6.1. Основні уявлення та визначення

До них підсилювачів відносили багатокаскадні підсилювачі постій-появи лінійних інтегральних схем до класу операційного струму зі зворотними зв’язками, які використовували в аналоговій обчислювальній техніці для виконання операцій алгебраїчного додавання, віднімання, множення, ділення, диференціювання, інтегрування, логарифм-мування і т.ін.

Нині найбільш розповсюдженою підсилювальною інтегральною мікросхемою є операційний підсилювач (ОП). За призначенням ОП поділяються на: інвертуючи, неінвертуючі, диференційні, сумуючі, інтегруючі тощо.

Ідеальний ОП має надзвичайно високий коефіцієнт підсилення по напрузі і великий вхідний опір. Операційний підсилювач, здатний підсилювати широкий спектр частот аж до постійної складової.

Дрейф нуля ОП дуже малий тому, що основними каска-дами в ОП є диференційні підсилювачі. Оскільки в ОП використовують диференційні підсилювачі, в цьому разі мають два входи ­– прямий та інвертуючий.

На (рис.6.1,а) зображена функціональна схема ОП, а на (рис.6.1,б) – його передавальна характеристика. Живлення здійснюється від двох однакових джерел з’єднаних послідовно.

Передавальна характеристика в реальних ОП дещо зміщена вправо від початку координат.

Граничне значення напруги на виході ОП /_Uвих.max/ = (0,9…0,95 Е_ж). Лінійна ділянка АВ передавальної характер-ристики ОП обмежена дуже малим значенням вхідних сигналів.

Традиційними областями застосування ОП є обчислю-вальна аналогова техніка, апаратура обробки сигналів, вимірю-вальні пристрої і ін., в яких часто потрібне розв’язання операторних рівнянь при замиканні виходу ОП на інвертувальний вхід за допомогою пасивних кіл від’ємного зворотного зв’язку. При розгляді основних типових застосувань ОП у названих областях припустимо, що впливом власних параметрів підсилювача з врахуванням того, що К_U і R_вх досить великі, a R_вих досить малий їм можна знехтувати.

Рис.6.1. Операційний підсилювач:

а) функціональна схема ОП;

б) передавальна характеристика ОП.

При вхідному сигналі, який виходить за межі допустимих значень, вихідна напруга досягне рівня насичення і лишається незмінною. Крім того, коефіцієнт підсилення К_и ОП залежить від режиму роботи і, в першу чергу від температури отруючого середовища і значення напруги живлення. Тому, безпосередньо як підсилювач, ОП використовують лише за умови наявності зворотних зв’язків між виходом ОП і його входом.

6.2. Інвертуючий підсилювач

На рис.6.2. зображена принципова електрична схема інвертуючого підсилювача на базі ОП. Виводи, до яких прикладені напруги Е_ж в зображених підсилювачах прийнято не позначати.

Рис. 6.2. Принципова електрична схема інвертуючого підсилювача на базі ОП

З виходу ОП на інвертуючий вхід подається напруга зворотного зв’язку U_зз. Оскільки напруга U_зз подається на інвертуючий вхід, тоді вихідна напруга буде визначатися різницею U_вх–U_зз. Такий зворотний зв’язок називається від’ємний.

Неінвертуючий вхід може бути з’єднаний з загальною шиною (), або за допомогою резистора R₃, значення якого потрібно визначити за виразом:

.

Опір навантаження R_н повинен бути набагато більший за вихідний опір ОП (R_н >> R_вих), а вхідний опір ОП значно більший за R_1. Такі умови властиві реальним ОП. Вихідна напруга U_вих посилювального каскаду на ОП буде дорівнювати:

U_вих= U_вхK_U, (6.1)

де K_U – коефіцієнт підсилювання каскаду за наявністю зворотного зв’язку.

Таким чином, напруга на виході інвертуючого підсилювача залежить практично тільки від співвідношення значень резисторів R₁ та R₂, які виконують функцію дільника напруги з виходу на вхід ОП. Тоді:

U_вх = R₁  I_вх = R₁  i_вх. U_вих = R₂ I_вих.

Звідси можливо отримати коефіцієнт підсилення схеми:

K_U = U_вих / U_вх = -R₂ /R_1.

Остаточно запис вихідної напруги підсилювача має вигляд:

U_вих = - U_вх (R₂/R₁) (6.2)

Знак мінус вказує, що полярність вхідної і вихідної напруги є протилежними і тому схема підсилювача отримала назву інвертуючої. З введенням від’ємного зворотного зв’язку (ВВЗ) можна поліпшити деякі параметри неінвертуючого підсилювача такі як: стабільність коефіцієнту підсилення; підвищення вхідного каскаду з зменшенням його вихідного; розширити лінійну ділянку передавальної характеристики; зменшення спотворення передачі сигналів з входу на вихід, тощо. Все це здійснюється за зниження коефіцієнту підсилення ОП.