Основи електроніки та мікроелектроніки
Розділ 4. Основи електронної схемотехніки
Тема 4.8.Операційні підсилювачі
4.8.Операційні підсилювачі
4.8.1 Призначення, структура, умовні позначення операційних підсилювачів
Операційним підсилювачем (ОУ) називають високоякісний лінійний підсилювач напруги, що має великий коефіцієнт підсилення (більше10000), високе вхідне (сотні МОм) та мале вихідне (одиниці Ом) опору.
Незалежно від складності принципової схеми багато ОУ мають структурну схему, показану малюнку 4.81. Операційні підсилювачі, побудовані побудовані за такою структурною схемою, мають два входи та один вихід. По відношенню до виходу один із входів є інвертуючим, інший - неінвертуючим. Наявність в УО У інвертуючого та неінвертуючого входів значно полегшує введення в нього різних ОС та з їх допомогою реалізацію різних функцій.
Відхилення від цієї структурної схеми мають непринциповий характер. Наприклад, можуть бути три каскади посилення напруги, схема захисту від короткого замикання і схема захисту вхідного каскаду від перенапруг.
Малюнок 4.81 – Структурна схема ОУ
Каскади посиленняслужать задля забезпечення заданого коефіцієнта посилення.Каскад зсуву рівнянапруги призначений для виключення постійної складової напруги, яка виникає в ОУ при безпосередньому зв'язку між каскадами. Завдяки цьому каскаду на виході ОУ встановлюється нульова напруга за відсутності сигналів його входах.
Вихідний (кінцевий) каскадслужить для отримання малого вихідного опору ОУ з метою кращого узгодження ОУ з навантаженням. Він виконується за однотактною, а найчастіше за двотактною схемою. У деяких ОУ вУ вихідних каскадах передбачена схема захисту від перевантажень, за допомогою якої обмежується максимальний струм транзисторів вихідного каскаду.
Живлення ОУ, як правило, здійснюється від різнополярних джерел, завдяки чому полегшується завдання компенсації зміщення нуля на виході ОУ за відсутності вхідних сигналів та виключається постійна складова струму та напруги у навантаженні. При такому живленні вхідні та вихідні сигнали можуть бути двополярними. Більшість сучасних ОУ напругу харчування можна змінювати у межах: від ±3 до ±15. В (важливо лише, щоб за абсолютним значенням напруги «позитивного» і «негативного» джерел залишалися однаковими).
Для забезпечення стійкості в операційних підсилювачах широко використовуються частотно-залежні зворотні зв'язки (ланцюги корекції).
Хороші шумові властивості ОУ забезпечуються спеціальними технологічними операціями при виробництві транзисторів з мінімальною площею контактур-n-переходів з поверхнею, зменшенням абсолютних розмірів транзисторів, високоякісною ізоляцією та використанням у вхідних каскадах польових транзисторів.
Більшість інтегральних ОУ виготовляють за напівпровідниковою технологією (серії К140, К153, К740, К744, 287).
Успіхи інтегральної технології дозволили виконувати ОУ із заданими технічними параметрами в одному корпусі. Це дозволяє розглядати його як самостійний компонент з певними параметрами.
Умовні позначення ОУ наведено на малюнок 4.82,а, б.Показаний підсилювач має один вихідний висновок (показується праворуч) і два вхідні (зображуються з лівого боку). Знак ∆ характеризує посилення. Вхід, напруга на якому зрушена по фазі на 180° щодо вихідної напруги,називається інвертуючим і позначається знаком інверсії «Про», а вхід, напруга на якому збігається по фазі з вихідною напругою, - неінвертуючим. Висновок, загальний для обох входів та виходу, часто не показується. Це загальна інформаційна шина. Для полегшення розуміння призначення висновків та підвищення інформативності допускається введення одного або двох додаткових полів з обох сторін від основного поля, в яких вказуються мітки, що характеризують функції виведення (рисунок 4.82, б).
Малюнок 4.82 - Умовні позначення ОУ:
а - без додаткового поля; б-з додатковими полями, NC-висновки балансування, FC-висновки частотної корекції, U-висновки напруги живлення, х - висновок логічної інформації, що не несе; OV - загальний інонне висновок; -корпус.
На малюнку 4.83,апоказано умовне графічне позначення ОУ за наявності висновку, загального для обох входів та виходу
Малюнок 4.83 - Умовне графічне позначення ОУ за наявності висновку, загального для обох входів та виходу (а) та передавальні (амплітудні) характеристики ОУ(б)
Характерною особливістю ОУ і те, що вхідні сигнали подаються щодо однієї загальної шини, щодо якої знімається вихідний сигнал. При нульових вхідних напругах вихідний сигнал дорівнює нулю. Завдяки цій властивості джерела вхідного сигналу та навантаження можна безпосередньо підключати до висновків ОУ, не переймаючись розділенням змінної та постійної складових і не ризикуючи змінити статичні режими роботи підсилювальних каскадів.