6.4.3.2. Операційний підсилювач

Сучасний етап розвитку електроніки характеризується тим, що при проектуванні електронних засобів різного призначення використовують не дискретні елементи (транзистори, діоди, резистори, конденсатори і т.п.) , а закінчені функціональні вузли, виконані у вигляді інтегральних схем (ІС). Це дозволяє підвищити експлуатаційні характеристики апаратури, підвищити її надійність. Розглянемо найбільш розповсюджену аналогову інтегральну схему - операційний підсилювач.

Операційний підсилювач (ОП) є багатокаскадним підсилювачем постійного струму, що задовольняє наступним умовам:

- коефіцієнт підсилення за напругою К_U прямує до нескінченності;

- вхідний опір прямує до нескінченності (а це значить, що вхідний струм повинен бути рівним нулю);

- вихідний опір прямує до нуля (а це значить, що навантаження не повинно впливати на вихідну напругу);

- частотний діапазон підсинюваних сигналів повинен простиратися від сталої напруги до дуже високих частот;

- якщо вхідна напруга дорівнює нулю, то вихідна напруга теж дорівнює нулю.

- оскільки коефіцієнт підсилення дуже великий, то при скінченому значенні вихідної напруги напруга на його вході повинна бути близькою до нуля.

Його умовне схематичне позначення наведено на рис. 6.41.

В хідне коло ОП звичайно виконується за диференційною схемою, а це значить, що вхідні сигнали можна подавати на будь-який з двох входів, один з яких змінює полярність вихідної напруги і тому називається інвертувальним, а другий не змінює полярності вихідної напруги і називається – неінвертуальним (тобто фазові відношення вхідного і вихідного сигналів для різних входів відрізняються).

Інвертувальний вхід можна позначати кружечком або писати біля нього знак (+).

Вихідна напруга ОП U_вих пов’язана з вхідними напругами U_вх1 і U_вх2 співвідношенням:

U_Y = К_U (U_вх2 - U_вх1 ) ,

де К_U – власний коефіцієнт підсилення за напругою.

Різницю напруг (U_вх2 - U_вх1 ) = U_диф – називають диференціальним вхідним сигналом.

Тому можемо дати інше визначення ОП:

Операційним підсилювачем (ОУ) називається диференціальний підсилювач електричних сигналів, у якого вихідна напруга U_Y пропорційна різниці вхідних напруг U_вх1 і U_вх2 .

Як було вже відмічено раніше, К_U повинен прямувати до нескінченності, але на практиці він обмежується значеннями 10 ⁵ – 10 ⁶ .

Основні параметри ОП:

1.Коефіцієнт підсилення за напругою К_U характеризує величину підсилення диференціального сигналу, що подається на входи підсилювача:

К _U = ∆ U_вих / ∆U_вх.

2.Вхідна напруга зміщення U_зм – це напруга , яка обумовлена в основному неідентичністю напруг емітерних переходів транзисторів вхідного диференціального підсилювача. Наявність цієї напруги приводить до порушення умови, згідно якому U_вих → 0 |_{Uвх = 0} . Чисельно U_зм дорівнює величині напруги, яку треба прикласти до входу ОП, щоб вихідна напруга дорівнювала нулю. Типове значення U_зм складає одиниці або десятки мілівольт.

3.Вхідний струм (І_вх) – струм, що протікає у вхідному колі ОП і необхідний для забезпечення необхідного режиму його роботи (типове значення – від одиниць мікроампер до декількох десятків наноампер).

4. Різниця вхідних струмів ∆І_вх = / І_вх1 – І_вх2 / - струм зсуву, обумовлений неоднозначністю величин коефіцієнтів підсилення транзисторів .

5. Коефіцієнт послаблення синфазного сигналу, визначається як відношення напруги синфазного сигналу, поданого на обидва входи ОП, до диференціальної вхідної напруги, яка забезпечує на виході сигнал такої ж величини, як і у випадку синфазної напруги.

К_{п с ф} = U_{вх с ф} / U_вх при U_{вих с ф} = U_{вих диф}