7.6. Контрольнi запитання

1. За якими ознаками класифiкуються пiдсилювачi?

2. Якi основнi характеристики пiдсилювачiв напруги?

3. Як класифікуються мікросхеми?

4. В чому полягає планарно-дифузійна технологія виготовлення мікросхем?

5. В чому полягає планарно-епітаксійна технологія виготовлення мікросхем?

6. Якi переваги мають інтегральні підсилювачі?

7. Які пристрої входять до складу мікросхеми К174УН14?

8. Вiд чого залежить величина коефiцiєнта пiдсилення каскаду зi спiльним емiтером?

9.Якi особливостi емiтерних повторювачiв?

10.Якi вiдмiнностi пiдсилюючих каскадiв з польовими транзисторами?

Робота 8. Дослідження операційного підсилювача

8.1. Мета роботи

Ознайомитись з особливостями електричних схем і роботою операційних підсилювачів. Вивчити роботу операційного підсилювача з програмованим коефіцієнтом підсилення.

8.2. Теоретичні відомості

Операційними підсилювачами називають диференціальні підсилювачі постійного струму з великим коефіцієнтом підсилення (десятки тисяч), великим вхідним опором (одиниці мегаом) та незначним дрейфом нуля. Вони призначені для виконання таких елементарних математичних операції над аналоговими (неперервними) сигналам як сумування, диференціювання, інтегрування, перемноження, логарифмування. Операційні підсилювачі знаходять широке використання в електричних засобах автоматизації. Вони є основними аналоговими елементами аналогових обчислювальних машин і аналогових обчислювальних пристроїв.

Операційні підсилювачі працюють зі зворотними від'ємними зв'язками. Під зворотним зв’язком розуміють електричний зв’язок, через який частина енергії з виходу підсилювача поступає на його вхід. Зворотний зв’язок здійснюється через елементи, які можна розглядати як чотириполюсник з коефіцієнтом передачі . Глибина зворотного зв’язку визначається величиною . Розрізняють зворотні зв’язки за напругою, за струмом і комбіновані.

При зворотному зв’язку за напругою коло зворотного зв’язку підмикається паралельно до навантаження підсилювача, а напруга зворотного зв’язку прикладається паралельно до входу підсилювача (рис.8.1, а). При цьому напруга зворотного зв’язку . Якщо ж зворотний зв’язок здійснюється за допомогою резистора невеликого опору , включеного послідовно з навантаженням, то його називають зворотним зв’язком за струмом і (рис.8.1, б). Обидва способи можуть застосовуватися одночасно - тоді зворотний зв’язок буде комбінований.

Напруга зворотного зв’язку може подаватися на вхід підсилювача послідовно з напругою вхідного сигналу (послідовний зворотний зв’язок) або паралельно (паралельний зворотний зв’язок).

При від’ємному зворотному зв’язку напруга зворотного зв’язку діє у протифазі із вхідною напругою, при додатному - співпадає з вхідною напругою.

а) б) в)

Рис. 8.1. Структурні схеми підсилювачів зі зворотними

зв’язками: а- за напругою паралельний; б- за струмом

паралельний; в- за напругою послідовний.

Вид операції, яку реалізує підсилювач, залежить від величини і характеру елементів, включених у коло зворотного зв'язку. Вираз для коефіцієнта підсилення операційного підсилювача з від’ємним зворотним зв’язком, утвореним резисторами R1 i R2 (рис. 8.2), можна знайти так.

Рис. 8.2. Схема операційного підсилювача

з резистивним зворотним зв’язком.

За першим законом Кірхгофа для вузла А є справедливо

. /1/

На основі закону Ома запишемо вирази для струмів I₁ i I₂

. /2/

Вхідним струмом I_вх можна знехтувати, так як вхідний опір операційного підсилювача дуже великий. За цих умов рівняння /1/ приймає вигляд

. /3/

Напруга U₁ вузла А зв'язана з вихідною напругою через коефіцієнт підсилення підсилювача K_u без зворотного зв'язку

/4/

Після підстановки /4/ у /3/ отримуємо

. /5/

Рівняння /5/ можна перетворити до виду

. /6/

Розв’язавши рівняння /6/ відносно U_вих/U_вх, знаходимо вираз для визначення коефіцієнта підсилення операційного підсилювача з від’ємним зворотним зв’язком

, /7/

При великому значенні К_u вирази і є малими величинами і ними можна знехтувати. За цієї умови остаточно отримуємо

. /8/

З виразу /8/ видно, що коефіцієнт підсилення операційного підсилювача зі зворотним зв’язком визначається співвідношенням величин опорів, включених у коло від’ємного зворотного зв’язку, і не залежить від параметрів самого підсилювача. В розглянутій схемі підсилювача реалізується функція масштабування вхідної величини, тобто множення її на масштабний коефіцієнт, рівний . Наявність від’ємного зв’язку стабілізує також величину коефіцієнта підсилення та зменшує спотворення вихідного сигналу.

Вмикаючи різні елементи у коло зворотного зв’язку, можна отримувати різні передаточні функції, які відповідають певним математичним перетворенням аналогових сигналів. На рис. 8.3 приведені схеми операційних підсилювачів, які реалізують операції сумування і інтегрування. Можна показати, що для напруги на виході суматора (рис.8.3,а) справедливий вираз . При ввімкненні у коло зворотного зв’язку конденсатора С (рис. 8.3,б) підсилювач реалізує операцію інтегрування . Передаточна функція інтегратора W(p) = K/p, де .

а) б)

Рис.8.3.Схеми суматора (а) і інтегратора (б).

Схеми диференціюючого і аперіодичного підсилювачів приведено на рис.8.4.

а) б)

Рис.8.4.Схеми і передаточні функції диференціюючого (а) і аперіодичного (б) підсилювачів.

В даний час операційні підсилювачі виготовляють у вигляді інтегральних мікросхем. З принципами побудови операційних підсилювачів можна ознайомитись на прикладі спрощеної електричної схеми інтегральної напівпровідникової мікросхеми К140УД1 (рис.8.5).

Рис.8.5.Спрощена схема операційного підсилювача К140УД1.

Схема підсилювача складається з трьох каскадів. Перший каскад є симетричним диференціальним підсилювачем, виконаним на транзисторах VT1 i VT2. В емітерне коло транзисторів замість резистора ввімкнуто стабілізатор струму на транзисторі VT3. Стабілізатор чинить малий опір для постійної складової струму емітерів, але великий - для змінної складової, що значно покращує характеристики каскаду. Напруги вхідних сигналів можна прикладати між базами транзисторів VT1, VT2 і загальним провідником, потенціал якого рівний нулю. З колекторів транзисторів VT1, VT2 підсилена напруга поступає безпосередньо на входи другого каскаду.

Другий каскад підсилювача - балансний несиметричний, виконано на транзисторах VT4 і VT5. З колектора транзистора VT5 підсилений сигнал через подільник напруги, утворений резисторами R9 i R10, передається на вхід третього вихідного каскаду підсилювача. Опори R9 i R10 підібрані таким чином, що при відсутності вхідної напруги вихідна напруга каскаду рівна нулю. Вихідний каскад на транзисторі VT6 є емітерним повторювачем і служить для підсилення потужності та узгодження опорів підсилювача і навантаження. В дійсності, для забезпечення високого коефіцієнта підсилення та стабільності роботи підсилювача в широкому частотному діапазоні вихідні каскади виконуються за значно складнішими схемами. Живлення підсилювача двополярне. Джерела живлення вмикають послідовно, а точку їх сполучення з’єднують з загальним провідником.