Напругу на виході визначають напругою на конденсаторі : :

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

U_вих = -U_вхt/RC,

де RC - стала часу інтегратора.

Інвертувальний 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 імпульса і сталої часу інтегратора. Тому інтегратор можна ефективно використовувати як низькочастотний функціональний вузол оптимальної обробки сигналів, зокрема для побудови генераторів пилоподібної напруги. Якість виконання операції інтегрування тим вища, чим більша стала часу порівняно з тривалістю вхідного сигналу.

Схема диференціюючого підсилювача показана на рис.6.13. В такому присторї елемент Z інвертувальної схеми вмикання (рис.6.6) являє собою реактивний компонент – конденсатор. Враховуючи особливості ідеальної моделі ОП, струм, що протікає через конденсатор, можна визначити за формулою

I_C = C(dU_вх/dt) = I_R .

Тоді напруга на виході

U_вих = -I_RR = -RC(dU_вх/dt),

д

Рис.6.13. Диференціатор

е RC =  - стала часу.

Точніть виконання операції диференціювання визначається співвідношенням тривалості вхідного сигналу _c та сталої часу.

Якщо _c>>, то при подачі на вхід прямокутного імпульсу тривалістю _c на виході одержимо продиференційований сигнал (дуже короткий негативний та

позитивний стрибки напруги, (рис.6.13). Полярність імпульсів показана з урахуванням інвертувального вмикання ОП.

6.6.3.Неінвертувальне вмикання.

Така схема вмикання ОП показана на рис.6.14. Напруга зворотного зв’язку з виходу подається на інвертувальний вхід підсилювача, а вхідний сигнал - на неінвертувальний вхід. За умов ідеального ОП коефіцієнт передачі за напругою визначають спів- відношення між вихідною напругою U_вих і напругою зворотного зв’язку U_з.з, яка формується на опорі Z:

.

Враховуючи принцип віртуального замикання ( рис.6.7), одержують U_зв = U_вх, а відтак:

.

При неінвертувальному вмиканні ОП коефіцієнт передачі за напругою так само як і при інвертувальному, визначають зовнішніми навісними елементами.

Рис.6.12 Неінвертувальна схема вмикання ОП

Якщо Z_з.з = 0, то G_U = 1. Це дозволяє побудувати повторювач напруги U_вих = U_вх. Вихідна напруга повторює вхідну за фазою і амплітудою. Схема повторювача показана на рис.6.13. Вона відрізняється дуже високим вхідним опором та малим вихідним опором. Останнє дозволяє підключати до ОП навантаження з опором 0,3…1 кОм.

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

Рис.6.13 Повторювач напруги

Промисловість випускає багато типів ОП.

Операційні підсилювачі 140УД6; 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 згаданих ОП G_U = (50…70)·10³. У схемі ОП типу 544УД1 вхідний опір підвищений до 100 МОм завдяки використанню у вхідному диференціальному каскаді ПТ.

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

6.6.4. Імпульсний режим ОП

Для використання ОП в аналогових пристроях (підсилювачі, генератори гармонічних коливань та ін.) вхідний сигнал повинен мати такий рівень, щоб використовувати нахилені ділянки кривих передавальної характеристики ОП (див. рис. 11.2, б), коли вихідна напруга пропорційно залежить від вхідної. В імпульсному режимі роботи рівні вхідного сигналу перевищують значення, які відповідають лінійній області передавальної характеристики. При цьому вихідна напруга досягає U⁺_вих.mах або U ^-_вих.mах. Ці рівні вихідної напруги є сталими (сприятлива умова для формування незмінної вершини імпульсу) і майже дорівнюють напругам джерел живлення E та E ОП. Незмінність означених рівнів за величиною зумовлено незмінністю за величиною горизонтальних ділянок кривих передавальної характеристики ОП, які відповідають режиму повністю закритого (режим відсікання) або повністю відкритого (режим насичення) транзистора вихідного каскаду (найчастіше емітерний повторювач) ОП.

Таким чином, ОП, як і поодинокий біполярний транзистор, може працювати як у лінійному, так і в імпульсному режимі.

Властивості та параметри ОП дозволяють ефективно використовувати їх для побудови імпульсних пристроїв, зокрема компараторів. У таких функціональних вузлах порівнюються дві напруги, що надходять до входів (або на один вхід) підсилювача – вхідна, що змінюється, і опорна. Опорна напруга позитивної або негативної полярностей незмінна за величиною. Коли вхідна напруга досягає рівня опорної, на виході ОП відбувається зміна полярності напруги, наприклад, U ^– _вих.mах на U ⁺ _вих.mах.

Компаратори напруги. Компараторне ввімкнення ОП використовують для порівняння напруги джерела сигналів U_д з опорним сигналом U₀. Компараторний режим ОП частіше застосовують без зовнішніх кіл негативного зворотного зв’язку, подаючи порівнювані сигнали на один або обидва входи підсилювача.

Для порівняння різнополярних напруг на вході використовують одновходовий компаратор (рис.6.14,а), в якому опорний сигнал і досліджуваний надходять до інвертувального входу ОП. В інтервалі часу 0 ... t₁ (рис. 11.17, б) виконується нерівність | U_д |<| U₀ |, тому U_вх > 0 і напруга на виході компаратора U_вих = U ^– _вих.mах E ^–_С (напруга на інвертувальному вході і на виході різнополярні). У момент часу t₁ вхідний сигнал досягає порогового значення

U_l = U_вх.пор = U₀ R₁| R₂

після цього перевищує його за абсолютним значенням, яке відповідає негативному потенціалу на інвертувальному вході ОП (U_вх < 0), що супроводжується перемиканням компаратора в інший стан, в якому U ^– _вих.mах E⁺_С. Моменту часу, якщо виконується рівність U_д = U_вх.пор, відповідає нестійкий режим підсилювача компаратора. При цьому нахил передавальної характеристики визначається власним коефіцієнтом підсилення K_U. Тому відсутність в ОП негативного зворотного зв’язку сприяє підвищенню швидкості перемикання компаратора.

У двовходовому компараторі (рис. 11.17, в) сигнали, які порівнюють, надходять до обох входів ОП. Тому стан виходу компаратора (полярність вихідної напруги) визначається більшою за рівнем напругою одного з входів, що відображено передавальною характеристикою компаратора (рис.11.17, г). Якщо вхідні напруги однакові, вихідна напруга компаратора дорівню нулю аналогічно роботі інтегрального ОП. Рівень вхідної напруги компаратора обмежується допустимою синфазною напругою ОП.

Рис. 6.14. Компараторне вмикання ОП:

а – порівняння різнополярних напруг; б – зміна напруг на вході і виході;

в – двовходовий компаратор; г – зміна напруг

Основним показником ОП, що працюють в імпульсному режимі, є їх швидкодія, яка оцінюється затримкою спрацьовування та часом зростання вихідної напруги. Найбільшу швидкість мають спеціалізовані ОП, що отримали загальну назву “компаратори”, які призначені для імпульсного режиму роботи. Затримка спрацьовування таких мікросхем менше 1 мкс, а час зростання вихідної напруги становить соті частки мікросекунди.

6.7. Поточний самоконтроль

6.7.1. Завдання для моделювання та дослідження схем в середовищі EWB

6.7.1.1. Побудувати модель масштабного підсилювача (рис.6.15) та дослідити зміни коефіцієнта підсилення і верхньої межової частоти при збільшенні опору зворотного зв`язку в 50 та 100 разів.

Рис.6.15. Модель для дослідження масштабного підсилювача

6.7.1.2. Побудувати суматор с метою формування складного електричного

сигналу, відображеного на рис.6.16.

Рис.6.16.Модель

суматора ( а ) та

осцилограми на вході і виході (б)

Розрахувати та експериментально підібрати частоти та амплітуди вхідних інформаційних сигналів.

6.7.1.3. Побудувати модель (рис.6.17) та дослідити коефіцієнт пригнічення синфазної завади.

В початковому стані на вході ОП діють: корисний інформаційний сигнал від джерела V7 (BIPOLAR VOLTAGE ) амплітудою 10 мВ та два синфазних сигнали від двох симетричних генераторів V5 та V6 амплітудою 3В. Зафіксуйте осцилограму на виході ОП. Сформуйте асиметричний сигнал завади. Для цього виставте амплітуду генератора V5 на рівні 3.005 В. Зафіксуйте та поясніть осцилограму на виході ОП.

Рис.6.17. Модель дослідження впливу синфазної завади

6.7.1.4. Дослідити ефективність використання емітерного повторювача для узгодження високоомного опору датчика з низькоомним опором навантаження (рис.6.18).

Рис.6.18. Модель дослідження емітерного повторювача

При двох положеннях перемикача S1 зняти залежність вихідної напруги датчика (ХММ1) від опору навантаження ( 5%, 50%, 95% ), коли опір навантаження підключається безпосередньо до датчика (R2) та через емітер ний повторювач (R4, ХММ2).

6.7.1.5. Дослідити компаратор в режимах фіксації рівнів напруги (рис.6.19 ) .

Такий пристрій широко використовують при аналого-цифровому перетворенні ЕІС. На першому етапі рівень аналогового сигналу перетворюється в тривалість часу від початку пилкоподібної напруги до моменту досягнення нею рівня вхідного (аналогового, синусоїдального ) сигналу.

У випадку, показаному на рис.6.19-б, маємо 393.8 мкс. Дослідіть залежність вказаної тривалості часу від амплітуди синусоїди. Для цього амплітуду пилки встановіть на рівні 400…500 мВ, а синусоїду змінюйте від 10 до 300 мВ.

а б

Рис.19. Модель дослідження компаратора (а )та осцилограми на входах і виході (б)

6.7.2. Контрольні запитання

6.7.2.1. Які особливості ІМС як нового типу електронних приладів?

6.7.2.2. Як класифікують ІМС за функціональним призначенням і техноло-

гією виготовлення?

6.7.2.3. Розшифруйте систему умовних позначень ІМС.

6.7.2.4. Чому в АІС використовують генератори стабільного струму та схе-

ми зсуву рівнів напруг?

6.7.2.5. Чому диференціальні підсилювачі в інтегральному виконанні знахо-

дять широке використання?

6.7.2.6. Як визначається коефіцієнт пригнічення синфазної завади?

6.7.2.7. Які параметри має ідеальний ОП?

6.7.2.8. Накресліть схему неінвертуального вмикання ОП. Як визначається коефіцієнт підсилення?

6.7.2.9. Накресліть схему інвертуального вмикання ОП. Як визначається коефіцієнт підсилення?

6.7.2.10. Охарактеризуйте функціонально-вузловий метод проектування РЕА.

282