16

Міністерство освіти і науки України

Національний університет “Львівська політехніка”

Інститут енергетики та систем керування

Конспект лекції

”Операційні підсилювачі

та схеми промислової електроніки

на їхній основі“ з дисципліни «Промислова електроніка та перетворювальна техніка»

1. СХЕМА, КОНСТРУКТИВНЕ ВИКОНАННЯ, ПОЗНАЧЕННЯ, ОСНОВНІ ПАРАМЕТРИ ТА ЗАСТОСУВАННЯ ОПЕРАЦІЙНОГО ПІДСИЛЮВАЧА

Операційний підсилювач – це підсилювач постійного струму з великим коефіцієнтом підсилення.

Сьогодні операційні підсилювачі випускають у вигляді інтегральних мікросхем (ІМС). Інтегральний операційний підсилювач (ІОП) характеризується великим вхідним і малим вихідним опорами, дуже великим коефіцієнтом підсилення, низьким рівнем частотних і нелінійних спотворень. Вони використовуються в аналогових обчислювальних машинах для виконання математичних операцій додавання, множення, диференціювання, інтегрування, а також в імпульсній техніці для конструювання пристроїв генерування сигналів синусоїдної та імпульсної форм, стабілізаторів напруги, фільтрів тощо.

Основою ОП є мініатюрна пластинка з напівпровідникового матеріалу (як правило, з кремнію), всередині та на поверхні якої за спеціальною високоточною технологією у відповідних місцях і в необхідних співвідношеннях утворюють структури з домішкових напівпровідникових матеріалів, оксидів і чистих металів. На такій напівпровідниковій пластинці утворюється певна кількість ділянок, що мають властивості транзисторів, діодів, резисторів і конденсаторів, з'єднаних між собою відповідно до схеми операційного підсилювача. Утворену таким чином пластинку-мікросхему вкладають у герметичний корпус і з’єднують з необхідною кількістю виводів.

Випускається багато типів ОП загального та спеціального призначення, які об’єднують у серії. Відомі серії типу К140УД1, К140УД7, К553УД2, К554УД1А та ін.

На рис. 1 зображено умовне графічне позначення ОП. Позиційне літерне позначення інтегрального операційного підсилювача - DА. Воно відповідає інтегральним аналоговим схемам.

Рис. 1. Умовне графічне зображення ОП:

код DА – схема інтегральна аналогова;

– інвертувальний вхід;

– прямий (неінвертувальний) вхід.

На рис. 2 зображена принципова схема інтегрального операційного підсилювача К140УД1. Його літерно-цифрове позначення є таким: К – для апаратури широкого застосування; 1 – напівпровідникові; 40 – номер розробки даної серії; УД – підсилювач операційний; 1 – порядковий номер розробки схеми в серії мікросхем цього типу.

Інтегральний ОП має два входи: вх1 – не інвертувальний (прямий), вх2 – інвертувальний. Якщо подавати напругу U_вх1 на прямий вхід, то на виході отримаємо синфазну (що збігається за фазою) з вхідною вихідну напругу U_вих. Якщо напругу подавати на інвертувальний вхід U_вх2 , то вихідна напруга U_вих буде у протифазі до вхідної. Часто інвертувальний вхід використовують для утворення зовнішніх зворотних зв’язків.

Інтегральний операційний підсилювач ( рис. 2) має диференціальний вхідний каскад, виконаний на транзисторах VТ1 , VТ2, проміжні каскади підсилення напруги, виконані на транзисторах VТ5 - VТ6, вихідний каскад - емітерний повторювач, виконаний на транзисторах VТ7 - VТ9. Така структура забезпечує великі значення вхідного опору та коефіцієнта підсилення і мале значення вихідного опору ОП.

До основних параметрів ОП належать: К_uОП – коефіцієнт підсилення напруги (відношення приросту вихідної напруги до приросту вхідної напруги ОП); К_р – коефіцієнт підсилення за потужністю (відношення приросту вихідної потужності сигналу до приросту вхідної потужності сигналу ОП); максимальне значення вхідної напруги U_{вх макс} ; мінімальне значення вхідної напруги U_{вх мін} ; максимальне значення вихідної напруги U ⁺_{вих макс}; напруга джерела живлення Е_к; струм споживання І_сп (сила струму, яку споживає ОП в заданому режимі від джерела живлення); потужність споживання Р_сп; нижня гранична частота f_н; верхня гранична частота f_в; смуга пропускання f (діапазон частот між верхньою та нижньою граничними частотами); вхідний R_вх та вихідний R_вих опори. Наприклад, основні параметри підсилювача К140УД1 такі: напруга джерела живлення ±6,3 В, коефіцієнт підсилення напруги 600...4500, вихідний опір не більший за 700 Ом, вхідний опір не менший за 4000 Ом, струм споживання не більший за 6 мА, вхідна напруга ±1,5 В, вихідна напруга ±3 В.

Найважливішою характеристикою ОП є амплітудна або передавальна (рис. 3). Оскільки ОП має два входи (прямий та інвертувальний), амплітудні характеристики знімають під час подавання сигналу на кожний вхід окремо за нульового значення сигналу на іншому. Горизонтальні ділянки на графіку відповідають режиму відкритого (насиченого) або закритого стану транзистора вихідного каскаду. Зміна вхідного сигналу на цих ділянках не викликає зміни вихідного сигналу. Значення вихідного сигналу визначається відповідно напругами U ⁺_{вих макс}, U ^_{вих мін}.

Рис. 2. Схема інтегрального операційного підсилювача К140УД1

На похилих ділянках характеристик зміна вихідної напруги пропорційна зміні вхідної напруги. Нахил похилої ділянки визначається коефіцієнтом підсилення ОП

.

На рис. 3 амплітудні характеристики проходять через початок осей координат. Стан підсилювача, коли U_вих= 0 при U_вх=0 називається балансом ОП. Іноді спостерігається розбаланс підсилювача, коли за відсутності напруги на вході (U_вх=0) напруга на виході U_вих  0. Для отримання балансу необхідно на вхід підсилювача подати напругу зміщення U_зм0 такої величини, щоб вихідна напруга зменшилась до нуля. Причиною розбалансу може бути розкид параметрів транзисторів вхідного диференційного каскаду або зміна параметрів транзисторів та інших елементів схеми зі зміною температури.

Рис. 3. Амплітудні (передавальні) характеристики ОП

2. Електронні схеми на основі операційних підсилювачів

Операційні підсилювачі широко застосовують в аналогових схемах. Розраховуючи такі схеми без великої похибки можна приймати

K_uOП=; K_іOП=; R_вх=.

В імпульсній техніці вхідні сигнали перевищують значення, які відповідають похилій (лінійній) ділянці амплітудних характеристик, тому вихідна напруга ОП миттєво набува граничні значення _{вих мах} або _{вих мін}.

2.1. Аналогові схеми на основі оп

2.1.1. Інвертувальний підсилювач

Схема інвертувального підсилювача на основі ОП зображена на рис. 4. Якщо подавати вхідну напругу U_вх на інвертувальний вхід ОП, вихідна напруга U_вих буде змінюватися у протифазі до вхідної. У схемі інвертувального підсилювача використовується від’ємний зворотний зв’язок. Напруга зворотного зв’язку через опір Rзз подається на інвертувальний вхід підсилювача.

Рис. 4. Схема інвертувального підсилювача

У ході дослідження підсилювача слід з’ясувати залежність коефіцієнта підсилення ОП від параметрів схеми.

За першим законом Кірхгофа можна записати рівняння вхідного струму

I_оп= І_вх+ І₃₃.

Якщо врахувати, що R_вх=, то I_оп=0, а І_вх = -І₃₃.

Вхідна напруга ОП може бути визначена за другим законом Кірхгофа:

а) для вхідного контура U_o=U_вх-І_вхR₁;

б) для вихідного контура U_o=U_вих – І₃₃R₃₃.

Зваживши, що , і врахувавши, що І_вх = -І₃₃ , отримуємо таку пропорцію:

.

Звідси коефіцієнт підсилення інвертувального підсилювача

.

Отже, коефіцієнт підсилення К_u залежить від пасивних елементів R_зз та R₁.

2.1.2. Неінвертувальний підсилювач

Неінвертувальий підсилювач рис. 5 підсилює вхідну напругу U_вх в К_U разів, зберігаючи на виході знак вхідної напруги. У підсилювачі утворюють від’ємний зворотний зв’язок за напругою. Напруга U₁ зворотного зв’язку з опору R₁ подається на інвертувальний вхід. Значення напруги зворотного зв’язку

, оскільки І_оп=0.

За другим законом Кірхгофа вхідна напруга операційного підсилювача U_o дорівнює

U_о=U₁-U_вх.

Зваживши, що , та, підставивши в останнє рівняння значення U₁, одержимо

.

Тоді коефіцієнт підсилення неінвертувального підсилювача

.

Якщо прийняти R_зз=0, то отримаємо повторювач вхідної напруги з коефіцієнтом підсилення К_u =1.

Рис. 5. Схема неінвертувального підсилювача

2.1.3. Суматор (інвертувальний суматор)

Розділи 2.1.3 – 2.1.4 призначені для факультативного вивчення (не охоплені програмою дисципліни).

Схема інвертувального суматора зображена на рис. 6. Принцип роботи суматора подібний до розглянутого в п. 3.1.1 принципу роботи інвертувального підсилювача. Аналізуючи режим роботи суматора слід пам’ятати, що І_оп → 0, бо R_вх→ ∞, тому маємо рівняння І_вх= - І₃₃.

За першим законом Кірхгофа І_вх= І₁+І₂+І₃+…+ І_n.

Для визначення струмів І₁, І₂, І₃, …, І_n та І₃₃ слід скласти рівняння для вхідних і вихідного контурів підсилювача за другим законом Кірхгофа враховуючи, що

Рис. 6. Схема інвертувального суматора

Із системи рівнянь знаходимо струми І₁, І₂, І₃, …, І_n, І_вх, І_зз і, підставивши їхні значення у рівняння, яке сформоване за першим законом Кірхгофа, отримаємо:

.

Звідси вихідна напруга

Якщо прийняти R_зз=R₁+ R₂+ R₃+…+ R_n, то вихідна напруга дорівнюватиме сумі вхідних напруг, але з від’ємним знаком. А якщо R_зз R₁ R₂ R₃ … R_n, то додавання вхідних напруг здійснюватиметься у масштабі, який визначається відношенням опору резистора ланки зворотного зв’язку до опору резистора відповідного входу.