Тема 1. 11 Операційні підсилювачі і функціональні пристрої на операційних підсилювачах

1 Визначення, будова, властивості, параметри. Основні характеристики. Принципи і особливості організації обробки сигналів в схемах на ОП.

2 Типові способи вмикання ОП.

3 Диференційний підсилювач на ОП.

4 Інвертувальний і неінвертувальний підсилювач на ОП.

5 Суматори на ОП (інвертувальний і неінвертувальний), логаріфмувач на ОП.

6 Інтегруючий (інтегратор) і диференцюючий (диференціатор) підсилювач на ОП

7 Компаратори на ОП (схеми порівняння).

8 Мультивібратори на ОП

Література: Колонтаєвськ ий, с.111-117; Браммер, с.96-124, Мілих, с.564-571.

 

Операційний підсилювач (ОП) – це ППС прямого підсилення з безпосередніми зв′язками між каскадами з симетричним входом (диференційний вхідний каскад), високим коефіцієнтом підсилення (від 1000 до 100 000), широкою смугою пропускання (від нуля до f_В = 10…100 МГц), високим вхідним опором (десятки кОм і вище-10⁸ …10¹²Ом), низьким вихідним опором (сотні Ом і нижче – 100-200 Ом), вхідний струм (І_вх = 10^-8 …10^-10А), малим дрейфом нуля, високим коефіцієнтом ослаблення синфазних сигналів і несиметричним виходом, який призначений для виконання різних операцій з вхідними сигналами при роботі схеми з глибоким ВЗЗ.

Це дозволяє в подальшому для аналізу схем з ОП розглядати його як «ідеальний», тобто підсилювач, що має:

1 К_U = ∞; 2 R_ВХ = ∞; 3 R_ВИХ = 0, 4 І_ВХ = 0.

Спочатку вони використовувались для моделювання математичних операцій (до­давання, віднімання, диференціювання, інтегрування та ін.) в аналогових обчислювальних машинах (АОМ), тому і ОП.

Нині вони використовуються в основному як високоякісні під­силювачі напруги при побудові будь-яких електронних пристроїв. А ЕОМ тим часом були витіснені цифровими обчислювальними машинами.

Умовне позначення ОП наведене на рис. 4.7,а (нарис. 4.7,б,в наданоумовні позначення, прийняті в деяких зарубіжних країнах).

Вхід, на який подано U_i. називається інвертувальним, а U_н - неінвертувальним.

Якщо сигнал подати на неінвертувальний вхід, то зміни вихідного сиг­налу співпадають за знаком (фазою) із змінами вхідного. Якщо сигнал подати на

інвертувальний вхід, то зміни вихідного сигналу матимуть проти­лежний знак (фазу) щодо змін вхідного. Інвертувальний вхід викорис­товують для охоплення ОП зовнішніми ВЗЗ, а неінвертувальний - ДЗЗ.

По своїй структурі ОП бувають три – або двокаскадні.

ОП по трикаскадній схемі будувалися в інтегральному виконанні в першому поколінні – перший диференційний каскад у них працює в режимі мікрострумів, забезпечуючі високий вхідний опір, другий – забезпечує підсилення напруги, третій, вихідний, виконується як двотактний зі СК і забезпечує підсилення потужності і низький вихідний опір.

ОП другого покоління будуються по двокаскадній схемі. Перший каскад забезпечує і високий вхідний опір і великий коефіцієнт підсилення напруги. Другий каскад є підсилювачем потужності.

Окрім виводів входу, виходу, живлення ОП забезпечують виводами від певних точок схеми, до яких можна підключати різні зовнішні ланцюги, що змінюють властивості підсилювача — його коефіцієнт підсилення, частотну і перехідну характеристики і інші показники.

Принципова схема ОП серії К153 типа К153УД1, виконаного у вигляді монолітної інтегральної схеми, показана на мал. 4.8.

ОП типу 153УД1 (рис. 4.8) має трикаскадну структуру. Перший каскад виконаний диференційним на транзисторах VТ1, VТ2, VТ3. Вхід 2 -іннвертувальний, вхід 3 – інвертувальний. Транзистор VТЗ ірезистор R3 виконують роль стабілізатора струму, який забезпечує високе знищення синфазних сигналів

підсилювачем. Другий - на складених транзисторах VТ5, VТб і VТ8, VТ9 (для забезпе­чення великого коефіці­єнта підсилення напру­ги). Вихідний двотакт­ний каскад утворюють VТ14 і VТ15. Інші еле­менти забезпечують стабільне живлення

пер­шого каскаду і узгод­ження другого з вихід­ним.

ОП другого покоління це ІМС типу 140УД7 (рис.4.9). Він двокаскадний, має складний вхідний диференційний каскад на VТ1 – VТ4 і VТ6- VТ8 з динамічним навантаженням. VТ9, VТ10 – джерело струму. Вихідний каскад на VТ23, VТ24 працює в режимі класу АВ. Решта елементів забезпечує додаткове підсилення, узгодження диференційного каскаду з вихідним і захіст останнього від перевантажень, а також забезпечують стабільне живлення першого каскаду і узгодження другого з вихідним.

 

 

Рис. 4.11 - Схема вмикання ОП типу 140УД7

 

Диференційний вхід­ний сигнал U_вх подаєть­ся між виводами 2 (ін­вертуючий вхід) і 3 (неінвертуючий вхід). U_cф - синфазний сигнал. На­вантаження підмика-ється до виводу 6. Жив­лення забезпечується двополярним джерелом напруги Е₁ Е₂, що підмикається між виводами 7, 4 і нульовою точкою джерел живлення.

Нульовий вихідний сигнал при нульових сигналах на входах забезпе­чується резистором R₁, підімкненим до входів балансування (корекції нуля) 1 і 5. Це дозволяє виключити вплив несиметрії схеми ОП, яка виникає за рахунок неідеальної подібності його елементів. Конденсатор С₁, забезпечує корекцію частотної характеристики.

Схеми вмикання ОП і параметри коригуючих ланцюгів наводяться у довідкових матеріалах.

Найважливішими характеристиками ОП є вихідні амплітудні (пере­датні) характеристики – U_вих=f (U_вх) зображені на рис. 4.12.

Знімають ці ха­рактеристики, пода­ючі сигнал на один з входів і з'єднуючі інший з нульовою точкою.

Кожна вихідна ха­рактеристика має горизонтальні та скісну ділянки. Гори­зонтальні ділянки відповідають режи­му повністю відкри­того чи закритого транзистора вихідно­го каскаду (режимам насичення). При зміні напруги вхідного сигналу на цих ділянках вихідна напруга підсилювача залишається незмінною і визначається напругами U ⁺_{вих. m..} або U ^–_{вих m}, близькими до напруги джерел живлення Е₁ та Е₂.

 

Рис.2 Передатні характеристики за наявності

розбалансу

Коефіцієнт підсилення визначається по похилих ділянках

К_UОП =ΔU_вих / ΔU_вх

Великі його значення дозволяють за умов охоплення ОП глибоким ВЗЗ одержати схеми з властивостями, що залежать лише від параметрів ланцюга ВЗЗ, так як К_ЗЗ = К_U/(1+βК_U), при К_U →∞ К_ЗЗ →1/β – залежить лише від параметрів ланцюга ВЗЗ.

Стан, за якого U_вих = 0 при U_вх = 0, називається балансом ОП. Однак для реальних ОП умови балансу не виконуються.

Напруга U_{зм 0}, за якої U_вих⁼ 0, має назву вхідної напруги зміщення нуля. Вона визначає напругу, яку необхідно подати на вхід підсилювача для створення балансу. Передатні характеристики ОП за наявності розбалансу наведені на рис. 2.

Δ U_{зм 0} = Δ U_вих / К_{U ОП}

Корекція розбалансу ви­конується корегуючими лан­цюгами або, при відсутності таких у ОП деяких типів, подачею на вхід напруги, що дорівнює U_{зм 0} і протилежна за знаком.

Основні параметри ОП: вхідні - вхідний опір, вхідний струм зміщення, максималь­ні вхідні диференційна та синфазна напруги.

При необхідності захисту від перенапруг між входами ОП вмика­ють зустрічно-паралельно два діоди або стабілітрони.

Вихідні - вихідний опір, максимальна вихідна напруга та струм.

Частотні характеристики ОП ви­значають з його АЧХ, зображеної на рис. 4.14.

 

 

Вона має спаданий ха­рактер в області високих частот, починаючи від частоти зрізу f_зр.

f_ВГ - верхня грань частотного діапазону. За цієї частоти:

К_U = К_U / √2.

Діапазон частот (0- f_ВГ ) має назву смуги частот ОП.

Широке практичне використання ОП в аналогових схемах зумовле­не, головним чином, застосуванням у їх схемах різного роду зовнішніх ВЗЗ, чому сприяє велике значення коефіцієнта підсилення К_U0ІІ, висо­кий вхідний та малий вихідний опори.