Операційні підсилювачі і cхемотехніка на їх основі

5. Операційні підсилювачі і cхемотехніка на їх основі.

Назва  “операційний” була  приписана  підсилювачам, які призначались  для виконання математичних операцій. Такі особливості забезпечуються підсилювачами при наявності глибокого зворотнього звязку , при якому, в відповідності до розд.4. параметри їх визначаються контуром зворотнього звязку. Але для виконання таких функцій, як вказувалось в тих же розділах, необхідно, щоб підсилювач мав великий коефіцієнт підсилення в широкому частотному діапазоні, починаючи з 0 Герц, а також ряд допоміжних власти-востей, які необхідні для забезпечення гнучкості і широти їх використання.

5.1. Схемотехніка операційних підсилювачів.

Схемотехніка операційних підсилювачів базується на використанні інтегральних технологій, які забезпечують високу точність і ідентичність  параметрів компонентів. Завдяки таким показникам вдається використовувати специфічну схемотехніку, яка дає можливість отримання тих високих показників, які характерні для сучасних електроних приладів.

5.1.1.Диференційний підсилювач. Принципова схема підсилювача приведена на рис. 5.1. Вона має два входи, на які подаються підсилюємі напруги u₁ і u₂ . Вихідні сигнали  мо-жуть зніматись з ко-лектора кожного транзистора по відношенню до загальної шини, а також як різниця напруг між колек-торами обох тран-зисторів. В кожному з випадків значення напруг u_ВИХ.1, u_ВИХ.2, u_ВИХ  =

                                        Рис. 5.1.                                        u_ВИХ.1 – u_ВИХ.2  буде визначатись величинами колекторних струмів і_К1 та і_К2. Струми, в свою чергу, являються залежними від дії вхідних напруг u₁ та u₂, взаємозвязок між якими має слідуючий вигляд:

                                   u₁ = u_БЕ.1 – u_БЕ.2 + u₂                                                       ( 5.1.)

Напруги на емітерних переходах  uБЕ.1 і  uБЕ.2  визначимо, використовуючи формулу (розділ 1   )

з якої для прямозміщених емітерних переходів з струмами I_E1 і I_E2 можемо записати

                                     ( 5.2 )

                                        ( 5.3 )

Так, як при використанні інтегральних технологій транзистори мають ідентичні параметри, і b₁ = b₂, а і_ЗВ1 »і_ЗВ2, то підставляючи отримані формули в ( 5.1 ), маємо:

                                           ( 5.4 )

З отрманого рівняння (5.4) находимо:

                                                                                  ( 5.5 )

Враховуючи, що

                      і_Е =і_К1 + і_К2

з останіх двох формул отримуємо:

                                                                 ( 5.6 )

                                                                     ( 5.7 ) 

Враховуючи, що при нормальних умовах експлуатації  j_Т =0.026 В з отриманих формул  ( 5.6 ) і ( 5.7 ) витікає, що як тільки різниця між напругами

                   (u₁ – u₂) >  (3 ¸ 4)j_Т

то струм І_К2  стане дуже малим і відповідно VT₂   закриється. З іншої сторони, струм І_К1 » І_Е  і транзистор VT₁ перейде в режим насичення.

 Фактично це означає, що диференційний підсилювач може працювати в лінійному режимі в дуже обмеженому діапазоні різниці напруг, тобто в межах сотні, або декількох сотень мілівольт.

Такому режиму відповідає нормалізована передаточна характеристика ( рис. 5.2.), відповідно до якої лінійний режим роботи подсилювача обмежується діапазоном І_К.МІН – І_К.МАКС, що відповідає діапазону вхідних напруг обмежуємому  декількома сотнями мілівольт. Збільшення вхідної напруги до ± 1В приводить фактично до перемикання струму з одного транзистора до іншого. Приведена особливість находить використання в логічних схемах. Важливим

                                  Рис.5.2.                                  являється той факт, що рівень, відносно якого змінюється вхідний сигнал задається потенціалом бази одного з транзисторів. Якщо, наприклад, один з входів заземлити, то зміна напруги на базі іншого в межах ± 1В буде забезпечувати вказане перемикання струму. Якщо ж задати напругу на базі одного з транзисторів, наприклад, на рівні ± 3 В, то перемикання буде забезпечуватись в межах +(2 ¸ 4) В базової напруги іншого транзистора.

Виходячи з умов симетрії схеми, перехід одного транзистора в насичений режим а іншого в закритий залежить лише від різниці напруг і не залежить ні від їх величин, ні від характеру зміни одної напруги по відношенню до другої. Фактично це означає, що якщо одну з напруг ми зафіксуємо, а іншу будемо змінювати. то в транзисторі, на базі якого буде змінюватись вхідна напруга колекторний струм буде зінюватись пропорційно, а в іншому- в ззворотній пропорції. Розглянемо описану особливість більш детально. Допустимо що напруга u₂  зафіксована на якомусь рівні. Якщо u₁ = u₂   то при повінстю симетричній схемі маємо:

               і_Б1  = і_Б2 ;

               і_Е1  = і_Е2  = і_Е/2;

               і_К1  = і_К2.

Звідси витікає, що

                u_ВИХ.1 = u_ВИХ.2,  а

                u_ВИХ. =0.