5.6. Підсилювачі постійного струму й операційні підсилювачі

Якщо миттєві значення сигналу змінюються дуже повільно, то нижня гранична частота смуги пропускання підсилювача має прямувати до нуля. З цією метою каскади підсилювачів з'єднують між собою без роздільних конденсаторів, а в допоміжних колах транзисторів блокувальні конденсатори не застосовують. Такі підсилювачі називають підсилювачами постійного струму. В них треба узгоджувати режими роботи всіх активних елементів в умовах деякої нестабільності характеристик транзисторів, зміни напруг та інших зовнішніх діянь. Наявність багатьох дестабілізуючих факторів спричинює дрейф РТ транзистора, до якого особливо чутливі вхідні каскади підсилювача. Це призводить до того, що через безпосередні зв'язки між каскадами навіть невелика зміна струму в першому каскаді суттєво зміщує РТ транзисторів у наступних каскадах підсилювача.

Найвагоміша складова дрейфу струму транзистора породжується залежністю його статичних характеристик від температури. Отже, однією з проблем побудови ППС є

Рис. 5.19.Принципова схема диференціального ППС (а) та її еквіваленти при

диференціальному (б) і синфазному (в) сигналах

компенсація температурного дрейфу РТ транзистора В першу чергу це стосується диференціальних підсилювачів, елементи яких виконано за загальною технологією на спільній напівпровідниковій пластині Крім компенсації завдяки єдиній структурі та чистоті вихідного матеріалу тут суттєве значення має схема побудови каскаду, яка, як це буде показано нижче, зменшує синфазні завади та дестабілізуючі фактори.

Диференціальним називають такий ППС, що підсилює різницю двох напруг (рис. 5.19, а). В ідеальному випадку схема повністю симетрична При малих вхідних сигналах транзистори працюють у лінійних режимах

Розглянемо коефіцієнт передачі й особливості роботи схеми під дією диференціальної U_{д. вх} і синфазної U_{с. вх} вхідних напруг:

(5.26)

Розбиваємо схему (див. рис. 5.19, а) на дві пів-схеми й аналізуємо їхні еквіваленти при диференціальному (рис. 5.19, б) та синфазному (рис. 5.19, в) сигналах.

При диференціальному сигналі (маємо на входах однакові за амплітудою, але протилежні за фазою напруги U₁, U₂) прирости напруг у точках d₁ та d₂ будуть однаковими і протилежними за знаком, тобто потенціал на лінії d₁ - d₂ залишається незмінним і може бути умовно прийнятий за нульовий. Таким чином, аналіз схеми зводиться до розгляду двох однакових незалежних підсилювачів з послідовним негативним 33 за струмом. Коефіцієнт 33 в кожному каскаді

(5.27)

а коефіцієнт підсилення диференціальної напруги

(5.28)

Для синфазного вхідного сигналу U₁ -U₂ потенціали в точках d₁ та d₂ однакові, а струм у лінії, що їх з'єднує, дорівнює нулю, тобто аналіз роботи схеми при синфазній напрузі можна провести при розірваній лінії d₁ - d₂ .Диференціальний підсилювач у цьому разі розпадається на два підсилювачі (рис. 5.19, в) з послідовним 33 за струмом. Коефіцієнт 33 в кожному каскаді

(5.29)

а коефіцієнт підсилення синфазної напруги

(5.30)

Із порівняння (5.29) і (5.30) випливає, що підсилювальні властивості каскаду відносно синфазного та диференціального сигналів суттєво різні. Схема підсилює диференціальні й ослабляє синфазні сигнали. Коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу

(5.31)

Усі завади та дестабілізуючі фактори (в тому числі дрейф РТ) діють на обидва входи схеми однаково, тобто синфазно. Тому завдяки властивостям схеми їхня дія в диференціальному ППС значно послаблюється. Для збільшення коефіцієнта ослаблення синфазного сигналу замість резистора R₀ в схему можна ввімкнути стабілізатор струму на транзисторі, внутрішній опір якого практично необмежений.

У практичних схемах напругу джерела живлення та елементи вибирають такими, щоб при U₁ = U₂ = 0 напруга на виході теж дорівнював нулю. Це дає змогу використовувати диференціальні каскади для побудови ППС з дуже великим коефіцієнтом підсилення, з'єднувати безпосередньо кілька таких підсилювачів, тобто диференціальний ППС застосовується як базова схема аналогових мікросхем і, перш за все, мікросхем ОП.

Термін «операційний підсилювач» раніше стосувався конкретного типу підсилювача, що використовувався в аналогових обчислювальних машинах для виконання суто математичних дій (наприклад, додавання, віднімання, диференціювання, інтегрування).

У сучасній технічній термінології під ОП розуміють ППС з великі: коефіцієнтом підсилення (понад 10 000), двома високоомними входами, одним основним низькоомним виходом і кількома проміжними коректувальними виходами.

Ідеальний ОП має забезпечувати:

• лінійне підсилення сигналів без спотворень до деякого досить високого рівня на виході (тобто його динамічний діапазон має бути великій при мінімальних шумах);

• великий початковий коефіцієнт підсилення напруги ( );

• великий вхідний опір ( );

• малий вихідний опір ( );

• рівномірну в досить широкій смузі частот від АЧХ, яка дуже швидко спадає за верхньою граничною частотою;

• дуже малу зміну напруги на виході та коефіцієнта підсилення під впливом дестабілізуючих факторів (зміна температури, напруги живлені тощо).

Реальні інтегральні ОП досить повно відповідають ідеальному ППС Структурно ОП складається з трьох частин:

• одно- або двокаскадного диференціального підсилювача на вход, що забезпечує великий коефіцієнт підсилення напруги і великий вхідний опір при наявності двох входів;

• підсилювача на виході, який забезпечує підсилення потужності й має досить малий вихідний опір (це — найчастіше одно- або двокаскадній емітерний повторювач);

• схеми проміжного узгодження рівнів напруги і компенсації розбалансу, яка забезпечує нульовий рівень сигналу на виході, якщо сигнал на вході відсутній (це дає змогу здійснювати послідовне з'єднання ОП між собою та з іншими пристроями без роздільних конденсаторів, що принципово необхідне для підсилення постійного струму).

Для живлення ОП використовують два послідовно з'єднаних джерел постійного струму з трьома точками приєднання +Е_Ж; 0; -Е_ж (рівні сигналів на вході й виході відраховують від нульової точки).

У деяких випадках нульову точку створюють штучно за допомогою подільника напруги, тоді живлення ОП здійснюють від одного джерел.

Рис. 5.20. Принципова схема мікросхеми К140УД1А (а) та її умовне графічне

позначення (б)

Завдяки універсальним можливостям ОП стали уніфікованими основними елементами в таких радіоелектронних пристроях:

• підсилювачах попередніх, вимірювальних, імпульсних, вибірних, масштабних, підсилювачах-обмежувачах;

• генераторах гармонічних та імпульсних сигналів:

• активних RС-фільтрах;

• еквівалентних реактивностях з великими ємністю й індуктивністю;

• пристроях аналогової обчислювальної техніки (пристрої множення, додавання, логарифмування, інтегрування, диференціювання тощо);

• пристроях цифрової обчислювальної техніки (цифро-аналогові й аналого-цифрові перетворювачі);

• пристроях джерел живлення радіоапаратури (випрямлячах, стабілізаторах напруги).

Розглянемо найпростіший з універсальних ОП інтегрального виконання на прикладі мікросхеми К140УД1А (рис. 5.20, а). Ця мікросхема, розташована в герметичному метало-скляному дванадцяти-штирковому корпусі, має три каскади підсилення, між другим і третім каскадами знаходиться каскад зсуву рівня сигналу на транзисторі VТ7. На транзисторах VТЗ, VТ6, VТ8 зібрано стабілізатори струму, де VТ6 ввімкнено за діодною схемою, що забезпечує температурну компенсацію зміни напруги U_БЕ транзисторів VТЗ та VТ8.

Перший каскад підсилення є симетричним диференціальним підсилювачем на транзисторах VТ1 і VТ2 із живленням емітерного кола через стабілізатор струму на транзисторі VТ3. Каскад має два входи: інвертувальний 9 та неінвертувальний 10. Сигнал можна подавати на один із входів відносно спільної точки схеми (в цьому разі вільний вхід через резистор з'єднують із спільною точкою) або на обидва вхідні виводи.

Другий каскад підсилення — несиметричний диференціальний підсилювач — складається з емітерного повторювача на транзисторі VТ4 і підсилювача на транзисторі VТ5. До емітерного п-р переходу VТ5 підводиться сигнал з колектора VТ1, а з колектора VТ2 він подається через емітерний повторювач VТ4. Підсилений сигнал з колектора транзистора VТЗ спрямовується на вхід емітерного повторювача на транзисторі VТ7. який забезпечує розв'язку між другим каскадом підсилення і вихідним каскадом, знижуючи рівень напруги на виході 5 до нуля за відсутності сигналу. Стабілізований струм колектора транзистора VТ8 проходить по резистору R9 і створює на ньому стабілізований спад напруги, тобто необхідний зсув рівня сигналу на виході 5 відносно виходу 2.

Вихідний каскад підсилювача побудовано за схемою емітерного повторювача на транзисторі VТ9. Резистор R12 в його емітерному колі є частиною емітерного навантаження транзистора VТ8 і збільшує коефіцієнт підсилення струму вихідного каскаду завдяки неглибокому позитивному 33, напруга якого знімається з R12. Це забезпечує додаткове зменшення вихідного опору схеми.

Додаткові виводи 2, 3, 12 використовують для приєднання зовнішніх елементів схеми, що надають ОП необхідних додаткових властивостей.

Умовне позначення розглянутої мікросхеми зображено на рис. 5.20, 6