6.2. Передавальні характеристики операційних підсилювачів

Увімкнення ОП у зовнішнє коло з джерелом вхідного сигналу ± U_вх, опором навантаження R_н і двома джерелами живлення і показано на рис. 6.2, а. Джерело живлення має три режими: позитивний, негативний і загальнозаземляючий. Таке джерело називається джерелом з розщепленим живленням. Звичайно джерела живлення і симетричні, то6то мають рівні напруги. Але існу­ють спеціальні ОП з несиметричним живленням (наприклад, = 12В і = - 6В) або які мають однополярне живлення. Від ОП до джерела, живлення струми повертаються через навісні елементи, в даному випадку че­рез опір навантаження. Вхідна напруга диференційна незалежно від того, який із входів підсилювача заземлений.

Рис. 6.2

Передавальні характеристики ОП U_вих = φ(U_вх) (рис. 6,2, 6), які належать до інвертуючого і неінвертуючого входів, зображуються у вигляді двох кривих. Як видно, вхідні і вихідні напруги можуть симетрично змінюватися відносно нуля (бути біполярними). При заземленому неінвертуючому вході (рис. 6.2, а) сигнал передається на вихід підсилювача з інвертуванням фази вхідного сигналу (крива 1). При заземленні інвертуючого входу фаза підсилюваного сигналу в процесі підсилення не змінюється (крива 2). Вихідна напруга знімається відносно середньої точки джерела живлення, Якщо U_вх = 0, то U_вих = 0, В чому й полягає умова балансу ОП.

Рис. 6.3

Нахиленим (лінійним) ланкам передавальних характеристик, від­ повідають пропорційні залежності вихідної напруги від вхідної, При відсутності зовнішніх кіл зворотного зв'язку нахил передавальних харак­теристик ΔU_вих /ΔU_вх визначається власним коефіцієнтом підсилення К_пU. Граничне значення амплітуди вихідного сигналу близьке до 2Е_С. Але при цьому значно зростають нелінійні спотворення підсилюваного сигналу. Горизонтальні ланки перехідних характеристик відповідають режиму насичення або відсічки транзистора вихідного каскаду, При цьо­му зміна вхідної напруги не викликає зміни вихідної напруги, яка досягає максимуму, близького до Е_С,

У реальному ОП спостерігається розбалансування. В такому разі на виході підсилювача існує деяка напруга +ΔU_вих або - ΔU_вих (криві 1 і 3 на рис. 6.3, а) при U_вих = 0. Для усунення розбалансування (крива 2) на вхід підсилювача необхідно подати напругу зміщення U_зм (рис. 6.3, б) в К_пU разів меншу за відхилення вихідної напруги. Якщо на вході ОП існує деяка синфазна ЕРС Е_сф, як і в звичайному диференційному каскаді (див. п. 5.5), то напруга на виході підсилювача матиме деяке зміщення ΔU_вих.сф при U_вх = 0. Для компенсації цього зміщення між входами ОП необхідно прикласти напру­гу компенсації помилок ΔU_сф (рис. 6.3, в).

6.3. Сtруktурhі схеми операційних підсилювачів

Найбільшого застосування набули в наш час трикаскадні і дво­каскадні інтегральні ОП відповідно першого і другого поколінь. На рис. 6.4, а показано структурну схему трикаскадного ОП.

В цій схемі перший каскад - це простий диференційний підсилювач (ДП) з резистивним навантаженням, джерелом стабільного струму в колі емітерів, який має два входи і два виходи (див. рис. 5.12, а). Для підвищення вхідного опору і знижений статичних і дрейфових по­милок цей каскад працює в режимі мікроамперних струмів, проте одер­жати високий коефіцієнт підсилення (див. формулу (5.43)) не можна.

Рис. 6.4

Другий каскад - підсилювач напруги (ПН), також виконаний за схемою диференційного підсилювача, працює в режимі міліамперних струмів і тому має значний коефіцієнт підсилення. Вихід цього каскаду по постійній складовій струму узгоджений з входом кінцевого під­силювача, який підсилює амплітуду сигналу (ПА) і складається з кас­кадів за схемами ЗЕ, ЗБ і ЗК. Найчастіше вихідний каскад створюється за схемою ЗК (емітерний повторювач), що забезпечує необхідне наванта­ження всієї схеми ОП. В підсилювачі амплітуди (ПА), що споживає осно­вну частину струму всього підсилювача, остаточно формується ампліту­да вихідного сигналу. Наявність в ПА емітерного повторювача (вихід­ний каскад) зумовлює низький вихідний опір ОП. Загальний коефіцієнт підсилення три каскадного ОП може досягати 100 000 і більше. Вхідні характеристики ОП повністю зумовлені вхідними характеристи­ками ДП, а вихідні - показниками кінцевого каскаду за відповідною схемою вмикання.

Вхідний диференційний опір ОП в мікрорежимі при великому опорі R_Е джерела стабільного струму виражається сумою вхідних опорів обох транзисторів ДП. З врахуванням виразу (5.36) його можна розрахувати за формулою

R_вх.д ≈ 2h_11Е =[4тφ_т(h_2ІЕ + l)]/І₀. (6.1)

Вихідний опір підсилювача зумовлюється відношенням ЕРС в режимі хо­лостого ходу до змінної складової вихідного струму в режимі короткого зами­кання

R_вих ≈ К_пU U_вх /І_вих.к.з. (6.2)

Транзистори ОП в інтегральному виконанні мають біполярну структуру n-р-n-типу. Незважаючи на малі вхідні ємності інтегральних транзисторів, кожний каскад характеризується власною сталою часу, яка задає частотну ха­рактеристику каскаду, тобто частотна характеристика всього ОП зумовлюється трьома сталими часу.

Промислова реалізація двокаскадних ОП (рис. 6.4, б) стала можливою піс­ля розробки інтегральних транзисторів p-n-p-типу із задовільними малосиг­нальними параметрами і частотними властивостями, що дозволило застосувати в схемотехніці диференційні каскади з динамічним навантаженням, в яких під­вищений коефіцієнт підсилення. Отже, подальша модернізація технології виго­товлення інтегральних структур дала можливість функції першого і другого каскадів сполучити в одному каскаді підсилення (ДП). При цьому загальне підсилення двокаскадних ДП другого покоління зберігається на попередньому рівні, хоча виключається одна стала часу, що покращує частотні якості таких підсилювачів.