Операційний підсилювач

Хороший підсилювач повинен задовольняти таким вимогам:

n мати великий коефіцієнт підсилення ;

n великий вхідний опір та малий вихідний опір ;

n широку смугу пропускання за частотою;

n здатність підсилювати постійну напругу зі зсувом режимної складової на виході;

n диференціальні входи з великим коефіцієнтом ослаблення за синфазним сигналом ;

n малі нелінійні спотворення при майже повному використанні напруги живлення;

n малий температурний дрейф нуля ;

Всім або майже всім цим вимогам відповідає операційний підсилювач (ОП), названий так тому що за його допомогою можна виконувати більшість операцій, потрібних для підсилення і обробки сигналів. До того ж операційні підсилювачі виготовляються у вигляді ІМС, габарити, вага та вартість яких не набагато перевищує аналогічні показники для звичайного транзистора.

так наприклад. ОП типу К153УД3, що являє собою інтегральну мікросхему середнього ступеню інтеграції, має такі параметри: коефіцієнт підсилення (диференціальний)

дБ, >300 кОм, < 200 Ом, >80 дБ, 10 В при напрузі живлення 15 В, 10 мкВ/K.

На схемах ОП зображається символічно у вигляді трикутника (рис.7.1) з двома диференціальними входами: інвертуючим («-«) та неінвертуючим («+»). Операційні підсилювачі живляться звичайно від двох різнополярних джерел живлення .

Блок - схема ОП складається здебільше з трьох каскадів (рис.7.2): вхідного диференціального підсилювача (1); проміжного підсилювача (2), що забезпечує основне підсилення сигналу та зсув його рівня, і вихідного каскаду (3), який звичайно являє собою емітерний повторювач.

7.1. Принципова схема операційного підсилювача

Принципова схема ОП звичайно досить складна. Як приклад розглянемо один з найпростіших ОП, який певною мірою став «класичним» - ОП типу К140УД1 (рис.7.3).Він складається з 9 транзисторів, 12 резисторів і одного діода. Перший каскад - це вже знайомий нам диференціальний підсилювач на транзисторах та . Транзистор служить емітерним опором цього каскаду, а застосовується для термокомпенсації. Різницева напруга з виходу першого каскаду подається на другий диференціальний підсилювач ( і ) з емітерним опором . Тут не потрібний великий емітерний опір, оскільки у вихідній напрузі першого диференціального підсилювача синфазного сигналу вже немає.

Вихідний каскад утворений емітерним повторювачем на транзисторі з опором у колі його емітера .

Дещо незнайомою нам частиною схеми залишається ділянка з транзисторами і . Її призначення - зсув рівня постійної складової вихідної напруги, щоб при нульовому різницевому сигналі на вході ОП напруга на його виході також дорівнювала нулю. Ця ділянка схеми є емітерним повторювачем на транзисторі , емітерний опір якого складений з резистора та транзистора . Співвідношення та омічного опору підбираються так, щоб постійна складова на базі дорівнювала нулю. Але, оскільки диференціальний опір набагато більший від , то практично уся сигнальна складова напруги з виходу другого диференціального підсилювача доходить до бази

Термокомпенсація усієї схеми ОП здійснюється діодом .

7.2. Характеристики операційного підсилювача

Амплітудна характеристика ОП зображена на рис.7.4. Тут - диференціальна вхідна напруга; - вихідна напруга. Робочою є порівняно вузька ділянка у кілька мВ, на якій зберігається пропорційність між та . Вузькість робочої ділянки обумовлена тим, що через великий коефіцієнт підсилення вхідна напруга досягає насичення ( ) вже при досить малих значеннях вхідної напруги і далі вже не зростає.

Частотну характеристику ОП у логарифмічному масштабі зображено на рис.7.5. вона описується знайомою формулою АЧХ для підсилювачів

,

де - коефіцієнт підсилення на низьких частотах, а - гранична частота, що відповідає зниженню підсилена на 3 дБ (тобто у разів). Далеко за межами смуги пропускання, тобто при ,

і коефіцієнт підсилення стає обернено пропорційним до частоти . Добуток являє собою константу для даного типу операційного підсилювача. Вона чисельно дорівнює - частоті на котрій коефіцієнт підсилення стає рівним до одиниці. Сама ця величина наводиться у довідниках для характеризування частотних властивостей ОП. Так наприклад, для вищезгаданого ОП типу К153УД3 частота дорівнює 1 МГц, що при =3.10⁴ дає лише у 33 Гц.

Розширити смугу підсилюваних частот можна шляхом застосування негативного зворотного зв’язку, втрачаючи підсилення, зате виграючи у граничній частоті та багатьох інших параметрах.

7.3.Інвертуюче та неінвертуюче увімкнення ОП

Для поліпшення параметрів, зокрема для розширення смуги підсилюваних частот та стабілізації величини коефіцієнта підсилення, ОП звичайно використовують з застосуванням глибокого негативного зворотного зв’язку. Завдяки великому власному коефіцієнту підсилення ОП це можна зробити без особливої шкоди. Для створення негативного зворотного зв’язку використовуються два способи увімкнення ОП - інвертуюче та неінвертуюче.

При інвертуючому увімкнені (рис.7.6) вихідний сигнал протифазний вхідному сигналу . Фактично це є увімкнення підсилювача з негативним паралельним зворотним зв’язком. Для наближеного розрахунку такого увімкнення ОП останній можна зобразити як ідеалізований підсилювач, у якого та . Тоді скінчена величина досягається при і можна вважати, що інвертуючий вхід має потенціал, що практично дорівнює нулеві. Отже, можна вважати, що

та

Врахувавши, що і на вхід підсилювача струм не відгалужується, дістанемо , так що

Звідси можна визначити коефіцієнт підсилення підсилювача, охопленого негативним зворотним зв’язком:

(7.1)

Слід відмітити, що такий же результат при відповідних припущеннях можна б було одержати, скориставшись методом, викладеним вище стосовно до підрахунку ефективного коефіцієнта підсилення підсилювача охопленого паралельним негативним зворотним зв’язком (розділ ). Але викладений тут метод дозволяє одержати бажаний результат швидше і простіше.

Вхідний опір ОП увімкненого за інвертуючою схемою буде . А вихідний опір знижується у разів

де . (7.2)

Вірність усіх цих результатів обмежена умовою

Неінвертуюче увімкнення ОП зображене на рис.7.7. застосувавши той самий прийом представлення ОП як ідеального підсилювача одержимо

Коефіцієнт підсилення виявляється рівним

(7.3)

Оскільки в схемі є послідовний негативний зворотний зв’язок за напругою, то її вхідний опір дорівнюватиме

(7.4)

де , що значно більше ніж у самого ОП.

Окремим випадком неінвертуючого увімкнення є повторювач напруги (рис.7.8), в якому та При цьому вхідний опір виявляється дуже великим . Область застосування цієї схеми та ж сама, що і у емітерного повторювача.

7.4. Застосування ОП для здійснення

математичних операцій

Операційний підсилювач з успіхом можна застосовувати для виконання математичних операцій з аналоговими сигналами: їх додавання, віднімання, диференціювання, інтегрування тощо. Сама назва «операційний підсилювач» походить від того, що первісно ці схеми розроблялися саме для реалізації зазначених вище математичних операцій.

Схема увімкнення ОП для підсумовування кількох напруг зображена на рис 7.9. Вона подібна до розглянутого вище інвертуючого увімкнення ОП. Застосовуючи наближення ідеального підсилювача можна записати:

звідки витікає співвідношення або (7.5)

Коефіцієнти називаються масштабними множниками; варіюючи їх можна змінювати вагу кожного із доданків в утворюваній сумі. При одержимо , тобто просто суму доданків зі знаком «мінус».

Схема ображена на рис 7.10 реалізує віднімання вхідних напруг. Нову ж таки застосовуючи наближення ідеального підсилювача, можна записати

звідки

(7.6)

де При маємо просто .

Застосувавши реактивні елементи, можна побудувати схеми для інтегрування та диференціювання вхідних напруг. Так наприклад, для зображеної на рис.7.11 схеми можна записати

Звідки одержуємо

(7.7)

Аналогічно, можна показати, що схема, зображена на рис.7.12, здійснює операцію диференціювання

. (7.8)

Множення та ділення схеми з ОП безпосередньо реалізувати не спроможні. Зате вони можуть виконувати операції логарифмування та потенціювання вхідних напруг. В поданій на рис 7.13 схемі як опір зворотного зв’язку використовується напівпровідниковий діод. Струм через такий відкритий діод визначається відомим виразом

де ,

а рівний йому струм через резистор З цих виразів випливає

(7.9)

Аналогічно для схеми з рис.7.14 можна одержати

(7.10)

Застосувавши ці схеми сумісно зі схемами додавання та віднімання, можна реалізувати операції множення і ділення.

7.5. Аналогові ЕОМ з використанням ОП

Таким чином, в нашому розпорядженні є комплект схем, здатних здійснювати математичні дії, потрібні для виконання більшості обчислень. Очевидно, комбінуючи ці схеми можна побудувати обчислювальну машину, здатну робити безпосередню математичну обробку сигналів. Які поступають на її входи у вигляді напруг від одного чи кількох датчиків. Тобто, подаючи на вхід (або входи) нашої системи напруги одержувати на виході напругу , яка є функцією від вхідних напруг.

Скажімо, для знаходження величини , заданої виразом у формі неоднорідного диференціального рівняння першого порядку

(7.11)

слід було б побудувати схему, зображену на рис. 7.15. Тут знаком інтегралу позначена вищерозглянута схема інтегратора, а знаком суми - суматор, на один з входів якого подається зовнішня напруга Літери та відповідають масштабним множникам входів суматора. Можна впевнитися, що зображена на рис.7.15 схема дійсна розв’язує рівняння (7.11), утворюючи на свому виході сигнал .

Такі обчислювальні машині називаються аналоговими. Вони здатні виконувати обробку сигналів у реальному масштабі часу, тобто з тією ж швидкістю, з якою ці сигнали надходять. В цьому велика перевага аналогових машин порівняно з цифровими ЕОМ. Останні, хоч і набагато точніші, однак часто не встигають робити розрахунки, якщо первісна інформація надто швидко надходить на їх входи. Аналогові ЕОМ набагато простіші і дешевші за цифрові і тому широко застосовуються для керування технологічними процесами.

7.6. Стійкість ОП, охопленого негативним зворотним зв’язком

Хоч, як ми знаємо, застосування глибокого негативного зворотного зв’язку поліпшує параметри ОП, в деяких випадках це може спричинити певні труднощі, обумовлені можливістю самозбудження підсилювача. Дійсно, кожний з каскадів ОП в області високих частот може давати доворот фази на кут , який може досягати 90^О . А оскільки таких каскадів в ОП звичайно три, то загальний доворот фази може досягати 270^О . Цього більш ніж достатньо, щоб в області високих частот негативний зворотний зв’язок перетворився на позитивний. Таке перетворення відбувається на частоті , де сумарний дорівнюватиме 180^О . Така частота існує у кожному операційному підсилювачі і коефіцієнт підсилення «чистого» ОП на цій частоті складає .

Якщо на частоті задовольняється ще й амплітудна умова , то підсилювач, охоплений негативним зворотним зв’язком з коефіцієнтом , неодмінно самозбудиться. Якщо ж , то він буде стійким.

При глибокому негативному зворотному зв’язку коефіцієнт підсилення . Таким чином умовою самозбудження буде , а умовою стійкості . Отже, саме надто глибокий негативний зворотний зв’язок з великим є небезпечним що до самозбудження оперативного підсилювача.