6. Інвертувальне, неінвертувальне та диференціальне ввімкнення операційних підсилювачів

Залежно від підсилюваного сигналу, який подається на вхід ОП, від функціонального призначення ОП, а також від зовнішніх компонентів, що під’єднуються до нього, використовують інвертувальне, неінвертувальне та диференціальне ввімкнення підсилювача.

Для спрощення розрахунків і аналізу схем користуються згаданою вище ідеальною моделлю. Оскільки R_вх = ∞, вхідний струм ОП I_вх = 0. За рахунок нескінченно великого внутрішнього коефіцієнта підсилення і вихідного опору, що дорівнює нулю, максимальна амплітуда вихідного сигналу, яка не може перевищувати напругу джерела живлення (як і у звичайних підсилювачах), досягається при вхідній напрузі майже нульовій (адже K_U = ∞). Все це відповідає принципу віртуального замикання вхідних затискачів ОП (рис. 11.8). При віртуальному замиканні, як і при звичайному замиканні, напруга між замкненими затискачами дорівнює нулю. Але в цьому випадку струм між віртуально замкненими затискачами не протікає, тобто для струму віртуальне замикання еквівалентне розриву кола. З урахуванням цього проведемо аналіз згаданих вище схем вмикання ОП.

Інвертувальна схема вмикання ОП (рис. 11.9). Використовуючи принцип віртуального замикання, знаходимо, що I_вх=(U_вх–0)/Z, а вихідна напруга U_вих= -I_вхZ_зв–0. Звідки коефіцієнт передачі напруги

K_U = U_вих /U_вх = -Z_зв/Z.

Таким чином, коефіцієнт передачі напруги ОП зі зворотним зв'язком визначається тільки співвідношенням зовнішніх елементів зворотного зв'язку. Але треба мати на увазі, що помилка такого визначення тим менша, чим ближче параметри ОП наближаються до ідеальної моделі. Загальний коефіцієнт підсилення типових ОП може досягати 100000 і більше, що дозволяє користуватись одержаними співвідношеннями.

Рис. 11.8. Ілюстрація принципу віртуального замикання

Рис. 11.9. Інвертувальна схема вмикання ОП

Комплексні опори показані на рис. 11.9. Вибираючи відповідний тип опору (резистор, конденсатор, індуктивність або їх комбінацію) одержують необхідний функціональний вузол.

Для побудови масштабного підсилювача використовують резистори (рис.11.10).

Рис. 11.10. Масштабний підсилювач

При цьому вихідна напруга описується співвідношенням

U_вих = – (R_зв/R₁)U_вх.

Тобто, відбувається зміна масштабу електричної величини множенням вхідного сигналу на деякий сталий коефіцієнт (R_зв/R₁).

Як приклад побудови інвертувальної схеми вмикання ОП 140УД1А, на рис. 11.11 показано схему суматора вхідних напруг (мікшера).

Рис. 11.11. Схема суматора

Потенціометри R₁ – R₃ дозволяють установлювати необхідний коефіцієнт передачі сигналів для кожного із входів. Для запобігання самозбудженню ОП вводять коригувальні С- або RC-ланки, які під'єднують до виводу 12. Це звужує смугу пропускання підсилювача.

Схема логарифмуючого підсилювача показано на рис. 11.12.

Рис. 11.12. Логарифмуючий підсилювач

Біполярний транзистор VT в діодному вмиканні має вольт-амперну характеристику (ВАХ), що описується рівнянням

I = I₀(e^U/φT – 1).

Це ВАХ напівпровідникового діода.

Для ідеального ОП I_R = I_Д, а при прямому вмиканні діода e^U/φT >> 1, тоді маємо

U_вх/R = I₀e^Uвих/φT,

звідки:

U_вих/φ_T = ln(U_вх/I₀R);

U_вих = φ_T ln(U_вх/I₀R).

Використовуючи десятковий логарифм, одержуємо

U_вих = 2.3φ_T ln(U_вх/I₀R).

Таким чином, схему, подану на рис. 11.12, можна використовувати для виконання операції логарифмування напруги вхідного сигналу.

В інтеграторі напруги, схема якого показана на рис. 11.13, активний опір зворотного зв'язку замінено реактивним елементом – конденсатором. Ураховуючи параметри ідеальної моделі ОП, струм, що протікає через резистор R, визначається формулою

I_R = U_вх /R = I_С.

Напруга на виході визначається напругою на конденсаторі

U_вих= – UC=

Якщо до входу ОП прикласти напругу у вигляді стрибка із сталою амплітудою U_вх, то

U_вих = – U_вх t / RC,

де RC – стала часу інтегратора.

Інтегрувальний підсилювач реагує на низькочастотні вхідні інформаційні сигнали аж до частоти f_Н = 0, тобто на сигнали постійного струму. Амплітуда і форма вихідного сигналу залежать від амплітуди вхідного сигналу U_вх та співвідношення тривалості вхідного імпульсу і сталої часу інтегратора. Тому інтегратор можна ефективно використовувати як низькочастотний функціональний вузол оптимальної обробки сигналів, зокрема, для побудови генераторів пилкоподібної напруги.

Якість виконання операції інтегрування тим вища, чим більша стала часу порівняно з тривалістю вхідного сигналу.

Схему диференціюючого підсилювача показано на рис. 11.14. Елемент Z інвертувальної схеми вмикання (див. рис. 11.8) являє собою реактивний компонент – конденсатор. Враховуючи особливості ідеальної моделі ОП, струм, що протікає через конденсатор можна визначити за формулою

І_С = С(dU_ВХ/dt) = IR.

Тоді напруга на виході

U_ВИХ =-I_RRC = – RC(dU_ВХ/dt),

де RC = τ – стала часу.

Рис. 11.13. Інтегратор Рис. 11.14. Диференціатор

Точність виконання операції диференціювання визначається співвідношенням тривалості вхідного сигналу τ_С та сталої часу.

Якщо τ_С>>τ, то при подачі на вхід прямокутного імпульсу тривалістю τ_С на виході одержимо продиференційований сигнал (дуже короткий негативний та позитивний стрибки напруги (рис. 11.14).

Полярність імпульсів показано з урахуванням інвертувального вмикання ОП.

Неінвертувальна схема. Таку схему вмикання ОП показано на рис. 11.15. Напруга зворотного зв'язку з виходу подається на інвертувальний вхід підсилювача, а вхідний сигнал – на неінвертувальний вхід. Як і в попередніх випадках будемо розглядати модель ідеального ОП. За таких умов визначимо коефіцієнт передачі за напругою. Співвідношення між вихідною напругою U_ВИХ та напругою зворотного зв'язку U_ЗВ, яка формується на опорі Z, має вигляд:

Ураховуючи принцип віртуального замикання (див. рис. 11.18), маємо U_ЗВ = U_BХ, а відтак:

Якщо Z_ЗВ = 0, одержимо K_U = 1. Це дозволяє побудувати повторювач напруги U_ВИХ = U_ВХ. Вихідна напруга повторює вхідну за фазою і за амплітудою. Схему повторювача показано на рис. 11.16. Вона відрізняється дуже високим вхідним опором та малим вихідним опором. Останнє дозволяє підключати до ОП навантаження з опором 0,3...1 кОм.

Рис. 11.15. Неінвертувальна Рис. 11.16. Повторювач напруги

схема вмикання ОП

Повторювачі напруг широко застосовують як вхідні та вихідні вузли радіоелектронних пристроїв.

Промисловість випускає багато типів ОП. Для збільшення вхідного опору вхідні диференціальні каскади будують на складених транзисторах, які мають порівняно з одиночними транзисторами значно більший коефіцієнт передачі струму бази. Такий же ефект досягається за допомогою одиночних біполярних транзисторів, виготовлених за допомогою інтегральної технології. Вони в режимі малих струмів мають дуже велике значення h_21E, що досягає кількох тисяч.

Операційні підсилювачі 140УД6 та 140УД14 побудовані за двокаскадними схемами з використанням супербета транзисторів. Завдяки таким транзисторам ці ОП мають вхідний опір 2…10³ і 30…10³ Ом при дуже малих струмах (30 і 2 мкА) відповідно. Коефіцієнт підсилення заданих ОП G_U = (50...70)...10³. У схемі ОП типу 544УД1 вхідний опір підвищений до 100 МОм завдяки використанню польових транзисторів у вхідному диференціальному каскаді.

Розроблені також інтегральні прецизійні ОП з високою стабільністю характеристик, малими шумами і низьким рівнем дрейфу нуля. До таких схем належить ОП 153УД5.

Значне використання ОП мають в імпульсних пристроях. У цьому випадку їх основним показником є швидкодія, яка оцінюється затримкою спрацювання та часом зростання вихідної напруги. Найбільшу швидкодію мають спеціалізовані ОП, що отримали загальну назву “компаратори”. Затримка спрацювання таких мікросхем менше 1мкс, а час зростання вихідної напруги – соті частки мікросекунди.