3.1 Класифікація операційних підсилювачів та їх основні параметри
Операційні підсилювачі відносяться до аналогових мікросхем і призначені для перетворення і обробки сигналів, що змінюються за законом неперервної функції. І хоча останнім часом широко застосовується цифрова обробка інформації, аналогові мікросхеми також знаходять усе ширше застосування як самостійні пристрої так і сумісні з використанням цифрових мікросхем. Завдяки своїм багатогранним можливостям операційні підсилювачі практично витіснли пристрої на дискретних транзисторах і стали базовим елементом у аналоговій схемотехніці.
Особливістю аналогових мікросхем є більша у порівнянні з цифровими кількість параметрів, що необхідна для їх правильного застосування, складність внутрішньої будови і необхідність у кількох джерелах живлення. Як правило, для виконання заданих функцій аналоговим мікросхемам необхідне під’єднання зовнішніх елементів, кількість яких може бути значною.
Операційний підсилювач (ОП) – це пристрій з великим коефіцієнтом підсилення і безпосередніми зв’язками, який застосовується, в основному, як активний елемент у схемах із зворотніми зв’язками. ОП призначений для виконання різноманітних операцій над аналоговими сигналами. Назва «операційний» вказує, що за допомогою такого підсилювача можна вирішувати операторні рівняння, якщо вихід ОП через відповідні пасивні ланки зворотного зв’язку (ЗЗ) замкнути на інвертуючий вхід. У цьому випадку передавальна характеристика замкнутої системи з ОП з великою точністю буде відповідати характеристиці ланки ЗЗ і не залежатиме від параметрів самого ОП.
ОП тим точніше буде реалізовувати задану для нього певною схемою включення функцію, чим ближчими будуть його параметри до параметрів «ідеального ОП». «Ідеальними ОП» називається ОП, передавальна функція якого визначається тільки параметрами ланки зовнішнього ЗЗ, яким він охоплений.
З цього слідує, що «ідеальний ОП» повинен мати наступні параметри:
- нескінченний вхідний опір,
- нескінченний коефіцієнт підсилення напруги,
- нескінченну смугу пропускання,
- нескінченну швидкість наростання вихідного сигналу,
- нескінченний вихідний струм,
- нескінченний коефіцієнт послаблення синфазного сигналу на диференційних входах,
- нульову напругу зміщення,
- нульовий вхідний струм,
- нульовий вихідний опір,
- нульовий струм споживання,
- нульовий рівень шумів і спотворень сигналу.
Реальні ОП за своїми параметрами у тій чи іншій мірі наближаються до «ідеального ОП».
Вхідний каскад ОП виконано у вигляді диференційного підсилювача, тому він має два входи і реагує на різницю прикладеної на них напруги.
Перші ОП, що розроблялись в 60-тих роках будувалися за трикаскадною моделлю, аналогічно підсилювачам на аналогових елементах. Структура такого підсилювача представлена на рис. 3.1
Рисунок 3.1 – Загальна структурна схема операційного підсилювача
Трикаскадна схема ранніх розробок визначалась вхідним каскадом, побудованим за схемою простого ДП з емітерним зв'язком і резисторами навантаження. Оскільки вхідний опір ДП обернено пропорційний рівню його вхідного струму і0, то цей струм вибирався на рівні десятків мікроампер (при зменшенні струму покращуються шумові і дрейфові параметри ОП). Через малий струм простий ДП має малий коефіцієнт підсилення. Вихідні сигнали в такій схемі знаходяться в додатній області. Малий коефіцієнт підсилення змушує використовувати в схемі інші каскади підсилення напруги ПН, а збільшення рівня вимушує використовувати спеціальний каскад, що зсуває потенціал із додатної області у від'ємну, щоб можна було отримати двополярний вихідний сигнал. Схеми зсуву рівня і формування вихідного сигналу часто об'єднуються і утворюють третій вихідний каскад ОП- підсилювач амплітуди ПА.
Для переходу до низькоомних навантажень практично всі схеми ОП закінчуються емітерними повторювачами (підсилювачами із загальним колектором ЗК) [8].
Умовні графічні зображення ОП на принципових електричних схемах наведено на рис. 3.2 [9].
а б
а – зображення за старими стандартами,
б – зображення за новими стандартами
Рисунок 3.2 – Умовні графічні зображення ОП
Як правило, переважаюча більшість ОП має два диференційні входи, позначені на рисунку 3.2 знаками «+» та «-» і один вихід. Знаком «+» позначено неінвертуючий вхід, а знаком «-» - інвертуючий.
Основною задачею ОП є отримання на виході напруги, що буде пропорційною тільки різниці потенціалів Uвх1, Uвх2 на входах ОП і не залежатиме від їх абсолютного значення, зміни напруги живлення, температури навколишнього середовища та інших факторів:
(3.1)
Вираз для вихідної напруги не містить постійної складової вхідної напруги і, теоретично ОП не підсилює загальний (синфазний) для обох входів сигнал, оскільки постійний рівень подавляється у результаті віднімання і не впливатиме на вихідну напругу. Однак, на практиці повного подавлення постійної складової добитись важко, оскільки параметри навіть інтегральних транзисторів і резисторів на можуть бути ідеально узгоджені.
Система умовних позначень на корпусах ОП (рис. 3.3) регламентована ГОСТ 17467 -79 для п’яти типів корпусів мікросхем. Буквенно – цифрове позначення типу мікросхеми наноситься безпосередньо на її корпусі. Приклад позначення мікросхеми в круглому корпусі наведено на рис. 3.3. Без букви вважається металеве виконання корпусу, буква К означає «для широкого призначення». Додатково можуть застосовуватися букви. Наступне поле номер серії і складається із 3-4 цифр, третє поле шифр функціонального призначення мікросхеми. В ОП шифр «УД». Четверте поле номер виробу у серії. П'яте поле буква, що вказує на відмінність якогось параметру даної мікросхеми від інших мікросхем із однакової серії і одного виконання [1].
К 140 УД 6 А
Рисунок 3.3- Приклад умовного позначення типу ОП
ОП створено для схем, властивості яких повністю визначаються параметрами зворотного зв'язку ОП. В такому випадку ОП повинен наближатися за своїми параметрами до ідеального ОП, в якого безмежний коефіцієнт підсилення, в безмежній смузі пропускання, безмежний вхідний опір і нульовий вихідний опір. Крім того, підсилювач не повинен мати похибок, пов'язаних із температурою і часом.
Основні параметри операційних підсилювачів
Коефіцієнт підсилення напруги КПU – це відношення вихідної напруги ОП до його вхідної напруги на низькій частоті при розімкнутій ланці ЗЗ (в режимі холостого ходу). Для більшості ОП КПU = 104 – 105. Коефіцієнт підсилення напруги ОП є функцією частоти, тому із збільшенням частоти він зменшується.
Вхідний опір ОП Rвх – це опір по відношенню до вхідного сигналу. Розрізняють диференційний і синфазний вхідні опори. Rвх.д - це відношення незначної зміни диференційної вхідної напруги до результуючої зміни вхідного струму при збереженні лінійності вихідної напруги:
(3.2)
У реальних ОП Rвх.д становить 300 – 10000 кОм.
Значення синфазного вхідного опору, як правило, перевищує значення диференційного на один – два порядки. Цей параметр у паспортах на ОП, як правило, не вказується.
Найбільший вхідний опір мають ОП з польовими транзисторами на вході, де Rвх=100 – 1000 МОм.
Вихідний опір ОП Rвих визначається по відношенню до опору навантаження. У залежності від конкретного типу ОП його вихідний опір знаходиться в межах від десятків до сотень Ом.
Вхідна напруга зміщення Uзм визначає постійну напругу, яку треба подати на вхід ОП для того, щоб його вихідна напруга стала рівною 0. ОП реалізується як мікросхема із значною кількістю транзисторів, характеристики яких мають певний розкид, що призводить до появи постійної напруги на виході при відсутності сигналу на вході. Типові значення напруги зміщення для ОП з біполярними транзисторами знаходяться в межах від кількох до десятка мВ, а для ОП з польовими транзисторами - від кількох десятків до сотень мВ. Певні типи ОП останніх випусків мають напруги зміщення порядку долі мкВ.
Вхідний струм зміщення Ізм дорівнює середньому арифметичному значенню двох вхідних струмів ОП при вихідній напрузі, що рівна 0. Вхідні струми зумовлені необхідністю забезпечення нормального режиму роботи диференційного каскаду і для ОП з біполярними транзисторами мають значення від 10 нА до 10 мкА, а для ОП з польовими транзисторами – 1 – 10 пА.
Частота одиничного підсилення f1 – це значення частоти вхідного сигналу, при якому коефіцієнт підсилення напруги ОП падає до одиниці. Частота одиничного підсилення визначає активну смугу пропускання ОП. Для більшості ОП частота одиничного підсилення становить 1 МГц, а для швидкодіючих ОП – десятки МГц. Існують ОП спеціального призначення, у яких смуга пропускання розширена до 1 ГГц.
Швидкість наростання вихідного сигналу VUвих – це відношення приросту напруги на виході до часу її наростання. Для більшості ОП загального призначення швидкість наростання становить від одиниць до десятка В/мкс. Швидкодіючі ОП мають швидкість наростання вихідного сигналу сотні і тисячі В/мкс.
Коефіцієнт послаблення синфазних вхідних напруг Кос.сф. визначається як відношення коефіцієнта підсилення напруги ОП до коефіцієнта підсилення синфазних вхідних напруг:
(3.3)
Максимальна вихідна напруга Uвих макс. – максимальне значення вихідної напруги ОП, при якому спотворення сигналу не перевищують заданого значення.
Вихідний струм Івих – максимальне значення вихідного струму ОП, при якому гарантується працездатність пристрою.
Усі електричні параметри ОП вимірюються при живленні ОП від двох різнополярних напруг, що рівні між собою по величині [1].