СТРУКТУРНА СХЕМА ОПЕРАЦІЙНИХ ПІДСИЛЮВАЧІВ. ОСНОВНІ ПАРАМЕТРИ ТА ХАРАКТЕРИСТИКИ ОП

Операційний підсилювач (ОП) – це багатокаскадний підсилювач із двома входами: прямим і інвертувальним (диференціальним входом) і одним виходом, схемне зображення якого подане на рис. 82,а. Основною його характеристикою є великий коефіцієнт підсилення за напругою (К_{u оп} →∞).

Рисунок 82 – Графічне зображення (а) та передатна характеристика ОП (б)

До структури ОП (рис.83) входять вхідний симетричний диференційний каскад (зменшує дрейф нуля і має два входи: інвертувальний (u_вх1) і неінвертувальний, або прямий (u_вх2)), несиметричний диференційний каскад (здійснює підсилення сигналу) й емітерний поворювач (забезпечує потужність вихідного сигналу). ОП характеризуються великим вхідним опором (R_ВХ →∞), і малим вихідним опором (R_ВИХ →0).

До основних параметрів ОП відносять:

- К_U – коефіцієнт підсилення за напругою;

- К_P - коефіцієнт підсилення за потужністю;

- U_{вих.макс} – максимальне значення вихідної напруги;

- f_Н - нижню граничну частоту сигналу, що підсилюється;

- R_вх - вхідний опір;

- R_вих - вихідний опір.

Рисунок 83 – Структурна схема ОП

Важливою для ОП є передатна характеристика u_вих = f (u_вх ) (рис.82,б). Оскільки підсилювач має два входи (прямий та інвертувальний), то ця характеристика відображає роботу ОП при поданні сигналу на кожний вхід окремо. Горизонтальні ділянки характеристики відповідають режиму відкритого або закритого стану транзистора вихідного каскаду. При цьому величина вихідного сигналу обмежується максимальним значенням напруги на виході ОП додатного (U⁺ _{вих.макс}) чи від'ємного (U^- _{вих.макс}) значення, яка досягає (0,9…0,95) напруги живлення. На цих ділянках зміна вхідного сигналу не буде викликати зміни вихідного сигналу, тобто напруга на виході буде залишатись сталою.

На похилих ділянках характеристики величина вихідної напруги буде визначатися коефіцієнтом підсилення

К_UОП = Δu_вих / Δu_вх..

У випадку наявності сигналів на обох входах ОП, його вхідна напруга визначатиметься алгебрічною сумою напруг на цих входах

Δu_вх = Δu_вх2 - Δu_вх1.

В цьому випадку

u_вих = К_UОП(Δu_вх2 - Δu_вх1).

При використанні ОП в схемах імпульсної техніки важливим є значення вихідної напруги. Оскільки в імпульсній техніці рівні вхідних сигналів є більші за ті значення, які відповідають лінійній ділянці передатної характеристики, то вихідна напруга ОП визначається додатним        U⁺ _{вих.макс} або від'ємним U^- _{вих.макс} значеннями.

Частотні характеристики ОП визначають з його АЧХ, зображеної на рис. 84.

Рисунок 84 – АЧХ ОП

Коефіцієнт підсилення зменшується 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) називається смугою 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.

ПІДСИЛЮВАЧІ НА БАЗІ ОП

Враховуючи, що ОП мають малий діапазон лінійного підсилення вхідного сигналу, то на практиці ці підсилювачі використовуються з ланками від'ємного зворотного зв'язку. Це значно розширює діапазон підсилення, а також забезпечує регулювання величини вихідної напруги. Таким чином здійснюється масштабування вхідного сигналу.

Масштабні інвертувальні підсилювачі (рис.85).

Рисунок 85 – Масштабний інвертувальний підсилювач: а) схема;

б) передатна характеристика

У цьому випадку вхідна напруга подається на інвертувальний вхід ОП, а вихідна напруга u_вих ОП змінюється в протифазі до вхідної u_вх (у випадку синусоїдного сигналу фаза змінюється на 180°). В схемах таких підсилювачів від'ємний зворотний зв'язок реалізується через елемент R₂ на інвертувальний вхід ОП з метою зменшення коефіцієнта підсилення розімкненого ОП. Наявність такого зв'язку призводить до того, що завжди у стані рівноваги u_вих.оп = 0. Тоді, за другим законом Кірхгофа

u_вх - u_вх.оп = R₁ і_вх , u_вих - u_вх.оп = R₂ і_зв.з ,

і_вх = u_вх /R₁, і_зв.з = u_вих /R₂.

Враховуючи, що R_вх.оп = ∞, то і_оп = 0 і відповідно і_вх = - і_зв.з , тобто   

u_вх /R₁ = -u_вих /R₂.

Звідси отримаємо, що для такого підсилювача коефіцієнт підсилення за напругою

К_u = u_вих /u_вх = R₂/R₁= 1/β,

де β = R₁/R₂- передатний коефіцієнт ланки зворотного зв'язку ОП.

Необхідно визначити, що коефіцієнт підсилення ОП зі зворотним зв'язком не залежить від частоти сигналу.

Масштабні неінвертувальні підсилювачі (рис.86). У цьому випадку вхідний сигнал подається на неінвертувальний вхід ОП, вихідна напруга u_вих ОП має такий самий знак як і вхідна, а зворотний зв'язок забезпечується через елемент R₂ на інвертувальний вхід ОП.

Оскільки в цьому випадку і_вх = і_оп = 0, то за умови, що u_вх.оп = 0, отримаємо

u_вх = u_зв.з =u_вих ∙(R₃/(R₂ + R₃)), де β = R₃/(R₂ + R₃).

                                                          а)                             б)

Рисунок 86 - Масштабний неінвертувальний підсилювач:

а) схема; б) передатна характеристика

Тоді коефіцієнт підсилення для такого підсилювача буде визначатись