Теоретичні відомості

Операційним підсилювачем (ОП) називають виготовлений в інтегральному виконанні підсилювач різниці двох вхідних напруг з надзвичайно високим коефіцієнтом підсилення (K_U = 10³ - 10⁵), а також великим вхідним (R_вх = 10³ - 10⁶ Ом) та малим вихідним (R_вих < 10 - 10³ Ом) опорами.

Під час аналізу роботи електронних схем часто користуються ідеальною моделлю ОП, для якої K_U → ∞, R_вх → ∞ та R_вих → 0.

З азвичай ОП має шість основних виводів (рис. 1), два з яких є додатним та від’ємним виводами живлення, один – виводом середньої точки, потенціал якої має бути рівним нулю. Напруги подаються на два вхідних виводи – інверсний (-) і прямий (+), різниця напруг між ними (Δu_вх = =u_вх1 - u_вх2) підсилюється та виводиться на вихідний вивід. При цьому інверсним називають такий вхід ОП, зростання напруги на якому призводить до зменшення напруги на виході. При збільшенні напруги на прямому вході напруга на виході ОП також має зростати. Отже, вихідна напруга знаходиться в фазі з напругою на прямому вході та протифазі з напругою на інверсному. Як видно з рисунка прямий та інверсний виводи різняться в умовному позначенні.

Передатна характеристика u_вих =f(Δu_вх) ОП наведена на рисунку 2. Нахил характеристики визначається власним коефіцієнтом підсилення за напругою K_U. На цій ділянці характеристики ОП знаходиться в активному режимі роботи. Як видно з рисунка подальше збільшення чи зменшення різниці напруг між прямим та інверсним входами Δu_вх = u_вх1 - u_вх2 переводить ОП в режим насичення. Максимальне значення вихідної напруги обмежене напругою джерела живлення U_дж і дещо менше за неї.

Першопочатково ОП використовували в аналоговій обчислювальній техніці для здійснення операцій алгебраїчного додавання, множення, диференціювання, інтегрування, логарифмування тощо. Проте інтенсивний розвиток інтегральних технологій призвів до суттєвого покращення технічних та експлуатаційних показників ОП, що в свою чергу суттєво розширило їх функціональну орієнтацію.

Так, завдяки своїм властивостям інтегральні ОП знайшли широке застосування в схемах керування силовими частинами різноманітних пристроїв промислової електроніки. Зокрема їх використовують, наприклад, для генерування електричних коливань різної форми та частоти.

Н а рис. 3 наведена електрична принципова схема генератора сигналу прямокутної форми на базі ОП.

Автоколивальний режим в схемі обумовлений дією двох чинників. З одного боку це досить сильний додатний зворотний зв’язок, що охоплює ОП через дільник напруги R₂R₃, завдяки чому зміна напруги на виході ОП миттєво передається на його прямий вхід. З іншого – інерційний від’ємний зворотний зв’язок через R₁С – ланцюжок між виходом ОП і його інверсним входом. Зміна вихідної напруги передається на інверсний вхід з деяким запізненням, що і зумовлює процес перемикання схеми з одного тимчасово стійкого стану до іншого.

Розглянемо докладніше принцип роботи даного мультивібратора на ОП. На рис. 4 наведені суміщені часові діаграми змін напруг на виході ОП (u_вих), а також на його прямому (u_вх1) та інверсному (u_вх2) входах, які пояснюють процеси, що відбуваються в генераторі.

Оскільки генератор знаходиться в усталеному коливальному режимі, то аналіз роботи схеми можна проводити, починаючи з будь-якого моменту часу.

Припустимо в момент часу t=0 ОП перейшов в режим додатного насичення і, отже, напруга на його виході стала додатною +U_{вих max} , майже рівною додатному потенціалу джерела живлення +U_дж (u_вих=+U_{вих max}≈+U_дж). Напруга на прямому вході ОП завдяки дільнику напруги (див. рис.5) також буде додатною, незмінною і рівною , де .

Н апруга ж на інверсному вході, яка до зміни стану ОП була від’ємною і дорівнювала u_вх2(t=0_-)≈-U_{вих max}, залишиться такою і в перший момент після переходу ОП в режим додатного насичення u_вх2(t=0₊)≈-U_{вих max}, оскільки ця напруга є напругою на ємності С (u_вх2= u_С) і, як відомо, відповідно до закону комутації стрибкоподібно не змінюється, незважаючи на те, що на виході ОП, а значить і на R₁С – ланцюжку, напруга вже змінилася на протилежну (u_вих = +U_вихmax ≈ ≈+U_дж).

П роте ця зміна напруги на виході в момент часу t=0, викличе в R₁С – ланцюжку (рис. 6) перехідний процес, під час якого ємність буде перезаряджатися через резистор R₁, а напруга на ній буде експонентно зростати, асимптотично прагнучи до рівня напруги на цьому ланцюжку, тобто до напруги на виході ОП (u_вих=+U_{вих max}≈+U_дж). Як відомо з теорії перехідних процесів в лінійних колах, ця напруга буде змінюватися за законом

,

де τ=R₁C - стала часу перехідного процесу.

Оскільки u_вх2= u_С , за цим же законом буде змінюватися і напруга на інверсному вході ОП.

Що стосується напруг на виході та на прямому вході ОП, то вони будуть залишатися незмінними на протязі всього часу від t=0 до t_1-, оскільки на протязі цього часу ОП не змінить свого стану і буде знаходитись в режимі додатного насичення.

Таким чином, різниця напруг на ОП Δu_вх = u_вх1 - u_вх2 в інтервалі часу від t=0 до t_1- буде весь час зменшуватись. При наближені напруги на інверсному вході до напруги на прямому, тобто коли u_вх2 ≈ u_вх1 = βU_{вих max}, а Δu_вх≈0, ОП перейде в активний підсилювальний режим роботи (див. рис.2). При цьому вихідна напруга дещо зменшиться, і, як наслідок, зменшиться через дільник R₂R₃ напруга на прямому вході ОП, що викличе в свою чергу подальше зменшення вхідної напруги і т. д. Цей лавиноподібний регенеративний процес закінчиться тим, що напруга на виході ОП стрибкоподібно стане від’ємною, досягнувши рівня -U_{вих min} , що майже дорівнює від’ємному потенціалу джерела живлення -U_дж (u_вих=-U_{вих min}≈-U_дж), і ОП в момент часу t=t₁ перейде в режим від’ємного насичення.

Далі процес проходить подібно вищеописаному.

Напруга на прямому вході стає від’ємною, рівною u_вх1 = β∙(-U_{вих min}), і надалі до моменту часу t=t_2- змінюватися не буде, як не буде змінюватися напруга на виході ОП (u_вих=-U_{вих min}≈-U_дж).

Конденсатор С через резистор R₁ та вихід ОП буде перезаряджатися, а напруга на ньому, а значить і на інверсному вході, експонентно спадатиме, асимптотично прагнучи до від’ємного рівня напруги на виході ОП.

В момент часу t=t₂, коли напруга на інверсному вході зрівняється з від’ємною напругою на прямому вході, знову відбудеться перекидання ОП.

Далі процес повторюється.

Як видно з рисунка 4, додатний імпульс періоду прямокутного коливання формується в інтервалі часу [0, t₁], а від’ємний імпульс - [t₁, t₂]. Причому тривалості цих імпульсів можна визначити за співвідношеннями:

,

.

За умови симетрії вихідного сигналу відносно рівня нуля (U_{вих max} = U_{вих min}) маємо

,

звідки період імпульсів вихідної напруги генератора

,

або

Тривалості додатного і від’ємного імпульсів окремо можна змінювати, змінюючи для кожного з них сталу часу RС – ланцюжка шляхом введення штучної асиметрії за допомогою змінного резистора R₄ та протилежно ввімкнених діодів (див. рис.7), що і було зроблено в даній лабораторній роботі. В результаті процес перезарядки конденсатора в одному та другому випадках відбувається різними частинами резистора R₄, тобто з різними сталими часу. Таким чином, зміною опору R₄, можна регулювати скважність прямокутних імпульсів генератора.

Період, а значить і частоту, прямокутних імпульсів можна задавати, як це випливає з останньої формули, змінюючи, наприклад, співвідношення . На практиці це означає введення додаткового змінного резистора R₅ в коло дільника напруги (див.рис.7), зміна якого і буде призводити до зміни частоти в доволі ш ирокому частотному діапазоні.

С лід зауважити, що в даній схемі генератора ОП працює в компараторному режимі. Нагадаємо, що компаратором називають пристрій, який порівнюючи дві напруги, що подаються на прямий та інверсний входи, формує на виході за результатами порівняння або високий рівень напруги, коли u_вх1 > u_вх2, або низький, коли u_вх1< u_вх2.

На базі генератора прямокутних імпульсів можна побудувати і генератори сигналів, що мають іншу форму, наприклад, генератор пилоподібних імпульсів. В такому генераторі також є потреба в пристроях промислової електроніки, зокрема тем де необхідно здійснювати широтно-імпульсну модуляцію.

На рис. 8 наведена схема, що формує імпульси пилоподібної форми за умови подачі на її вхід прямокутних імпульсів. В цій схемі транзистор працює в режимі електронного ключа. В момент подачі від’ємної напруги (від’ємна частина прямокутного сигналу) транзистор закривається і конденсатор С_k розпочинає заряджатися через резистор R_k. При цьому напруга на ньому зростає за експонентним законом, асимптотично прагнучи до рівня напруги джерела живлення. За умови τ = R_kС_k >> T_і, експонентний закон зміни напруги на конденсаторі можна вважати квазілінійним.

Додатний імпульс вхідної напруги відкриває транзистор і конденсатор, який вже частково зарядився, через цей транзистор майже миттєво розряджається. Графіки імпульсів пилкоподібної форми, що при цьому формуються, наведені на рис. 9.

В даній лабораторній роботі досліджуються формувачі сигналів і іншої форми. Як видно з попереднього прикладу, всі вони реалізовані на базі генератора прямокутних імпульсів на ОП.

Література:

1. В.С. Руденко, В.Я. Ромашко, В.В. Трифонюк Промислова електроніка. Київ, Либідь, 1993р, с. 152-174.

2. В.І. Сенько, М.В. Панасенко, Є.В. Сенько, М.М. Юрченко, Л.І. Сенько, В.Л. Ясинський Електроніка і мікросхемотехніка . Том 2. Харків. ФОЛІО, 2002р, с. 192-268.

3. Основы промышленной электроники. Под ред. Герасимова В. Г. М.: Высшая школа, 1986г., с. 131-146.