8.5. Операційні підсилювачі

Розвиток мікросхемотехніки мав великий вплив на напрямки розробки і засто­сування напівпровідникових підсилювачів. Поява дешевих ІМС, які великими серіями випускаються промисловістю, зробила доцільним використання складних і досконалих схем підсилювачів з універсальними властивостями. Притому користувач може і не знати внутрішню будову таких універсальних пристроїв, а обмежитись лише знанням його можливостей. Найбільш розповсюдженою підсилювальною ІМС є операційний підсилювач (ОП). Ідеальний ОП має надзвичайно високий коефіцієнт підсилення по напрузі великий вхідний опір і малий вихідний опір ОП підсилює широкий спектр частот аж до постійної складової. Дрейф нуля ОП дуже малий. Оскільки в ОП використовують диференційні підсилювачі, вони мають два входи – прямий й інвертувальний. Внаслідок подачі вхідної напруги на прямий вхід а внаслідок подачі на інвертувальний вхід При наявності вхідних напруг на обох входах

На рис. 8.11, а показано позначення ОП на схемах, а на рис. 8.11, б – його передавальна характеристика. ОП має два джерела живлення, два входи і один вихід. Всі напруги, зазначені на рис. 8.11, а, існують відносно одного спільного проводу, не показаного на схемі. Передавальна характеристика в реальних ОП дещо зміщена вправо від точки Граничне значення напруги на виході ОП Лінійна ділянка АВС передавальної характеристики ОП обмежена дуже малим значенням вхідних напруг. При виході вхідної напруги за ці межі, вихідна напруга лишається незмінною, тобто спостерігаються нелінійні спотворення сигналу. Крім того, коефіцієнт підсилення напруги таких ОП сильно залежить від режиму роботи і, перш за все, від температури. Тому безпосередньо як підсилювальний пристрій такий ОП використовується лише з додаванням зворотних зв'язків між виходом ОП і його входом.

Рис. 8.8 Операційний підсилювач та його передавальна функція

На рис. 8.12, а наведена принципова схема неінвертувального підсилювача на базі ОП. Виводи, до яких прикладені напруги в зображеннях підсилювачів звичайно не показують. Вхідний сигнал подається на прямий вхід ІМС. З виходу ОП на інвертувальний вхід подається напруга зворотного зв'язку Зворотним зв'язком називається передача інформації (або енергії) з виходу будь-якого пристрою або системи на його вхід. Оскільки напруга подана на інвертувальний вхід, вихідна напруга визначається тепер різницею Такий зворотний зв'язок називається від'ємним (ВЗЗ).

Рис. 8.12 Принципова схема неінвертувального

підсилювача на базі ОП.

Приймемо, що опір навантаження Такі умови в реальних ОП легко виконуються. Тоді напруга зворотного зв'язку:

(8.9)

Тоді, при наявності 33 вихідна напруга ОП визначається різницею напруг на його входах:

Тут - коефіцієнт підсилення ОП із 33. Припустимо, що ОП без 33 (рис. 8.11, а) мав на прямому вході напругу а на інверсному

Такому стану вхідних сигналів відповідала вихідна напруга Для досягнення тієї ж самої напруги при наявності ВЗЗ необхідно подати на прямий вхід напругу Отже Звідси:

(8.10)

Таким чином ВЗЗ зменшує коефіцієнт підсилення. Оскільки в ОП з (8.10) отримаємо:

(8.11)

З (8.11) витікає, що визначається лише співвідношенням опорів і не залежить від конкретної ІМС. Це дозволяє стабілізувати коефіцієнт підсилення і розширити зону лінійного підсилення (рис. 8.12, б). Нахил передавальної характеристики на лінійній ділянці АОВ визначається коефіцієнтом підсилення : лінія 1 відповідає а лінія 2 - В такій спосіб за рахунок зниження коефіцієнта підсилення можна розширяти лінійну зону передавальної характеристики підсилювача і зменшити його нелінійні спотворення.

При роботі на лінійній ділянці передавальної характеристики ОП а коефіцієнт підсилення Тому тобто у режимі лінійного підсилення напруга між входами ОП дуже мала. Ця властивість притаманна будь-яким схемам вмикання ОП.

В підсилювальних пристроях широко використовується також схема інвертувального ОП з ВЗЗ, показаного на рис. 8.13, а. Вхідний сигнал і сигнал ВЗЗ подаються на інвертувальний вхід ОП, при цьому відбувається додавання струмів та Знайдемо підсилювальні параметри ОП, прийнявши, що В реальних ОП такі умови легко виконуються. Оскільки у ОП то

Під час роботи ОП на лінійній ділянці передавальної характеристики напруга між його входами (див. рис. 8.13, а). Тоді:

(8.12)

(8.13)

Звідси легко отримати коефіцієнт підсилення схеми рис. 8.13, а:

(8.14)

Знак, мінус вказує, що полярності вхідної і вихідної напруги є протилежними. Коефіцієнт підсилення лінійна ділянка передавальної характеристики розширюється за рахунок введення ВЗЗ і сигнали більшої амплітуди передаються без спотворень.

Рис. 8.13 Схема інвертувального ОП з ВЗЗ

Таким чином, введенням ВЗЗ за рахунок погіршення одного з параметрів (зниження коефіцієнта підсилення можна поліпшити інші параметри - підвищити стабільність коефіцієнту підсилення, розширити лінійну ділянку передавальної характеристики і зменшити спотворення передачі сигналів з великою амплітудою.

На ОП створюються також схеми, призначені для виконання операцій додавання, віднімання, диференціювання та інтегрування вхідних сигналів. Такі схеми також знаходять широке застосування в пристроях автоматичного керування. Вони складають основу аналогових ЕОМ.