна без особливої похибки вважати параметри реального ОП таким ж, як і ідеального.

Відомо, що коефіцієнт підсилення підсилювача з ланцюгом негативного зворотного зв'язку (НЗЗ) визначається виразом , де – коефіцієнт підсилення підсилювача без зворотного зв'язку, – коефіцієнт передачі кола зворотного зв'язку. Оскільки для ОП , можна вважати, що , тобто властивості ОП з ланцюгом зворотного зв'язку визначаються в основному тільки ланцюгом зворотного зв'язку. Саме на застосуванні зовнішніх ланцюгів зворотного зв'язку засноване використання ОП у різних пристроях.

Далі розглядаються основні схеми на базі операційних підсилювачів, які в інтегральному виконанні широко застосовуються при побудові цілого ряду аналогових та цифрових пристроїв.

Компаратор (схема порівняння)

Компаратор – це елемент порівняння, який широко застосовується в системах контролю та автоматичного керування і відноситься до елементів імпульсної техніки. Компаратор, виконаний на базі ОП (рис. 6.5.а), порівнює змінну напругу , яка подається на один із входів (переважно на інвертуючий) із опорною напругою (наперед заданою) , яка подана на інший вхід. Опорна напруга є незмінною в часі, додатної чи від’ємної полярності. Коли вихідна напруга ОП змінює свій знак на протилежний. Тому компаратор ще має назву "нуль-орган", оскільки зміна полярності вихідної напруги відбувається в момент коли .

а) б)

Рис. 6.5. Схема компаратора (а) та його часові діаграми (б)

Оскільки вхідна напруга подається на інвертуючий вхід, то полярність вихідної напруги буде протилежною до полярності напруги на вході ОП.

Напруга на інвертуючому вході ОП для випадку сигналів, наведених на рис. 6.5.б, визначається наступним чином:

.

До моменту часу від 0 до (рис. 6.5.б) (оскільки ), тому вихідна напруга компаратора . В проміжку часу від до вхідна напруга компаратора , тому .

В реальних пристроях для того, щоб перевести ОП з одного насиченого стану в протилежний, при якому вихідна напруга зміниться на , різниця вхідних напруг повинна рівнятися . Нехай , . Отже має бути . Таким чином, як тільки різниця між вхідними напругами і стане більшою за 2 мВ, ОП перемкнеться з одного насиченого стану в протилежний. Перемикання компаратора буде сигналом того, що напруги, які подаються на вхід, рівні між собою з точністю . Чим більший коефіцієнт ОП, тим більш чутливим (прецизійним) буде компаратор. Таким чином, компаратор застосовується для порівняння напруг, що подаються на його входи.