ОПЕРАЦІЙНІ ПІДСИЛЮВАЧІ: ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

Свою назву операційні підсилювачі (ОП) отримали через те, що спочатку застосовувалися для виконання математичних операцій додавання, віднімання, множення і ділення. Перші ОУ, що використовуються в аналогових обчислювальних машинах на лампах, працювали з напругами порядку ± 100 В.

Інтегральні ОУ успадкували колишня назва від своїх попередників і дуже широко поширені в аналоговій схемотехніці. В даний час ОП виконуються, як правило, у вигляді монолітних інтегральних мікросхем і за своїми розмірами і ціною практично не відрізняються від окремо взятого транзистора. Завдяки практично ідеальним характеристикам операційних підсилювачів реалізація різних схем на їх основі виявляється значно простіше, ніж на окремих транзисторах.

Структурна схема. Операційний підсилювач, виконаний у вигляді інтегральної мікросхеми, має у своєму складі: диференціальнийвхідний каскад (ДВК), проміжні каскади посилення (ПКУ) і крайовий каскад (ОК), рис. 1.1.

Рис. 1.2. Схема найпростішого диференціального підсилювального каскаду

Диференціальний каскад (рис. 1.2) забезпечує: великий коефіцієнт посилення по відношенню до різниці вхідних сигналів(диференціальному сигналом), малий коефіцієнт підсилення відносно синфазних перешкод, малий дрейф нуля і великий вхідний опір.

Коефіцієнт посилення по диференціальному напрузі каскаду визначається виразом:

(1.1)

де r _е - динамічний опір емітера транзистора. Диференціальне напруга зазвичай посилюється таким каскадом не більше, ніж у 100 разів.

Для того, щоб визначити коефіцієнт посилення синфазного сигналу, на обидва входи підсилювача потрібно подати одне і те ж напруга u_вх. У цьому випадку обидва транзистора зі своїми колекторними навантаженнями включені по суті паралельно. Через резистор R _епротікають обидва емітерного струму. Тому

(1.2)

Опір r _е. зазвичай багато менше Rе і їм нехтують. Коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу (КОСС) визначається як відношення

Приклад. У диференціальному каскаді використані транзистори з опором емітера rе = 250 Ом. Опору резисторів R _к = R _е = 75 кОм. У цьому випадку К _диф = 150, К _сінф = 0,5, КОСС = 300. При живленні від джерел + / -15 В струм спокою ланцюгів колекторів дорівнює 100 мкА при напрузі на колекторах щодо спільної точки 7,5 В.

Підвищити параметри диференціального підсилювача в принципі можна простим збільшенням опорів резисторів R _К і R _Е, але при цьому зменшиться струм спокою транзисторів і, як наслідок, погіршиться температурна і тимчасова стабільність підсилювача. Ефективний шлях покращення характеристик підсилювача полягає в заміні лінійних резисторів джерелами струму, що володіють високим динамічним опором при досить великих струмах. Зокрема, в якості динамічного навантаження в ланцюзі колекторів транзисторів диференціального підсилювача широко використовується так зване струмова дзеркало (рис 1.3).

При такому включенні U _КЕ = U _БЕ> U _КЕ.нас. Отже, транзистор Т ₁ ненасичений. Оскільки U _БЕ1 = U _БЕ2, то при добре узгоджених за параметрами транзисторах I _Б1 = I _Б2 = I _Б і I _К1 = I _К2 = B I _Б, де B - статичний коефіцієнт передачі струму. При цьому

I _ВХ = BI _Б +2 I _Б і I _ВИХІД = BI _Б

Звідси випливає, що I _ВИХІД = BI _ВИХІД / (B +2).

Рис. 1.3. Схема струмового дзеркала

Таким чином, вихідний струм схеми майже повторює вхідний, чому ця схема і називається струмовим дзеркалом. Використання струмових дзеркал в якості динамічного навантаження диференціального каскаду і як джерело струму в ланцюзі емітерів дозволяє отримати коефіцієнт посилення вхідного диференціального напруги на одному каскаді понад 5000 (за умови, що навантаження на виході підсилювача відсутній) і КОСС понад 100 000 (100 дБ).

Проміжні каскади дозволяють: отримати велике посилення напруги сигналу, змінити на 180 ° або зберегти нульовим фазовий зсув підсилюється сигналу. В якості проміжних каскадів використовують диференціальні або однополюсні каскади. Кінцевий каскад забезпечує: мала вихідний опір і достатню потужність сигналу для низкоомной навантаження, великий вхідний опір. Останнє необхідно для збереження великого коефіцієнта посилення напруги проміжних каскадів. В якості кінцевого каскаду зазвичай використовують емітерний повторювач.

Стандартна схема операційного підсилювача. Операційні підсилювачі універсального застосування повинні забезпечувати значно більший диференціальний коефіцієнт посилення, ніж здатний дати один каскад. Тому вони будуються в основному по двокаскадного схемою. Спрощена схема "класичного" двокаскадного ОУ μ А741 (повна схема включає 24 транзистора) наведена на рис. 1.4.

Вхідний каскад виконаний за схемою диференціального підсилювача на pnp транзисторах Т ₁ і Т _2. Як навантаження використано струмова дзеркало на npn транзисторах Т ₃ і Т _4. Для вихідного струму вхідного каскаду, отже, можна записати наступне співвідношення:

I _Д = I _{К2-I К1}

Завдяки тому, що вихідним сигналом диференційного каскаду є різницевий струм, синфазні зміни колекторних струмів вхідних транзисторів взаємно компенсуються, що значно послаблює синфазні вхідні сигнали.

Джерело струму емітерів виконаний на транзисторі Т _9. У деяких ОУ (наприклад, 140УД12) для цього також використовується струмова дзеркало, причому його вхідний струм задається опором зовнішнього резистора і може їм програмуватися, що дозволяє регулювати параметри ОУ, зокрема, споживаний їм струм.

Другу сходинку посилення утворює каскад із загальним емітером на транзисторі Т _6. Він має як навантаження джерело струму на транзисторі Т _10. Для підвищення вхідного опору цього каскаду на його вході включений емітерний повторювач на транзисторі Т _5.

Рис. 1.4. Спрощена схема двокаскадного ОУ μ А741

Вихідний каскад являє собою двотактний комплементарний емітерний повторювач на транзисторах Т _7, Т _8. Напруга на ділянці кола з двох послідовних діодів, включених у прямому напрямку, забезпечує малий початковий струм спокою цих транзисторів (режим класу АВ), що дозволяє усунути перехідні спотворення сигналу. Така схема забезпечує симетрію вихідного опору ОУ при різній полярності вихідної напруги. Як правило, вихідний каскад включає ланцюга захисту від короткого замикання виходу.

Позначення ОУ на принципових схемах. Будь ЗУ має не менше п'яти висновків: два вхідних (инвертирующий і неінвертуючий), два висновки для підключення живлення і один вихідний висновок. Варіанти позначення операційних підсилювачів на принципових схемах представлені на рис. 1.5 (1 - инвертирующий вхід, 2 - неінвертуючий вхід, 3 - вихід, 4 і 5 - висновки для підключення джерела живлення).

Багато ОУ додатково мають кілька висновків, що не несуть функціонального навантаження (допоміжні), до яких підключаються ланцюги корекції АЧХ (мітки FC), ланцюги для підключення елементів балансування по постійному струму (мітки NC), а також виведення металевого корпусу (^) для з'єднання з загальним проводом пристрою, в який входить ОУ.

Підключення ОУ до джерела живлення. У загальному випадку для роботи операційного підсилювача потрібно двополярний (розщеплений) джерело живлення; типові значення напруг джерела становлять ± 6 В; ± 12 В; ± 15 В (іноді ± 18 В). Схема підключення ОУ до двополярної джерела живлення та навантаження представлена ​​на рис. 1.6.

У ряді випадків для харчування ОУ використовується несиметричне харчування, наприклад +12 і -6 В, або навіть однополярне харчування, наприклад, +30 В і земля. Так як у поданій схемі земля не підключена до ОУ, струми повертаються від ОУ до джерела живлення через зовнішні (навісні) елементи схеми (у нашому випадку це опір навантаження R _H).

Застосування

Далеко не повний список пристроїв, в яких застосовуються генератори сигналів:

• Пристрої зв'язку - радіоприймачі ( гетеродин в супергетеродинних радіоприймачах), телевізійні приймачі, мобільні телефони, приймачі, апаратура передачі даних і ін
• Вимірювальні прилади - осцилографи, вимірювальні вольтметри, амперметри та ін
• Медичне обладнання - електрокардіографи, томографи, рентгенографія, електронні тонометри, апарати для ультрозвукового дослідження ( УЗД), фізіотерапевтичні прилади та ін
• ехолоти.
• Побутова техніка - програмовані пральні машини, СВЧ-печі, посудомийні машини та ін

Поиск по сайту: