6.6. Операційні підсилювачі

6.6.1. Особливості оп

Основне призначення ОП – побудова за допомогою зовнішніх навісних елементів схем із фіксованим коефіцієнтом підсилення і точно синтезованою передавальною функцією. Їх використовують для побудови широкої гами різновидів пристроїв. Стандартний підсилювач загального призначення може використовуватись приблизно в 100…150 схемах вмикання.

Схемотехніка ОП була відома ще до появи лінійних ІМС. У класичній електроніці до класу ОП відносили багатокаскадні підсилювачі постійного струму зі зворотним зв’язком. Їх використовували в аналоговій обчислюваль­ній техніці для виконання операцій алгебраїчного додавання, віднімання, множення, ділення, диференціювання, логарифмування тощо. Це і зумовило їхню назву - операційні (розв’язувальні) підсилювачі.

В інтегральній схемо­техніці ОП - це підсилювач постійного струму, який характери­зується великим вхідним, низьким вихідним опорами і дуже висо­ким коефіцієнтом підсилення за напругою. Якщо уявити ОП ідеаль­ною моделлю, то він повинен мати такі властивості: R_ВХ , R_ВИХ 0 і G_U . Успіхи планарної технології зумовили появу серійних пар­тій ОП у вигляді інтегральної мікросхеми, що дозволило значно удосконалити їхні технічні й експлуатаційні показники. Такі ОП тепер використовуються не лише для виконання математичних операцій, а й для підси­лення, перетворення, формування і обробки електричних сигналів.

Зазвичай ОП складаєтся з трьох каскадів: вхідного, побудованого, як правило, за схемою диференціального підсилювача, проміжного підсилювача напруги та вихідного каскаду, побудованого за схемою із ЗК з додатковими елементами для покращання параметрів ОП.

Принцип побудови та функціювання складових елементів ОП розглянемо на прикладі найпростішої схеми, яка використовувалась в перших зразках інтегральних ОП. Зокрема на прикладі інтегральної мікросхеми 140УД1 (А, Б) – напівпровідникової ІМС серії 140. Конструктивно ОП 140УД1 розміщується на кремнієвій пластині розміром 1,1х1,1 мм. Принципова схема ОП показана на рис.6.8.

Як вхідний каскад використовується один з видів диференціального підсилювача на транзисторах VT1 та VT2 з джерелом стабільного струму на транзисторі VT3 і колом температурної стабілізації на транзисторі VT6 в діодному ввімкненні (струмовим дзеркалом). Така стабалазація розглядалась в розділі 6.3.2.

Рис.6.8. Принципова схема ОП

Другий (проміжний) каскад ОП виконаний на транзисторах VT4 та VT5 також за схемою диференціального підсилювача, але з несиметрисним виходом. Він виконує дві функції: підсилення напруги та перетворення двофазного сигналу, що формується на колекторах транзисторів VT1 та VT2 в однофазний, що формується на колекторі транзистора VT5.

Струм другого каскаду не фіксується джерелом стабільного струму в колі емітерів транзисторів, оскільки на його входи поступає вже підсилений інформаційний сигнал, в якому синфазна складова практично відсутня (заглушається першим каскадом). Це дозволяє реалізувати в другому каскаді режим роботи з міліамперними струмами, що забезпечує підсилення напруги з коефіцієнтом порядку кількох сотень.

При використанні диференціальних підсилювачів максимальний коефіцієнт підсилення за напругою одержують при підключенні навантаження до симетричного виходу. Операційні підсилювачі мають однофазний вихід. Щоб забезпечити перехід від симетричного виходу до несиметричного без втрати коефіцієнта підсилення за напругою транзистор VT4 вмикають за схемою із СК. Розглянемо як відбувається передача сигналів.

Припустимо, що на симетричні входи ОП подається імпульсний сигнал, на вході 10 напруга збільшується, на вході 9 – зменшується. На рис.6.8 це зображається позитивним та негативним імпульсами. У результаті на колекторах транзисторів VT1 та VT4 сформуються інвертовані імпульси. З колектора транзистора VT2 імпульс позитивної полярності подається на базу транзистора VT4, ввімкнутого за схемою із СК (емітерний повторювач). На об’єднаних емітерах транзисторів VT4 та VT5 формується позитивний імпульс. Потенціал емітера транзистора VT5 зростає, а напруга U_BE цього транзистора зменшується, він закривається, струм колектора зменшується, зумовлюючи підвищення напруги на колекторі (U_C = E_C – I_CR_C). Одночасно негативний імпульс з колектора транзистора VT1 подається на базу транзистора VT5, що також спричиняє зменшення колекторного струму. Таким чином, на колекторі транзистора VT5 формується однофазний сигнал, амплітуда якого пропорційна обом сигналам симетричного виходу першого каскаду.

Вихідний каскад ОП, виконаний на транзисторах VT7...VT9, є однотактним підсилювачем, що працює в режимі підсилення А. Транзистор VT8, увімкнений за схемою емітерного повторювача, забезпечує зсув рівня напруг. За відсутності вхідних сигналів і використанні двох джерел живлення напруга на виході (на емітері транзистора VT9) повинна дорівнювати нулю, а на базі – близько 0,4…0,8 В. Напруга на колекторі транзистора VT5 значно перевищує цю величину (може досягати +E_C). Повторювач на транзисторі VT8 узгоджує проміжний та вихідний каскади за рівнем постійної напруги. Зарядна ємність діода VD1 діє як прискорювальний конденсатор, зменшуючи спотворення різких перепадів сигналу.

Транзистор VT7 виконує дві функції: є генератором стабільного струму в схемі зсуву постійного рівня напруги, забезпечуючи необхідний спад напруги на резисторі в колі емітера транзистора VT8; вмикається в коло позитивного зворотного зв’язку вихідного каскаду – емітерного повторювача на транзисторі VT9. Це дозволяє підвищити вхідний опір всього вихідного каскаду, зменшити вихідний опір та підвищити коефіцієнт підсилення до 5. Підсилювач 140УД1 забезпечує коефіцієнт підсилення за напругою в декілька тисяч в діапазоні частот до 5 МГц.

Таким чином, позитивний імпульс, що формується на колекторі транзистора VT5, підсилюється і без зміни полярності виділяється на виході 5. Сигнал такої полярності подавався на вхід 10, тому цей вхід називають неінвертувальним. На вхід 9 подавали сигнал протилежної полярності (відносно сигналу, одержаного на виході 5), тому цей вхід називають інвертувальним. На умовному графічному позначення ОП такий вхід позначають кільцем.

Залежно від схеми вмикання ОП до джерела інформаційних сигналів розрізняють: диференціальне, інвертувальне і неінвертувальне вмикання ОП. Диференціальне вмикання розглядалось в розділі 6.4 при аналізі диференціального підсилювача. Розглянемо особливості інвертувальної та неінвертувальної схем вмикання.

Для спрощення розрахунків і аналізу схем користуються згаданою вище ідеальною моделью. Оскільки R_вх = ∞ вихідний струм ОП I_вх = 0. Через нескінченно великого внутрішнього коефіцієнта підсилення і вихідного опору, що дорівнює нулю, максимальна амплітуда вихідного сигналу, яка не може перевищувати напругу джерела живлення (як і в звичайних підсилювачах), досягається при вхідній напрузі майже дорівнює нулю адже G_U = ∞). Все це відповідає принципу віртуального замикання вхідних зажимів ОП (рис.6.9). При віртуальному замиканні, як і при звичайному замиканні, напруга між замкненими затискачами дорівнює нулю. Але в даному 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.

6.6.2.Інвертувальна схема вмикання ОП

Така схема показана на рис.6.10. 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:

G_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 користуватися одержаним співвідношенням.

Рис.6.9.Принцип віртуального замикання

Рис.6.10. Інвертувальна схема вмикання ОП

На рис.6.10 показані комплексні опори. Вибираючи відповідний тип опору (резистор, конденсатор, індуктивність або їх комбінацію) одержують необхідний функціональний вузол.

Для побудови масштабного пілсилювача використовують резистори

(рис.6.11.). Вихідна напруга

U_вих = - (R_зв/R₁)U_вх .

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

І

Рис.11. Масштабний підсилювач

нвертуальне вмикання ширико використовують для побудови суматорів. Для цього до входу підключають декілька джерел інформаційних сигналів. Завдяки різним співвідношенням опорів резисторів встановлюється необхідний ваговий коефіцієнт,який визначає величину відповідної складової у формуванні вихідного сигналу.

Рис.6.12. Інтегратор

В інтеграторі напруги, схема якого показана на рис.6.12 активний опір зворотного зв’язку замінений реактивним елементом – конденсатором Враховуючи параметри ідеальної моделі ОП, струм, що протікає через резистор R, знаходять за формулою: I_R = U_вх/R = I_C