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. За допомогою стандартного ОП загального призначення можна створити приблизно 100…150 функціональних пристроїв.

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 СК 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. Принципова схема такого 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 транзисторах VT3 та VT6 (струмовим дзеркалом). Така стабалазація розглядалась в розділі 6. 3. 2.

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

В другому каскаді джерело стабільного струму в колі емітерів транзисторів відсутнє, оскільки на його входи поступає вже підсилений інформаційний сигнал, в якому синфазна складова практично заглушається першим каскадом. При обробці підсилених ЕІС нестабільність каскадів уже мало впливає та якість передачі

При використанні ДП 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 транзисторі VT9 за схемою СК. Транзистори VT7 та VT8 забезпечують зсув рівня напруг (розд 6.3.3).

Крім того, транзистор VT7 виконує ще одну функцію. Його вмикають в коло позитивного зворотного зв’язку вихідного каскаду – емітерного повторювача на транзисторі VT9, що дозволяє підвищити вхідний опір вихідного каскаду, зменшити вихідний опір та підвищити коефіцієнт підсилення вихідного каскду 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 вмикання ОП використовують принцип віртуального замикання. Він не складний для засвоєння, але вимагає особливої уваги, тому що на ньому базується вся схемотехніка на ОП. В електротехніці коротке замикання створюється при поєднанні двох чи більше вузлів провідником з дуже малим опором. В результаті різниця потенціалів між ними зменшується до нуля, а струм зростає.

Дискретні лампові, транзисторні пристрої та аналогові ІМС на виході формують ЕІС, амплітуда яких не може перевищити значення напруги джерела живлення. Для ідеальної моделі ОП, коли G_U = ∞ можна вважати, що максимальна амплітуда сигналу на виході забезпечується вхідним сигналом, амплітуда якого зменшується до нуля, тобто на вході маємо «коротке замикання». В той же час, оскільки R_вх = ∞ вхідний струм ОП I_вх = 0. Це принципова відмінність від електротехнічного замикання.

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. Тобто, входи ОП якби заморочені. Але в даному випадку струм між віртуально замкненими затискачами не протікає. Для струму віртуальне замикання еквівалентне розриву кола. З урахуванням цього проведемо аналіз згаданих вище схем вмикання ОП.