 |
Стислі теоретичні відомості
|
|
|
|
Операційним підсилювачем (ОП) називається диференціальний підсилювач електричних сигналів, у якого вихідна напруга пропорційна різниці вхідних напруг 
і 
(рис.5.3):
,
де до – коефіцієнт посилення ОП по напрузі.
Вхід х1 ОП, на який подається напруга U, називається інвертуючим, а інший вхід, відповідно – неінвертуючим. Струми, що протікають по вхідних ланцюгах ОП, визначаються вхідним опором ОП.
ОП є багатокаскадним підсилювачем постійного струму, що задовольняє таким умовам:
· коефіцієнт посилення по напрузі ОП прямує до нескінченності і в реальних схемах складає 
;
· вхідний опір прагне до нескінченності в реал…;
· вихідний опір прагне до нуля (Rвых > 0), але в реальних схемах його типове значення для більшості схем ОП приймається рівним 2 кОм;
· якщо диференційна вхідна напруга ΔU = Ux2–Ux1 дорівнюєнулю, то вихідна напруга прагне також до нуля 
.
Розрізняють статичні і динамічні експлуатаційні параметри ОП.
Статичні параметри несуть інформацію про характеристики і похибки ОП, які визначаються при повільній зміні сигналу. Основні статичні параметри ОП такі.
Коефіцієнт підсилення напруги Ku характеризує здатність ОП усилювати диференціальний сигнал, що подається на його входи:
Вхідна напруга зсуву Uзс , обумовлена, в основному, неідентичністю транзисторів вхідного каскаду ОП. Наявність цієї напруги приводить до порушення умови 
. Чисельно Uзс дорівнює значенню напруги, яку необхідну подати на вхід ОП, щоб вихідна напруга дорівнювала нулеві. Типове значення Uзс складає одиниці або десятки мілівольт, а для прецизійних ОП (наприклад К140УД17, К140УД25) – не більше декількох десятків мікровольт.
Вхідний струм (Iвх) - струм, який протікає у вхідному ланцюзі ОП для забезпечення необхідного режиму його роботи. Типове значення Iвх приймаєзначення від декількох десятків наноампер до декількох мікроампер.
|
|
|
Різниця вхідних струмів ΔIвх = / Iвх1-Iвх2/ - струм зсуву, обумовлений неоднозачностью величин коефіцієнтів посилення транзисторів вхідних каскадів ОП. Типові значення - від десятків мікроампер до одиниць наноампер.
Коефіцієнт п ослаблення синфазного сигналу, визначається як відношення напруги синфазного сигналу, поданого на обидва входи ОП, до диференціальної вхідної напруги, яка забезпечує на виході такий же сигнал, що і у разі синфазної напруги:
До основних динамічних параметрів, що характеризують швидкодію ОП, відносяться наступні параметри.
Частота одиничного підсилення fmax - значення частоти, на якій модуль коефіцієнта підсилення ОП рівний одиниці. Типове значення fmax лежить в діапазоні 105- 106 Гц,
Швидкість зміни вихідної напруги 
- максимально можлива швидкість зміни вихідної напруги в разі подачі на вхід ОП імпульсу прямокутної форми. Для найпоширеніших типів ОП значення знаходиться в діапазоні 0.1 – 10 В/мкс.
Експлуатаційні параметри ОП визначають допустимі режими роботи його вхідних і вихідних ланцюгів, а також вимоги до напруги живлення.
У переважній більшості випадків ОП працює в сукупності з електричними ланцюгами, що пов'язують його вихід з інвертуючим входом і створюючими таким чином негативний зворотний зв'язок.
Прикладом такої схеми є неінвертуючий підсилювач (рис. 5.3.). Значення резистора ланцюга зворотного зв'язку в цій схемі вибирається набагато меншим вхідного опору ОП. Тому при розгляді роботи цієї схеми ми маємо право нехтувати вхідними струмами ОП.
Рис.5.3.
Напруга на інвертуючому вході таким чином пов'язана з вихідною напругою 
і вхідною напругою U X
,
далі можна одержати:
|
|
|
.
Якщо знехтувати величиною 1/K< 
, то можна одержати рівняння, що пов'язує вхідну напругу 
з вихідною:
,
де 
- коефіцієнт підсилення неінвертуючого підсилювача.
′З даної формули видно важливу першу властивість, притаманну всім схемам на ОП, охопленому негативним зворотним зв'язком: робота схеми визначається тільки параметрами ланцюга зворотного зв'язку і не залежить від параметрів ОП.
Другу властивість схем з негативним зворотним зв′язком можна знайти, підставивши значення Uy у вираз для визначення Ux
, тобто
напруги на обох входах ОП рівні.
Використовуючи ці дві властивості, розберемо роботу інвертуючого підсилювача (рис.5.4.).
Рис.5.4.
З другої властивості схем із зворотнім зв′язком витікає, що напруга на інвертуючому вході рівна нулю, а це значить, що Ux і 
завжди мають протилежну полярність. По першому закону Кирхгофа (рис.5.4) одержуємо: 
. Це можна записати, якщо знехтувати значенням вхідного струму ОП. Тому
.
Звідси витікає рівняння інвертуючого підсилювача:
,
в якому 
- коефіцієнт підсилення інвертуючого підсилювача.
Графічно зв'язок між вхідними і вихідними напругами електронних вузлів описується передавальною характеристикою. На рис.5.5 представлені передавальні характеристики інвертуючого (ІП) і неінвертуючого (НП) підсилювачів, для випадків, коли 
.
Рис.5.5.
Максимум модуля значення вихідної напруги 
ОП визначається величиною напруги живлення. Це значення вихідної напруги називається напругою насичення. Слід сказати, що вказані вище дві властивості охопленого від′ємним зворотним зв′язком ОП існують лише тоді, коли модуль вихідної напруги ОП менший за модуль напруги насичення.
Контрольні питання
1. Назвіть основні ознаки операційного підсилювача.
2. НазвІть відомі Вам параметри операційних підсилювачів.
3. Які літери застосовуються для позначення операційного підсилювача, яке входить в найменування мікросхем?
4. Що таке синфазний сигнал і що таке “коефіцієнт послаблення синфазного сигналу”?
5. Поясніть походження назв підсилювачів, які вивчаються в даній лабораторній роботі.
6. Чим відрізняється реальний операційний підсилювач від ідеального?
|
|
|
|
|
|
