2 Операційні підсилювачі

2.1 Загальні відомості

Операційним підсилювачем (ОП) прийнято називати інтегральний підсилювач постійного струму з диференціальним входом і двотактним виходом, призначений для роботи з зворотним зв'язком. Назва підсилювача обумовлена первісною областю його застосування – виконання різних операцій над аналоговими сигналами (додавання, віднімання, інтегрування та ін.). В даний час ОП виконують роль багатофункціональних вузлів при реалізації різноманітних пристроїв електроніки різного призначення. Вони застосовуються для підсилення, обмеження, перемноження, частотної фільтрації, генерації, стабілізації і т.д. сигналів в пристроях безперервної та імпульсної дії.

Необхідно зазначити, що сучасні ОП за своїми розмірами і ціною незначно відрізняються від окремих дискретних елементів, наприклад, транзисторів. Тому виконання різних пристроїв на ОП часто здійснюється значно простіше, ніж на дискретних елементах або на підсилювальних ІМС.

Ідеальний ОП має нескінченно великий коефіцієнт підсилення за напругою ( ), нескінченно великий вхідний опір, нескінченно малий вихідний опір, нескінченно великий коефіцієнт від'ємного зворотного зв’язку (ВЗЗ) і нескінченно широку смугу робочих частот. Природно, що на практиці жодна з цих властивостей не може бути реалізована повністю, однак до них можна наблизитися в достатній для багатьох областей мірі.

На рис. 2.1 наведено два варіанти умовних позначень ОП – спрощений (а) і з додатковими виводами для підключення схем живлення і схем частотної корекції (б).

Рисунок 2.1 – Умовні позначення ОП

На основі вимог до характеристик ідеального ОП можна синтезувати його внутрішню структуру, представлену на рис. 2.2.

Рисунок 2.2 – Структурна схема ОП

Спрощена електрична схема звичайного ОП, що реалізує структурну схему рис. 2.2, показана на рис. 2.3

Рисунок 2.3 – Схема звичайного ОП

Дана схема містить вхідний диференційний підсилювач (ДП) ( ) з струмовим дзеркалом ( і ), проміжні каскади з СК ( ) і з СЕ ( ) і вихідний струмовий бустер на транзисторах і . ОП може містити кола частотної корекції ( ), кола живлення і термостабілізації ( і ), джерела стабільного струму (ДСС1 та ДСС2). Двополярне живлення дозволяє здійснити гальванічний зв'язок між каскадами ОП і забезпечити нульові потенціали на його входах і виході у відсутності сигналу. З метою отримання високого вхідного опору вхідний ДУ може бути виконаний на ПТ. Слід відзначити велику різноманітність схемних рішень ОП, однак основні принципи їх побудови досить вичерпно ілюструє рис. 2.3.

2.2 Основні параметри та характеристики оп

Основним параметром ОП є коефіцієнт підсилення за напругою без зворотного зв'язку , який називають також повним коефіцієнтом підсилення за напругою. В області НЧ і СЧ він іноді позначається і може досягати близько десятків і сотень тисяч.

Важливими параметрами ОП є його параметри точності, які визначаються вхідним диференціальним каскадом:

• напруга зсуву нуля ;

• температурна чутливість напруги зміщення нуля ;

• струм зміщення ;

• середній вхідний струм .

Вхідні і вихідні електричні кола ОП характеризуються вхідним і вихідним опорами ( і ), що приводяться для ОП без електричних кіл НЗЗ. Для вихідного кола даються також такі параметри, як максимальний вихідний струм і мінімальний опір навантаження , а іноді і максимальна ємність навантаження. Вхідне коло ОП може включати ємність між входами і загальною шиною. Спрощені еквівалентні схеми вхідного і вихідного кола ОП представлені на рис. 2.4.

Рисунок 2.4 – Проста нелінійна макромодель ОП

Серед параметрів ОП слід відзначити коефіцієнт НЗЗ і коефіцієнт послаблення впливу нестабільності джерела живлення Кн = . Обидва цих параметра в сучасних ОП мають свої значення в межах (60 ... 120) дБ.

До енергетичних параметрів ОП відносяться напруга джерел живлення , струм споживання (спокою) і споживана потужність. Як правило , становить десяті частки – десятки міліампер, а споживана потужність – одиниці – десятки міліват.

До максимально допустимих параметрів ОП відносяться:

• максимально можлива (неспотворена) вихідна напруга сигналу (зазвичай трохи менше Е);

• максимально допустима потужність розсіювання;

• робочий діапазон температур;

• максимальна напруга живлення;

• максимальна вхідна диференційна напруга та ін.

До частотних параметрів відноситься абсолютна гранична частота або частота одиничного підсилення , тобто частота, на якій . Іноді використовується поняття швидкості наростання і часу встановлення вихідної напруги, що визначаються за реакцією ОП на вплив стрибка напруги на його вході. Для деяких ОП наводяться також додаткові параметри, що відображають специфічну сферу їх застосування.

Амплітудні (передатні) характеристики ОП представлені на рис. 2.5 у вигляді двох залежностей для інвертуючого і не інвертуючого входів.

Коли на двох входах ОП , то на виході буде присутня напруга помилки , яка визначається точнісними параметрами ОП (на рис. 2.5 не показано через незначну його величину).

Рисунок 2.5 – Амплітудна характеристика ОП

Частотні властивості ОП представляються його АЧХ, виконаній в логарифмічному масштабі . Така АЧХ називається логарифмічною (ЛАЧХ), її типовий вигляд наведено на рис. 2.6.

Частотну залежність можна представити у вигляді:

.

Тут стала часу ОП, яка при визначає частоту зрізу ОП (див. рис. 2.6);

Замінивши у виразі для на , отримаємо запис ЛАЧХ:

.

Рисунок 2.6 – ЛАХЧ і ЛФЧХ ОП К140УД10

На НЧ і СЧ , тобто ЛАЧХ являє собою пряму, паралельну осі частот. З деяким наближенням можемо вважати, що в області ВЧ спад відбувається зі швидкістю 20дБ на декаду (6дБ на октаву). Тоді при можна спростити вираз для ЛАЧХ:

Таким чином, ЛАЧХ в області ВЧ представляється прямою лінією з нахилом до осі частот 20дБ/дек. Точка перетину розглянутих прямих, що представляють ЛАЧХ, відповідає частоті зрізу . Різниця між реальною ЛАЧХ і ідеальною на частоті становить порядка 3дБ (див. рис. 2.6), проте для зручності аналізу з цим миряться, і такі графіки прийнято називати діаграмами Боде.

Слід зауважити, що швидкість спаду ЛАЧХ 20дБ/дек характерна для скоригованих ОП з зовнішньою або внутрішньою корекцією, основні принципи якої будуть розглянуті нижче.

Для скоригованого ОП можна розрахувати на будь-якій частоті f як , а .

На рис. 2.6 представлена також логарифмічна ФЧХ (ЛФЧХ), яка являє собою залежність фазового зсуву вихідного сигналу відносно вхідного від частоти. Реальна ЛФЧХ відрізняється від представленого не більше ніж на 6. Відзначимо, що і для реального ОП на частоті , а на частоті . Таким чином, власний фазовий зсув робочого сигналу в скоригованому ОП в області ВЧ може досягти .

Розглянуті вище параметри та характеристики ОП описують його при відсутності кіл НЗЗ. Однак, як зазначалося, ОП практично завжди використовується з колами НЗЗ, які суттєво впливають на всі його показники.