Тема №6. Операційні підсилювачі

1. Загальна характеристика

Операційний підсилювач (ОП, англ. operational amplifier – «op
amp») – це підсилювач постійного струму з великим коефіцієнтом
підсилення, який має диференціальний вхід і, як правило, один спільний
вихід. Назва «операційний підсилювач» історично зв’язана з призначенням
перших схем. Операційний підсилювач був спроектований у 30-і роки на лампах для виконання математичних операцій шляхом використання
напруги як аналогової величини для моделювання базових математичних
операцій (додавання, віднімання, інтегрування, диференціювання та
інших). У сучасній електронній техніці операційні підсилювачі
застосовують надзвичайно широко як багатоцільові елементи для
побудови апаратури різного призначення: підсилювачів, генераторів
синусоїдних та імпульсних сигналів, стабілізаторів напруги, активних
фільтрів і т.п.
Структури операційних підсилювачів різних марок відрізняються,
але основи побудови однакові. Більшість ОП виконують трикаскадними з
безпосередніми зв’язками між каскадами. Це три функціональні блоки:
1. Вхідний каскад, який виконується за схемою диференціального
підсилювача і забезпечує високий вхідний опір приладу та підсилення
на фоні малих шумів. ОП має два входи – прямий (неінвертуючий) і
інверсний (інвертуючий) і один вихід.
2. Підсилювач напруги, який має дуже великий коефіцієнт підсилення за
напругою.
3. Вихідний підсилювач, який зазвичай виконується за схемою
емітерного повторювача, що забезпечує підсилення за потужністю,
малий вихідний опір та високу навантажувальну здатність за струмом.
З розвитком інтегральної технології ОП стали виготовляти
двокаскадними без підсилювача напруги.
Для полегшення виділення змінного сигналу на виході ОП живлення
схеми виконують двополярним як послідовне з’єднання двох джерел з
заземленою середньою точкою (розщеплене живлення). ОП здатні
працювати у широкому діапазоні напруг джерел живлення з типовими
значеннями для загального застосування від ± 1,5 (В) до ± 18 (В).

На виході ОП потенціал може приймати додатні та від’ємні значення
залежно від вхідних сигналів. Надходження вхідного сигналу uвх+ на
прямий вхід спричинює приріст вихідного сигналу, який співпадає за
фазою (знаком) із приростом вхідного. Якщо сигнал uвх- подати на
інвертуючий вхід, то зміни вихідного сигналу матимуть протилежний знак
(фазу) щодо до змін вхідного. Вихідна напруга uвих зв’язана з напругами
на входах ОП співвідношенням (8.9), але не може перевищувати напругу
живлення ОП:

де uвих – напруга на виході ОП, uвх+ – напруга на прямому вході
ОП, uвх- – напруга на інвертуючому вході ОП, KU ОП – коефіцієнт
підсилення за напругою ОП. Усі напруги відраховуються відносно точки
схеми ОП з нульовим потенціалом.
Наприклад, в таблиці 8.1 представлені значення вихідних сигналів
для ОП з коефіцієнтом підсилення за напругою KU ОП =105 і розщепленим
живленням E = 15(B) за умови різних збуджень постійними сигналами на обидва входи як по черзі, так і водночас.
Таблиця 8.1

Потенціал на виході ОП має дорівнювати нулеві у разі відсутності
сигналу на вході. Стан, коли uвх= 0 Þuвих   = 0, називають балансом ОП.
Збалансовані ОП легко з’єднувати послідовно і охоплювати зворотними
зв’язками. Для забезпечення відсутності дрейфу нуля сучасні ОП мають
спеціальні виводи для підключення схеми балансування (корекції нуля).