Операційні підсилювачі

Операційним підсилювачем (ОП) називається диференціальний підсилювач електричних сигналів, у якого вихідна напруга пропорційна різниці вхідних напруг і (рис.8.1):

Рис.8.1.

,

де k – коефіцієнт посилення ОП по напрузі.

На електричній схемі ОП зображають у вигляді прямокутника

Вхід ОП, на який подається напруга U_х1, називається інвертуючим, а інший вхід, відповідно – неінвертуючим. Вихід ОП позначається U_у . Живлення ОП здійснюється від двополярного джерела живлення постійного струму, відповідно +U_ж та – U_ж . Струми, що протікають по вхідних ланцюгах ОП, визначаються вхідним опором ОП.

ОП є багатокаскадним підсилювачем постійного струму, що задовольняє таким умовам:

· коефіцієнт посилення по напрузі ОП прямує до нескінченності і в реальних схемах складає ;

· вхідний опір прагне до нескінченності;

· вихідний опір прагне до нуля (Rвых > 0), але в реальних схемах його типове значення для більшості схем ОП приймається рівним 2 кОм;

· якщо диференційна вхідна напруга ΔU = U_x2–U_x1 дорівнює нулю, то вихідна напруга прагне також до нуля .

Спрощена структурна схема ОП наведена на рис.8.2.

Рис.8.2.

ДК – вхідний дііфереційний каскад;

ПК – підсилювальний каскад;

ВК вихідний каскад.

Вхідний каскад виконується на базі диференційного підсилювача з однофазним виходом. Спрощена схема такого каскаду, що виконана на 2 комплементарних парах взаємно согласованих транзисторів наведена на рис.8.3.

Рис.8.3. Вхідний каскад на базі диференційного підсилювача з однофазним виходом.

Транзистори VT1 та VT2 першої пари включени за діференційною схемою, а другої – VT3 та VT4 утворюють простий відбивач струму. Тому що транзистори VT3 та VT4 взаємосогласовані, то U_бе3 = U_бе4, а також I_к3 = I_к4. При цьому вихідний струм дорівнює

I_вих = I_к4 – I_к2 = I_к1 – I_к2.

Підсилювальний каскад здійснює основне підсилювання ОП, тому він виконується на базі підсилювача, у якому здійснюється інтегрування аналогового сигналу. У ідеальному випадку на вході інтегратора формується приріст вихідного сигналу, пропорційний інтегралу вхідного сигналу

,

де Т – постійна часу.

Функцію інтеграції звичайно виконують за допомогою конденсатора С, оскільки приріст uc на ньому і струм Ic зв'язані співвідношенням:

Щоб побудувати інтегратор, необхідно вирішити два завдання схемотехніки: сформувати вихідний сигнал, пропорційний (або рівний) напрузі на конденсаторі і струм через конденсатор, пропорційний вхідному сигналу.

Найбільш поширені інтегратори Міллера, в яких конденсатор включається між входом і виходом інвертуючого підсилювача, реалізовуючи ємнісний зворотний негативний зв'язок.

Схема інтегрального підсилювача наведена на рис.8.4.

Рис.8.4.

В даній схемі транзистор VT1 включений за схемою з загальним колектором, а VT2 – з загальним емітером, що забезпечує великий вхідний опір та підвищений коефіцієнт підсилювання. При цьому якщо струм заряду конденсатора є незмінний, за допомогою джерела струму (Jo), то вихідна напруга буде змінюватися за лінійному закону – це дає назву лінійна інтегральна схема. Для покращення частотної характеристики у схемі передбачено опір R_пор.

Вихідний каскад повинен забезпечувати високу здатність навантаження. Тому для зниження потужності тієї, що виділяється ВК| його виконують по двотактній| схемі (рис.8.5).

Рис.8.5.

Недолік схеми – великі нелінійні спотворення в режимі малого сигналу.

Для зменшення нелінійних спотворень використовують підсилювальний режим класу АВ| (рис.8.6).

Рис.8.6. Схема вихідного каскаду ОП.

Для цього транзистори прочиняють, застосовуючи діодний зсув (VD1,VD2). Для захисту транзисторів VT1(VT2) від перевищення струму включені резистори R1,R2 і транзистори VT3, VT4. У нормальному режимі транзистори VT3(VT4). закриті При перевищенні струму через VT1(VT2) відкриваються відповідно VT3(VT4). і зменшують струм бази. При цьому U_R1(U_R2) не перевищує Uбе транзистора, що захищається, і вихідний струм обмежується величиной| Iвих = Uбе / R_1(2).

Розрізняють статичні і динамічні експлуатаційні параметри ОП.

Статичні параметри ОП несуть інформацію про характеристики і похибки ОП, які визначаються при повільній зміні сигналу. Основні статичні параметри ОП такі.

Коефіцієнт підсилення напруги Ku характеризує здатність ОП усилювати диференціальний сигнал, що подається на його входи:

Вхідна напруга зсуву Uзс _, обумовлена, в основному, неідентичністю транзисторів вхідного каскаду ОП. Наявність цієї напруги приводить до порушення умови _. Чисельно U_зс дорівнює значенню напруги, яку необхідну подати на вхід ОП, щоб вихідна напруга дорівнювала нулеві. Типове значення U_зс складає одиниці або десятки мілівольт, а для прецизійних ОП (наприклад К140УД17, К140УД25) – не більше декількох десятків мікровольт.

Вхідний струм (Iвх) - струм, який протікає у вхідному ланцюзі ОП для забезпечення необхідного режиму його роботи. Типове значення Iвх приймає значення від декількох десятків наноампер до декількох мікроампер.

Різниця вхідних струмів ΔI_вх = / I_вх1-I_вх2/ - струм зсуву, обумовлений неоднозачністю величин коефіцієнтів посилення транзисторів вхідних каскадів ОП. Типові значення - від десятків мікроампер до одиниць наноампер.

Коефіцієнт п ослаблення синфазного сигналу, визначається як відношення напруги синфазного сигналу, поданого на обидва входи ОП, до диференціальної вхідної напруги, яка забезпечує на виході такий же сигнал, що і у разі синфазної напруги:

До основних динамічних параметрів, що характеризують швидкодію ОП, відносяться наступні параметри:

Частота одиничного підсилення f_max - значення частоти, на якій модуль коефіцієнта підсилення ОП рівний одиниці. Типове значення f_max лежить в діапазоні 10⁵- 10⁶ Гц,

Швидкість зміни вихідної напруги - максимально можлива швидкість зміни вихідної напруги в разі подачі на вхід ОП імпульсу прямокутної форми. Для найпоширеніших типів ОП значення знаходиться в діапазоні 0.1 – 10 В/мкс.

Експлуатаційні параметри ОП визначають допустимі режими роботи його вхідних і вихідних ланцюгів, а також вимоги до напруги живлення.

У переважній більшості випадків ОП працює в сукупності з електричними ланцюгами, що пов'язують його вихід з інвертуючим входом і утворюючими таким чином негативний зворотний зв'язок.

Дата добавления: 2014-01-07