2.3.2 Передавальні характеристики операційних підсилювачів

Увімкнення операційного підсилювача у зовнішнє електричне коло з джерелом вхідного сигналу U_ВХ, опором R_Н і двома джерелами живлення показано на рис. 2.32. Джерело живлення у цьому випадку має три режими: позитивний, негативний і загальнозаземляючий. Таке джерело називається джерелом із розщепленим живленням. Звичайно джерела живлення симетричні, тобто мають рівні між собою напруги. Але існують спеціальні операційні підсилювачі з несиметричним живленням (наприклад, ) або які мають одне полярне живлення. Від операційного підсилювача до джерела живлення струми повертаються через навісні елементи, в даному випадку через опір навантаження. Вхідна напруга диференціальна незалежно від того, який із входів підсилювача заземлений.

П ередавальні характеристики такого операційного підсилювача U_ВИХ = (U_ВХ) (рис. 2.33), які належать до інвертувального і неінвертувального входів, зображаються у вигляді двох кривих. Як видно, вхідні і вихідні напруги можуть симетрично змінюватися відносно нуля (бути біполярними). При заземленому неінвертуючому вході (рис. 2.32) сигнал передається на вихід підсилювача з інвертуванням фази вхідного сигналу (крива 1). При заземленні інвертувального входу фаза підсилювального сигналу у процесі підсилення не змінюється (крива 2). Вихідна напруга знімається відносно точки джерела живлення. Якщо U_ВХ = 0, то U_ВИХ = 0, в чому й полягає умова балансу операційного підсилювача.

Нахиленим (лінійним) ланкам передавальних характеристик відповідають пропорційні залежності вихідної напруги від вхідної. При відсутності зовнішніх кіл зворотного зв'язку нахил передавальних характеристик відповідає відношенню U_ВИХ/U_ВХ і визначається власним коефіцієнтом підсилення К_ПU. Граничне значення амплітуд вихідного сигналу близьке до 2Е_С. Але при цьому значно зростають нелінійні спотворення підсилюваного сигналу. Горизонтальні ланки перехідних характеристик відповідають режиму насичення або відсікання транзистора вихідного каскаду. При цьому зміна вхідної напруги не викликає зміни вихідної напруги, яка досягає максимуму, близького до Е_С.

У реальному операційному підсилювачі спостерігається розбалансування. У такому разі на виході підсилювача існує деяка напруга +U_ВИХ або –U_ВИХ (криві 1 і 3 на рис. 2.34) при U_ВХ=0. Для усунення розбалансування (крива 2) на вихід підсилювача необхідно подати напругу зміщення U_ЗМ (рис. 2.35) в К_ПU разів меншу за відхилення вихідної напруги. Якщо на вході операційного підсилювача існує деяка синфазна електрорушійна сила Е_сф, як і в звичайному диференціальному каскаді, то напруга на виході підсилювача матиме деяке зміщення U_ВИХ.СФ при U_ВХ = 0.

Д ля компенсації цього зміщення між входами цього операційного підсилювача необхідно прикласти напругу компенсації помилок U_сф (рис. 2.36).

2.3.3 Структурні схеми операційних підсилювачів

Н айбільшого застосування набули трикаскадні та двокаскадні операційні підсилювачі. На рисунку 2.37 показано структурну схему трикаскадного операційного підсилювача.

В цій схемі перший каскад — це простий диференціальний підсилювач (ДП) з резистивним навантаженням і джерелом стабільного струму в колі емітерів, який має два входи і два виходи. Для підвищення вхідного опору і зниження статичних та дрейфових помилок цей каскад працює в режимі мікроамперних струмів, проте одержати високий коефіцієнт підсилення на ньому неможливо.

Другий каскад — підсилювач напруги (ПН), який також виконаний за схемою диференціального підсилювача, працює в режимі міліамперних струмів і тому має звичайний коефіцієнт підсилення. Вихід цього каскаду за постійною складовою струму узгоджений зі входом кінцевого підсилювача, який підсилює амплітуду сигналу (ПА) і складається з каскадів за схемами: із загальним емітером, загальною базою та загальним колектором. Найчастіше вихідний каскад створюється за схемою із загальним колектором (емітерний повторювач), що забезпечує безперебійне навантаження усієї схеми операційного підсилювача. В підсилювачі амплітуди (ПА), що споживає основну частину струму всього підсилювача, остаточно формується амплітуда вихідного сигналу. Наявність в підсилювачі амплітуди емітерного повторювача (вихідний каскад) зумовлює низький вихідний опір операційного підсилювача. Загальний коефіцієнт підсилення трикаскадного операційного підсилювача може досягати більше ста тисяч. Вхідні характеристики операційного підсилювача повністю зумовлені вхідними характеристиками диференціального підсилювача (ДП), а вихідні — показниками кінцевого каскаду за відповідною схемою вмикання.

Вхідний диференціальний опір операційного підсилювача в мікрорежимі при великому опорі R_E джерела стабільного струму виражається сумою вхідних опорів обох транзисторів диференціального підсилювача ДП.

Вихідний опір підсилювача зумовлюється відношенням електрорушійної сили в режимі холостого ходу до змінної складової вихідного струму в режимі короткого замикання

(2.50)

Транзистори операційного підсилювача в інтегральному виконанні мають біполярну структуру n—p—n – типу. Незважаючи на малі вхідні ємності інтегральних транзисторів, кожний каскад характеризується власною сталою часу, яка задає частотну характеристику каскаду, тобто частотна характеристика всього операційного підсилювача зумовлюється трьома сталими часу.

П ромислова реалізація двокаскадного операційного підсилювача (рис. 2.38) стала можливою після розробки інтегральних транзисторів p—n—p типу із задовільними малосигнальними параметрами і частотними властивостями, що дозволило застосувати в схемотехніці диференціальні каскади з динамічним навантаженням, в яких підвищений коефіцієнт підсилення. Отже, подальша модернізація технології виготовлення інтегральних структур дала можливість функції першого і другого каскадів поєднати в одному каскаді підсилення (ДП). При цьому загальне підсилення двокаскадного диференціального підсилювача другого покоління зберігається на попередньому рівні, хоча усувається одна стала часу, що покращує якості підсилювачів.