Главная | Обратная связь

Тема. Диференційні каскади на ОП

Операційний підсилювач (ОП) – це ППС, що має високий коефіцієнт підсилення, два входи (так званий диференційний вхід) і один вихід.

Зазвичай ОП будують як ППС з безпосередніми зв'язками між каскадами, з диференційним входом і біполярним відносно амплітуди підсилюваного сигналу виходом. Це забезпечує нульові потенціали на вході і виході ОП за відсутності вхідного сигналу. Тому такі підсилювачі легко з'єднувати послідовно, а також охоплювати зворотними зв'язками.

За своєю структурою ОП бувають три- або двокаскадні.

За трикаскадною схемою створювалися ОП в інтегральному виконанні першого покоління. Перший диференційний каскад у них працює в режимі мікрострумів, забезпечуючи тим самим високий вхідний опір. Другий диференційний каскад забезпечує підсилення напруги. Третій каскад, вихідний, виконується як двотактний з СК і забезпечує підси­лення потужності, а також низький вихідний опір (див. пп. 3.7.2).

ОП другого покоління виконуються за двокаскадною схемою. Це ста­ло можливим завдяки зростанню рівня інтегральної технології. При цьому, перший каскад забезпечує і високий вхідний опір, і великий коефіцієнт підсилення за напругою. Другий каскад є підсилювачем потужності.

Свою назву ці підсилювачі одержали у зв'язку з тим, що спочатку вони використовувались для моделювання математичних операцій (до­давання, віднімання, диференціювання, інтегрування та ін.) в аналогових обчислювальних машинах (АОМ).

Із розвитком інтегральної техніки області використання ОП значно роз­ширились. Нині вони використовуються в основному як високоякісні підсилювачі напруги під час побудови будь-яких елект-ронних пристроїв, а АОМ тим часом були витіснені цифровими обчислювальними машинами.

Поширеному застосуванню ОП сприяють їхні високі параметри. Це великий коефіцієнт підсилення за напругою, що становить К_U – (10⁴÷10⁶); високий вхідний опір по кожному з входів – R_вх > 400кОм; низький вихідний опір R_виx < 100Ом; досить широкий частотний діапазон – від нуля до одиниць мегагерц.

За наведеними параметрами ОП наближаються до ідеального підсилювача, що має:

1) К_U → ∞;

2) два симетричних входи з R_вх → ∞;

3) R_вих →0;

4) безкінечний діапазон частот підсилюваного сигналу.

При цьому зазначимо, що як лінійні підсилювачі з великим коефіцієнтом підсилення (десятки тисяч разів) реальні ОП не застосовують, бо їх коефіцієнт підсилення (як і інші пара­метри) – величина вкрай нестабільна (наприклад, під дією температури).

Умовне позначення ОП наведене на мал. 4.7, а (на мал. 4.7, б, в наведені умовні позначення, прийняті у деяких зарубіжних країнах).

Мал. 48.1 – Умовні позначення ОП

 

Вхід, на який подано U_І називається інвертуючим, а U_Н – неінвертуючим.

Якщо сигнал подати на неінвертуючий вхід, то зміни вихідного сиг­налу співпадають за знаком (фазою) із змінами вхідного. Якщо сигнал подати на інвертуючий вхід, то зміни вихідного сигналу матимуть проти­лежний знак (фазу) щодо до змін вхідного. Інвертуючий вхід викорис­товують для охоплення ОП зовнішніми НЗЗ, а неінвертуючий – ПЗЗ.

Слід зазначити, що номенклатура сучас­них ОП надзвичайно широка. Це необхідно для забезпечення конкретних специфічних потреб розробників елек­тронних пристроїв.

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

Найважливішими характеристиками ОП є вихідні амплітудні (пере­датні) характеристики – U_вux = f (U_вх) зображені на мал. 4.12. Знімають ці ха­рактеристики, пода­ючи сигнал на один із входів і з'єднуючи інший з нульовою точкою.

Кожна вихідна ха­рактеристика має горизонтальні та скісну ділян-ки. Гори­зонтальні ділянки відповідають режи­мам повністю від­критого чи закритого транзистора вихідно­го каскаду (режимам насичення).

Мал. 48.2 – Передатні характеристики ОП

 

При зміні напруги вхідного сигналу на цих ділянках ви­хідна нап-руга підсилювача залишається незмінною і визначається напругами U ⁺_вux.т або U ^–_вux.т, близькими до напруги джерел живлення Е₁ та Е₂.

Коефіцієнт підсилення визначається за скісними ділянками за формулою:

. (4.8)

Великі його значення дозволяють за умов охоплення ОП глибо­ким НЗЗ одержати схеми з властивостями, що залежать лише від параметрів кола НЗЗ бо, як виходить із формули (3.34), при К→∞, К_З→1/χ залежить лише від параметрів кола НЗЗ.

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

Напруга U_{зм 0}, за якої U_вuх = 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 мал. 4.13.

. (4.9)

Корекція розбалансу вико­нується коригуючими колами або, за відсутності таких у ОП деяких типів, по­дачею на вхід напруги, що дорівнює U_{зм. 0} і протилежна за знаком (див. пп. 4.6.6).

Вхідний опір, вхідний струм зміщення, макси­мальні вхідні диференційна та синфазна напруги є основними вхідними парамет-рами ОП.

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

 

 

Мал. 48.3 – Передатні характеристики ОП за наявності розбалансу

 

Вихідними параметрами ОП є вихідний опір, максимальна вихідна напруга та струм.

Частотні характеристики ОП ви­значають з його АЧХ, зображеної на мал. 48.4

 

 

Рис.48.4 – АЧХ ОП

Вона має спадний ха­рактер за високих частот, почи­наючи від частоти зрізу f_зр.

f_в – верхня межа частотного діа­пазону. При цій частоті:

. (4.10)

Діапазон частот (0 ÷ f_в) має назву смуги частот ОП.

Широке практичне використання ОП в аналогових пристроях зумов­лене, головним чином, застосуванням у їх схемах різного роду зовнішніх НЗЗ, чому сприяє велике значення коефіцієнта підсилення К_UОП,висо­кий вхідний та малий вихідний опори. Висока якість параметрів сучас­них ОП дозволяє, зокрема, без внесення помітної похибки при розрахунку схем на ОП, приймати К_UОП → ∞, К_{вх ОП} → ∞, К_{вих ОП} → 0 вважати ОП за ідеальний!

 

 

СРС № 49