2.Операциялық күшейткіштің қасиеттері

1-суретте операциялық күшейткіштің сұлба түріндегі көрінісі берілді. Оның кіріс каскады дифференциалдық күшейткіш түрінде орындалады. Сондықтан операциялық күшейткіште екі кірісі болады. Төменгі жиілік облысында шығыс кернеуі U_a кіріс кернеулердің айырымы да сол фазасында орналасады:

U_D = U_P – U_{N .}

2.1 – сурет. Операциялық күшейткіштің сұлбалық түрі.

р – кіріс инвертирлемейтін деп аталады және операциялық күшейткіште «плюс» таңбасымен белгіленеді. N – кіріс инвертті және сұлбада «минус» таңбасымен белгіленеді.

Операциялық күшейткіштің теріс және кері кіріс сигналдарымен жұмыс істеуін қамтамасыз ету үшін екі полярлы қоректену кернеуін қолдану керек. Ол үшін 1 – суретте көрсетілгендей операциялық күшеткіштің сәйкесті сыртқы клеммаларына қосылатын екі тұрақты кернеуді орнату қажет. Көбінесе интегралды орнындауындағы стандартты операциялық күшейткіштер ±15В қоректену кернеуінде жұмыс істейді. Принципиалды сұлбалар құрылғыларда тек қана олардың кіріс және шығыс клеммаларын көрсетеді.

Іс жүзінде идеалды операциялық күшейткіштер болмайды. Операциялық күшейткіштің қайсысы болмасын идеалға жақын екенін анықтау үшін күшейткіштің техникалық сипаттамалары беріледі.

Операциялық күшейткіштің дифференциалды күшейту коэффициенті

(1.1)

10⁴ ÷ 10⁵ шектерінде жатқан соңғы өлшемі. Ол өзіндік күшейту коэффициенті деп те аталады, басқа сөзбен айтқанда кері байланыс жоқ кезіндегі күшеюі.

U_P –дан шығыс кернеу күшеюінің типтік тәуелділігі көрсетілген. U_амин < U_а < U_амакс диапазонында ол U_D-дан дерлік сызықты тәуелді. Осы шығыс кернеуінің диапазоны күшейту облысы деп аталады. Қанығу облысында U_а –ның сәйкесті өсуінен U_D-ның өсуі өзгермейді. Күшею облысының шектері U_амин және U_амакс сәйкесті оң және кері кернеуінің қоректенуінен 3В-қа жуық кешігеді. Операциялық күшейткіштің ±15В жұмысы кезінде шығыс кернеуі бойынша типтік облыс диапазоны ±12В-ты құрайды.

Идеалды операциялық күшейткіштің беріліс сипаттамасы нольдік нүктеден өту керек. Бірақ та көрсетілгендей, реалды операциялық күшейткіштер үшін бұл сипаттама кішкене жылжыған, ол штрих сызығымен көрсетіледі. Сонымен шығыс кернеуді нольге келтіру үшін операциялық күшейткіштің кірісіне кернеудің кейбір әртүрлілігін берк керек. Омы кернеудің әртүрлілігі нольдің жылжымалы кернеуі U_о деп аталады. Ол көбінесе бірнеше милливольт құрайды және көптеген жағдайда еакерілмейді. Кейде осы өлшеммен елемеуге болмаған кезде, оны нольге дейін апаруға болады. Сондықтан көптеген интегралды операциялық күшейткіштерде арнайы клеммалар қарастырылған.

Кіріс кернеудің әртүрлілік функциясы ретіндегі операциялық күшейткіштің кіріс кернеуі. Нольдік нүкте кернеуінің компенсациясыз түсірілген пунктирмен көрсетілген сипаттама.

Нольдік жылжу кернеуін алып тастағаннан кейін тек қана оның уақытқа, температураға, кернеуге тәуелді өзгерістері қалады:

Құраушы ∂U₀/∂U_b номиналды мәнінен нольдік нүктенің жылжу өлшеміне қоректену кернеуінің ауытқу әсерімен сипатталады, әдетте 10 – 100мкВ/В құрайды. Сондықтан дрейдті құрастырушыны минимизациялау қажет болса, онда қоректену кернеуін бірнеше милливольтқа дейін нақты түрде қамтамасыз ету керек.

Келесіде нольдің жылжу кернеуі нольге тең және компенсацияланған деп есептеледі. Сонда (1.1) формуласы келесі түрде болады:

U_a = A_D U_D = A_D (U_P - U_N )

Солай тұра операциялық күшейткіштің шығыс кернеуі, динамикалық диапазоны шектерінде, кіріс кернеулердің әртүрлілігіне пропорционал болады.

Егер Р және N кірістеріне бірдей кернеу U_Gl берілсе, онда U_в нольдік мәнін өзгертпейді. (1.2) формуласы бойынша шығыс кернеу U_а сәйкесінше нольге тең болуы керек. Бірақ реалды дифференциалдық күшейткіштерге ол толық сәйкес келмейді, басқаша айтқанда синфазды сигналдың күшейту коэффициенті:

А_Gl = ΔU_а /Δ U_Gl

нольге міндетті түрде емес болуы мүмкін. Кіріс синфазалық сигналдың кейбір үлкен дерлік мәндерінде тез өседі. Қолданылған шығыс кернеудің диапазоны синфазалық сигналдың әлсіреу облысы деп аталады. Оның шектері қоректену кернеуінің оң және кері деңгейінен сәйкесінше 2В – қа кем. Операциялық күшейткіштің идеалды еместігі синфазалық сигналдың әлсіреу коэффициенті деп аталатын параметрімен сипатталады G = А_D / А_Gl . Оның типтік мәндері 10⁴ ÷ 10⁵ құрайды. Дифференциалды сигналдың күшейту коэффициенті анықтама бойынша әрқашан да оң болады. Оны бірақ та синфазалық сигналдың күшейту коэффициенті А_Gl туралы айтуға болмайды. Ол оң да, теріс те мәлдерін қабылдай алады.

Синфазалық сигналдың күшейту коэффициенті түсінігін қолданғанда, дифференциалдық сигналдың күшейту коэффициентін дербес туынды арқылы дұрыс анықтау қажет:

A_D ‗ ∂U_a

∂U_D U_Gl =const

Бола тұра шығыс кернеу үшін толық түрдегі формула пайда болады:

ΔU_a ‗ ∂U_a ΔU_D + ∂U_a ΔU_{Gl ,} (1.3)

∂U_D U_Gl ∂U_Gl U_D

немесе

ΔU_a = A_D ΔU_D + A_Gl ΔU_Gl ,

Осы қатынастардан синфазалық сигналдың әлсіреу коэффициентін тиімді анықталуы шығады. ΔU_a =0 –да :

G ‗ A_D ‗ - ΔU_Gl

A_Gl ΔU_D U_a =const

Күшейткіштің шығысындағы синфазалық сигналдың күшеюін компенсациялау үшін күшейткіштің кірісіне дифференциалдық кіріс кернеудің ΔU_D қандай мәнін беру керек екендігін синфазалық сигналдың әлсіреу коэффициенті көрсетеді. (1.3) формуласындағы жылжымалы кернеуін былай жазуға болады:

U_a = A_D (U_D – U_О) + A_GlU_Gl ,

Синфазалық кіріс сигналдың функциясы ретіндегі операциялық күшейткіштің шығыс кренуі.

немесе U_a = A_D [(U_D – U_О) + 1/2 U_Gl ] (1.4)

мұндағы U₀ → 0 және U_Gl → 0 қатынасы (1.1) формуласының түрін алады. U_D – ға қатысты теңдеудің шешімі:

U_D = U₀ + (U_a /A_D) – (U_Gl/G ) (1.5)

Идеалды операциялық күшейткіш үшін U₀ = 0, A_D → ∞ және G → ∞. Ол теорияда шығыс кернеудің U_a соңғы әр мәнін алу үшін U_D шектеусіз кіші кернеуін қою керек.

Универсалды қолдануға арналған операциялық күшейткіштің тұрақтылығы жағынан бірінші ретті төменгі фильтр сияқты жиілікті сипаттамасы болу керек. Сонымен қатар бұл талап жиілікке кем дегенде |AD|=1 дейін орындалуы қажет. Осы талаптарды орындау үшін операциялық күшейткіштің сұлбасында жиіліктің өте төмен кесуі бар төменгі жиілікті фильтр болуы қажет.

Комплексті жазбада осындай күшейтудің дифференциалды күшейту коэффициенті келесі формуламен көрсетіледі:

‌‌‌ A _D = ‌‌‌A _D / 1+j(f/f_gA) (1.6)

Мұнда ‌‌‌A _D - ‌‌‌A _D-ның төменгі жиіліктегі шекті мәні. f_gA жиіліктен жоғары 3дБ деңгейіндегі жіберу сырығының шектеріне сәйкес ‌‌‌A_D күшейту коэффициентінің модулі жиілікке қайта пропорционал. Осындайда осы жиілікті диапазонында қатынасы орындалады:

|A_D|f = A_D f_gA = f_T . (1.7)

f_T жиілігінде дифференциалды күшейту коэффициентінің модулі |AD|=1 (1.7) формуладан көрінгендей, f_T жиілігі күшейту коэффициенті туындысының түзулік кеңдігіне тең.