Сходинка десята. Операційні підсилювачі та компаратори

Вітаю вас, шановні читачі. Якось непомітно розпочався огляд аналогових мікросхем. У минулому дописі, наприклад, нам під руку трапилася МС для побудови інвертора живлення. Сьогодні візьмемося за підсилювачі. Ні, не за всі. Клас МС підсилювачів досить розгалужений, але нас, серед підсилювачів, цікавить лише вузький сектор – операційні підсилювачі (ОП; англійською – OpAmp). Це підсилювачі які мають дуже високий коефіцієнт підсилення, великий вхідний опір і, навпаки, малий вихідний. Операційні підсилювачі вважаються підсилювачами постійного струму, але не слід розчаровуватися, це не каже про те, що вони не здатні підсилювати змінний струм. Як на мене, це лише нагадування стосовно того, що їхня внутрішня схемотехніка здатна підсилювати сигнали із частотою від 0 герців. Тобто, вони працюють із повним спектром сигналів.

Існує ще один підвид аналогових мікросхем, надзвичайно схожий на ОП і називається він – компаратори. Вони однаково позначаються на схемах, мають два входи та один вихід, два виводи живлення, але, на відміну від ОП не мають додаткових виводів корекції (для деяких моделей характерна присутність виводів балансування). Іще одне, основна маса компараторів, знову ж таки, на відміну від ОП, розрахована на уніполярне живлення.

 

Мал. 1 Внутрішня будова ОП 741

Операційний підсилювач (ОП)

Складові вузли будови мікросхеми ОП, при її уважному огляді, нам знайомі (Мал. 1). Тут і диференційний підсилювач, і декілька дзеркал струму, і лінійний підсилювач напруги, втім, про все це при нагоді. Наша мета розібратися як працює кінцевий пристрій – операційний підсилювач, його функціональні можливості, задачі, покладені розробниками на цю мікросхему.

Класичне визначення каже: операційним підсилювачем називається диференційний підсилювач постійного струму з великим коефіцієнтом підсилення. Стосовно підсилення постійного струму я вже писав, а от коефіцієнт підсилення ОП може бути насправді величезним – декілька сотень тисяч або навіть мільйонів.

 

Мал. 2 Зображення ОП на схемах

Назва операційний закріпилася за цим класом МС традиційно. Адже в ранніх моделях обчислювальної техніки, які на той час були ще аналоговими, ОП застосовувалися для моделювання простих математичних операцій (інтегрування, диференціювання, додавання тощо). 

Операційні підсилювачі – це надзвичайно корисні високоефективні диференційні підсилювачі, які можна використовувати у безлічі різноманітних схем. Типовий сучасний ОП є досить складним інтегрованим пристроєм із прямим та інверсним входами, двома виводами живлення (позитивним та негативним), виводом виходу і декількома іншими спеціалізованими виводами, які використовуються для певної корекції налаштування. Виводи живлення, іноді корекції, часто можуть бути не зображені на принципових схемах. Якщо інше не вказано, вважайте, що використовується біполярне джерело живлення (Мал. 2).

Уже декілька разів вжито термін диференційний («different» перекладається з англійської як «різниця», «різність»), він означає, що на вихідний потенціал ОП впливає виключно різниця потенціалів між його входами, незалежно від їхнього абсолютного значення та полярності.

На практиці, ОП використовуються у схемах лише зі зворотним зв'язком, до того ж негативним. Без застосування негативного зворотного зв'язку, який обмежує коефіцієнт підсилення, ОП перетворюється на такий-собі ключ. Найменша різниця потенціалів на входах викликає стан повного насичення виходу. Тобто, навіть невеличка різниця потенціалів у декілька десятків мікровольт між входами, викликає появу на виході повної напруги живлення. Правда і такий режим – режим компаратора, має право на життя, але про це нижче.

Сама по собі робота операційного підсилювача доволі проста.

 

Мал. 3 Приклад нульового потенціалу

Як нам відомо, амплітуда якогось змінного сигналу постійно скаче то вгору, то вниз навколо певного нульового потенціалу. Прикладом може бути мережева змінна напруга, аудіо чи якийсь імпульсний сигнал (Мал. 3). Умовний підсилювач створює на виході підсилену копію вхідного сигналу.

Операційний підсилювач має не один, а два входи. Саме тому він і є диференційним, бо підсилює різницю потенціалів між своїми входами. Зверніть увагу на Мал. 2. Прямий вхід позначений значком +, а інверсний -. Це не має жодного стосунку до живлення мікросхеми, а відповідає загальноприйнятому стандарту.

 

 

 

 

Мал. 4 Сигнал подано на прямий вхід

Змоделюємо ситуацію простого прямого увімкнення ОП. Інверсний вхід приєднаний до системного нуля (заземлений). На прямий вхід подано якийсь сигнал. Навіть найменша відмінність сигналу на вході від потенціалу нуля викликає миттєвий перехід виходу в режим повного насичення виходу. Тобто, ОП здатен підсилити сигнал у величезну кількість разів, але цього не відбувається, бо вихідний потенціал не може бути вищим за напругу живлення, тому на виході з'являється сигнал рівень якого дорівнює максимальній напрузі живлення.

 

 

Мал. 5 Сигнал подано на інверсний вхід

Змоделюємо ситуацію простого інверсного увімкнення ОП. Тепер рівень системного нуля подано на прямий вхід, а вхідний сигнал надходить на інверсний. Результат практично ідентичний за винятком того, що вихідний сигнал інвертований, тобто віддзеркалений.

 

Зверніть увагу на виводи живлення, на схемі вони можуть не позначатися. Якщо вони позначені, але відсутні ознаки їхньої полярності, то вважається, що зверху завжди плюс. Ще зверніть увагу на позначки входів ОП. Прямий та інверсний входи можуть бути зображені по різному зверху, знизу. Стандарту не існує – тому будьте уважні!

 

Отже, аналізуючи увімкнення наведене на Мал. 5, приходимо до висновку, що коли потенціал інверсного входу більш позитивний за потенціал прямого, вихід потрапляє у режим повного насичення негативною напругою живлення. І навпаки, якщо потенціал прямого входу більш позитивний за потенціал інверсного – маємо повне насичення позитивною напругою живлення. До того ж такий ефект повного насичення виникає при найменшій різниці напруги між входами.

Такий режим роботи ОП називається режимом компаратора і по суті їх можна використовувати у такому режимі для порівняння змін якоїсь еталонної напруги на одному з виводів. Втім, для цього існують спеціалізовані МС – компаратори. Ці мікросхеми відрізняються від ОП, їх ми розглянемо нижче. А для використання ОП більш характерні режими із застосуванням зворотного зв'язку.

Зворотний зв'язок в електроніці застосовується досить широко: підсилювачі, генератори, різноманітні електронні пристрої. Суть зворотного зв'язку полягає у передачі частини вихідного сигналу якогось каскаду на вхід. Ним може бути охоплено один каскад, або навіть група каскадів. Зворотний зв'язок може бути як негативним, так і позитивним. При негативному – вихідний сигнал віднімається від вхідного, при позитивному – додається. Відбувається алгебраїчне сумування із врахуванням знаків сигналу.

Враховуючи те, що коефіцієнт підсилення ОП неймовірно великий, використання позитивного зворотного зв'язку (збільшення підсилення) призводить до небажаних ефектів, одним із яких буде самозбудження. Тому позитивний зворотний зв'язок використовується вкрай рідко і усвідомлено.

 

Мал. 6 Формування ЗЗ

На відміну від позитивного, негативний зворотний зв'язок (зменшення підсилення) має сприятливий вплив на роботу ОП: поліпшується лінійність підсилення, покращується частотний діапазон роботи і подібне. Отже, приносячи у жертву підсилення ми отримуємо суттєве покращення характеристик роботи операційного підсилювача.

 

 

Мал. 7 Прямий повторювач сигналу

Формування зворотного зв'язку відбувається досить просто, зверніть увагу на Мал. 6. При негативному зворотному зв'язку (НЗЗ) вихідний сигнал, або його частина подається на інверсійний вхід. При цьому, вихідний сигнал, який є інверсійним (оберненим) по відношенню до вхідного на інверсійному вході, сприяє створенню від'ємної різниці – підсилення зменшується. Зовсім інше відбувається тоді, коли вихідний сигнал, або його частина, у випадку реалізації позитивного зворотного зв'язку (ПЗЗ), подається на прямий вхід. Відбувається складання сигналів, тобто – підсилення зростає.

 

Гадаю ви звернули увагу на зображення ОП на Мал. 6. На схемах можна зустріти і таке. Кружальце позначає інверсійний вхід (-), це загальноприйняте зображення виводів із інверсією. Нижче, без жодних позначок, розташований прямий вхід (+).

Отже, за допомогою НЗЗ можна впливати на підсилення ОП. На Мал. 6 наведено схематичне зображення зворотного зв'язку, практична його реалізація дещо інша. Сигнал із виходу ОП подається на вхід через резистивний подільник напруги. Втім, існує спосіб увімкнення ОП із без подільника, тобто, пряма передача вихідного сигналу на вхід (Мал. 7). Таке увімкнення ОП характерне коефіцієнтом підсилення 1 і називається повторювачем. Воно використовується, як правило, для узгодження вхідних та вихідних опорів, адже вхідний опір ОП надзвичайно великий, а вихідний навпаки – малий, а фаза вихідного сигналу завжди повторює вхідний (інверсії немає).

Настав час розібратися із подільником НЗЗ та з'ясувати, як він впливає на коефіцієнт підсилення ОП. Але перш ніж взятися за це безпосередньо, слід дізнатися та усвідомити декілька простих правил стосовно роботи реальних ОП:

Правило 1: Для ідеального операційного підсилювача величина коефіцієнта підсилення по напрузі без зворотного зв'язку безмежна (КПІД = ∞). Для реального операційного підсилювача коефіцієнт підсилення має кінцеве значення, зазвичай від 104 до 106.

Правило 2: Для ідеального операційного підсилювача вхідний імпеданс (повний вхідний опір) безмежний (Rвх = ∞). Для реального ОП вхідний імпеданс має кінцеве значення і становить зазвичай від 106 (типовий ОП із входом на біполярних транзисторах) до 1012 Ом (типовий ОП із входом на польових транзисторах). Вихідний опір ідеального операційного підсилювача дорівнює нулю (Rвих = 0). Для реального ОП Rвих зазвичай = від 10 до 1000 Ом.

Правило 3: Як прямий, так і інверсний вхід ідеального операційного підсилювача не споживають струму. Практично це відповідає і реальному ОП – фактична величина вхідного струму, як правило (але не завжди), незначна, в межах пікоамперів (для типового ОП із польовими транзисторами на вході) до наноамперів (для типового ОП із біполярними транзисторами).

Правило 4: Коли операційний підсилювач сприймає сигнал різниці напруг між його інверсним та прямим входами, він реагує, подаючи по колу зворотного зв'язку стільки струму/напруги, скільки необхідно для підтримки цієї різниці на нульовому рівні (V+ – V- = 0). Тобто, ОП намагається нівелювати різницю. Це правило стосується лише увімкнення ОП з негативним зворотним зв'язком.

Прочитали, зрозуміли, усвідомили. Це основні постулати, які описують роботу реального операційного підсилювача, на відміну від ідеального, робота якого покладена в основу різноманітних теоретичних оглядів. Тепер стосовно подільників НЗЗ. Для прикладу наведу декілька варіантів реалізації НЗЗ.

 

 

 

 

Мал. 8 НЗЗ ОП з інверсією

 

 

Увімкнення ОП з інверсією.

 

Мал. 9 ОП з інверсією 10+10

Нам уже відомо, що, у більшості випадків, операційний підсилювач охоплюється негативним зворотним зв'язком. І ми вже досить обізнані стосовно того, що ним називається такий зворотний зв'язок, коли частина вихідного сигналу повертається на інверсійний вхід (саме ця частина і повідомляє ОП яким повинен бути рівень вихідного сигналу). Це чудово видно зі схеми увімкнення ОП поданої на Мал. 8.

 

Прямий вхід приєднано безпосередньо до нуля. Тобто на ньому нульовий потенціал. Беручи до уваги правило №4 ми знаємо, що ОП намагатиметься встановити нульовий потенціал і на інверсному вході. Виходячи із цього розберемо взаємодію елементів увімкнення ОП з інверсією.

.Припустимо, що на вхід подано сигнал напругою 0.5 В. В такому разі у точці А повинно встановитися 0 В.

Для початку приймемо, що вхідний резистор R1 та резистор зворотного зв'язку RНЗЗ рівні і мають опір по 10 кОм. При такому співвідношенні опорів подільника, для встановлення у точці А нульового потенціалу, точка В повинна мати потенціал –0.5 В. І таке відбудеться тому, що резистори рівні і увімкнені подільником, а входи ОП мають надто великий опір (і на роботу подільника не впливають), тож для того, щоб у точці А утворився нульовий потенціал, операційний підсилювач виставить напругу точки В –0.5 вольтів (Мал. 9).

Позаяк сигнал подається на інверсний вхід то на виході він буде інвертованим (оберненим), а його потенціал ОП вирівняє до потрібної величини враховуючи НЗЗ. І такий стан речей аж ніяк не залежить від полярності напруги на вході, на виході вона, як і слід чекати, просто буде змінювати свій знак.

Величину струму, який протікатиме у цьому колі, легко підрахувати за допомогою формули звичайного закону Ома. Сумарна напруга прикладена з обох боків до подільника 1.0 вольт. Отже:

        I=U/R = U/(R1+RНЗЗ) тобто 1В/(10кОм+10кОм)=50мкА.

В результаті цього експерименту ми отримали повторювач сигналу з його інверсією. Рівень сигналу на вході відповідає його рівню на виході, змінюючи при цьому знак.

Мал. 10 ОП з інверсією 10+30

Тепер давайте збільшимо опір резистора НЗЗ до 30 кОм. Рівень вхідного потенціалу, як і опір вхідного резистора лишилися без змін. Правило №4 теж лишається незмінним, на те воно і правило. Тож рівень потенціалу у точці А повинен бути нульовим. Як поведе себе ОП у такому випадку?

 

Мал. 11 Робота ОП із синусоїдою

Для того, щоб потенціал точки А лишався нульовим, струм у обох плечах подільника повинен бути рівним, але опір резистора RНЗЗ змінився і став дорівнювати 30 кОм. Для того, щоб забезпечити через нього струм у 50 мкА, падіння напруги на ньому повинно становити 1.5 В. Саме цим і займеться ОП. Вихідна напруга зросте до 1.5 В забезпечуючи у точці А нульовий рівень потенціалу (Мал. 10).

 

Збільшимо опір резистора зворотного зв'язку аж до 200 кОм. І знову ОП збільшить вихідну напругу до необхідних 10.0 вольтів, тобто до напруги яка б забезпечила необхідне її падіння на резисторі зворотного зв'язку з метою зрівнювання струмів у плечах подільника, що і призведе до встановлення у точці А потенціалу 0 вольтів.

Не засмучуйтесь тим, що ми розбираємо роботу ОП при сигналах постійного струму, адже це можна розглядати як роботу ОП у колах зі змінними сигналами: синусоїдальним, прямокутним, імпульсним, чи будь-якою їхньою сумішшю у якусь відповідну мить (Мал. 11). Хай вас не бентежать несуттєві розбіжності між розрахунковими та реальними показниками, адже інші правила (1, 2, 3) ніхто не відміняв.

Спробуємо зібрати свої думки докупи. Отже, коефіцієнт підсилення ОП (КПІД), який є показником здатності підсилювати операційним підсилювачем сигнал, визначається відношенням напруги на виході до напруги на вході:

        КПІД = UВИХ / UВХ.

І залежить він співвідношення пліч подільника напруги (у нашому випадку величини опору резистора зворотного зв'язку при сталій величині вхідного). Він також підлягає визначенню через взаємозв'язок опорів вхідного резистора та резистора зворотного зв'язку:

        КПІД = – RНЗЗ / R1  (мінус перед формулою просто вказує на інверсію сигналу)

Іншими словами коефіцієнт підсилення КПІД  залежить від співвідношення опорів, які утворюють коло НЗЗ. Отже, якщо збільшувати RНЗЗ збільшується і коефіцієнт підсилення по напрузі і навпаки.

Проводячи експерименти з ОП не забувайте про рівень напруги живлення та режим повного насичення. Це я до того, що встановивши рівень КПІД який вимагатиме на виході напруги більшої за напругу живлення, ви введете ОП в режим повного насичення (читай вище) і його робота буде порушена.

Ще одне зауваження! Обрані резистори суто показові, до того ж вхідний опір для зовнішнього сигналу, розглянутого вище ОП, буде дорівнювати номіналу R1, адже саме через нього він увесь і протікає.

Якщо замість RНЗЗ застосувати підстроювальний резистор, то коефіцієнт підсилення ланки можна буде оперативно змінювати.

 

Мал. 12 ОП без інверсії

Увімкнення ОП без інверсії.

 

Тут знову негативний зворотній зв'язок, адже частина сигналу ОП із виходу подається на інверсний вхід. Але є одне але. Входом у такому випадку приєднання ОП виступає прямий вхід, а зворотний кінець вхідного резистора R1, подільника напруги зворотного зв'язку, приєднано до землі, тобто нульового потенціалу (Мал. 12).

 

Мал. 13 ОП без інверсії 10+10

Реакція ОП на зміну потенціалу на вході повністю підкоряється правилу 4 (дивися вище).

 

Припустимо, що на вхід подано сигнал напругою 0.5 В. У відповідності зі згаданим правилом, точка А теж повинна мати потенціал 0.5 В. Як і вище, першим візьмемо до розгляду рівність резисторів R1 = RНЗЗ = 10 кОм. При такому увімкненні на виході ОП повинно встановитися 1.0 В. Падіння напруги на резисторі RНЗЗ ми обговорили вище, тому повертатися не будемо. 

 

 

 

Мал. 14 ОП без інверсії 10+30

Емуляція увімкнення ОП без інверсії доводить нам правильність висновків. Отже ми отримали підсилювач із КПІД = 2. Тобто, при тих же самих номіналах резисторів кола НЗЗ ми маємо не повторення, а підсилення сигналу (Мал. 13).

 

Цікаво, явна розбіжність зі схемою увімкнення з інверсією

 

 

 

 

 

Мал. 15 ОП без інверсії 10+200

Збільшимо, як і у попередній серії дослідів номінал RНЗЗ до 30 кОм (Мал. 14). І знову коефіцієнт підсилення більший ніж для попереднього типу увімкнення (КПІД = 4).

Ну і наостанок збільшимо номінал резистора RНЗЗ до 200 кОм. Прослідкуємо за реакцією ОП. Усе відбувається відповідно до правила 4. Операційний підсилювач, для урівнювання потенціалів на входах, виставить на своєму виході напругу 10.5 В (Мал. 15).

Аналізуючи поведінку ОП у версії прямого увімкнення, можна зробити висновок, що формула для розрахунку коефіцієнта підсилення, яка виведена у розгляді увімкнення з інверсією, не відповідає дійсності. Тобто UВИХ / UВХ ніяк не може дорівнювати RНЗЗ / R1 і це так. Для увімкненого ОП без інверсії, формула набирає дещо іншого вигляду:

        КПІД = UВИХ / UВХ = RНЗЗ / R1 + 1

Із цієї формули витікає, що увімкнення ОП по схемі без інверсії не здатна дати коефіцієнт підсилення 1. Втім, це зовсім не так. Зверніть увагу на Мал. 7.

Мал. 16 Повторювач

На ньому зображено описаний декількома словами повторювач. Просто описаний, але тепер нам доступна можливість проаналізувати його роботу. Якщо на прямий вхід подано якусь напругу то на виході повинна з'явитися така ж сама напруга, щоб урівняти напруги на обох входах (дивись правило 4). Тож такий повторювач має коефіцієнт підсилення 1 (Мал. 16). А от зробити КПІД меншим за одиницю – не вийде, бо це неможливо. Зверніть увагу на струм у колі НЗЗ, він дорівнює нулю. Звісно, беручи до уваги правило 3 він є, але настільки мізерний, що ним практично можна знехтувати.

 

 

Диференційне увімкнення

Основне призначення ОП увімкненого в режимі диференційного підсилювача – підсилювати різницю потенціалів на своїх входах. Таку особливість можна використати для підсилення, наприклад: сигналу з шунта датчика струму, температурного датчика та інших.

 

Мал. 17 НЗЗ диференційного ОП

Нам уже чудово відомо, що по своїй суті ОП є ні чим іншим, як диференційним підсилювачем, але застосування НЗЗ відбирає у нього таку особливість. Ми можемо увімкнути його для підсилення сигналу або з інверсією, або без інверсії при сталому потенціалі на одному з входів.

 

Втім, існує схема увімкнення ОП для збереження його основної функції – підсилення різниці потенціалів на входах, до того ж – зі збереженням ланки НЗЗ (Мал. 17).

Слід зауважити, що така схема має два основні недоліки:

1 – низький вхідний опір (у порівнянні з входами ОП), що обумовлено конструктивною особливістю схеми (опір сигналу створюватимуть вхідні резистори RВХ). Тому при вимірі різниці надто слабких сигналів можемо отримати суттєву похибку.

2 – надзвичайно важко на практиці забезпечити оперативне регулювання коефіцієнта підсилення, бо для цього слід оперативно змінювати опір двох резисторів одночасно (звісно, виходи існують, але це веде до ускладнення схеми).

А от до переваги можна віднести те, що при такому увімкненні ОП не лише здатен виконувати свою основну функцію, а ще й нівелювати синфазні перешкоди (про те, що це таке – трохи нижче).

Давайте приймемо усі резистори рівними, – по 10 кОм. На входи каскаду подамо по +0.5 В. Ми бачимо, що на виході ОП встановилася напруга 0 В, саме така напруга, щоб зрівняти потенціали на входах операційного підсилювача (Мал. 18). І як би ми не міняли напругу на вході каскаду, звісно ж у дозволених рамках, потенціал виходу ОП лишатиметься нульовим. Це не залежить навіть від полярності напруги. Єдина умова: напруга на входах каскаду повинна бути рівною з однаковою полярністю.

 

Мал. 18 Диф. увімкнення ОП вар. 1

 

Мал. 19 Диф. увімкнення ОП вар. 2

Давайте спробуємо змінити напругу на одному із входів. Подамо на інверсний вхід напругу -0.2 В (Мал. 19). Що ми бачимо? Різниця напруги на входах становить 0.7 В. На виході ОП ми маємо ті ж самі 0.7 В. Як би ми не міняли напруги на входах на виході ми завжди матимемо напругу їхньої різниці. І це правильно, адже на підставі уже відомої нам формули коефіцієнт передачі ОП з такою ланкою НЗЗ становитиме 1 (RНЗЗ/RВХ1=1).

 

Давайте трохи розберемося із номіналами резисторів. Резистивний подільник, на прямому вході, утворений резисторами RВХ2 та R1 (див. Мал. 17) є компенсатором ланки НЗЗ утвореної RВХ1 та RНЗЗ. Для правильного функціонування ОП у такому каскаді слід дотримуватися правила, тобто, номінали резисторів плечей подільників, як на прямому вході так і кола НЗЗ повинні бути однаковими: RВХ1=RВХ2, R1=RНЗЗ. Така відповідність зберігає передбачувану поведінку ОП і простоту розрахунку.

 

 

 

 

 

 

 

Мал. 20 Диф. увімкнення ОП вар. 4

Отже, ми отримали каскад із коефіцієнтом підсилення 1, а для того, щоб його збільшити – слід  змінити співвідношення резисторів НЗЗ. Але не забувайте про максимальну різницю потенціалів на входах та режим повного насичення ОП.

 

Із врахуванням наведеного вище зауваження оберемо коефіцієнт підсилення ОП – 20 змінивши відповідним чином співвідношення номіналів резисторів ланки НЗЗ та подільника прямого входу (Мал. 20). Операційний підсилювач відреагував як і слід було очікувати. Коефіцієнт підсилення 20, RНЗЗ/RВХ1=200/10 = 20 або UВИХ /різницю UВХ = 14/0,7 = 20.

До речі, якщо не дотримуватися співвідношення RВХ1=RВХ2, R1=RНЗЗ ОП не втратить працездатності, він буде чесно виконувати покладені на нього обов'язки, але тоді формули визначення його коефіцієнта підсилення набирають надто складного вигляду, або його доведеться визначати експериментально. Тому співвідношення раджу дотримуватися, щоб не довелося гратися з підбором опору резисторів, та не дивуватися нестандартній поведінці ОП у певних ситуаціях.

Щодо вихідного навантаження ОП – слід враховувати певні моменти. Ми вже знаємо що вихідний опір ОП малий, на відміну від вхідного, це слід пам'ятати. Конкретне дозволене навантаження певного виду ОП слід з'ясовувати у технічному паспорті, втім, існують узагальнені правила. Вважається, що опір навантаження не менший за 2 кОм підійде для будь-якого ОП, це обмежить струм до близько 8 мА навіть при максимальній вихідній напрузі. Хоча існують відносно потужні ОП, які здатні переварювати вихідний струм до 150 мА, основна маса ОП мають обмеження на вихідний струм на рівні 20 мА. Також є екземпляри ОП із захистом від перевантаження. Такий операційний підсилювач не віддасть у навантаження струму більше ніж дозволено технічними характеристиками. Прикладом такого конструктивного рішення може бути схема наведена на Мал. 1. Це досить давня модель ОП 741 серії, давня, але популярна і широковживана, завдяки своїм вдалим конструктивним рішенням, досі. Якщо ви роздивитесь вихідний каскад то побачите резистивний шунт і ключовий транзистор, який і обмежує вихідний струм виходу, захищаючи вихідний каскад.

Ну і нарешті коротеньке пояснення стосовно синфазного сигналу. На ОП впливають два види сигналів: диференційний – персональний сигнал кожного зі входів який відрізняється за фазою та синфазний – сигнал який діє на обидва входи відразу і має однакову фазову орієнтацію (Мал. 21).

 

Мал. 21 Синфазна перешкода

На малюнку ми бачимо два диференційні сигнали амплітудою 0.25 В: прямокутний, частотою 400 Гц, на інверсійному вході та синусоїдальний, частотою 40 Гц, на прямому вході. До обох входів домішаний сигнал білого шуму (хаотичний сигнал, спектр якого рівномірно розподілений по всьому діапазону частот) амплітудою 5 В. Операційний підсилювач у диференційному увімкненні охоплений негативним зворотним зв'язком зі встановленим коефіцієнтом підсилення 20. Враховуючи диференційні сигнали амплітудою 250 мВ на обох входах, очікуємо максимальної розбіжності амплітуди, у певні проміжки часу – 0.5 В. Беручи до уваги коефіцієнт підсилення 20, ми повинні отримати на виході сигнал амплітудою 10.0 В. Що і маємо. На виході синусоїда, модульована прямокутним сигналом, амплітудою 10.0 В. Від білого шуму немає навіть сліду. Це правильна робота ОП у диференційному увімкненні. Втім, не забувайте, ми спостерігаємо роботу ОП у симуляторі, на практиці все виглядає трохи інакше.

 

Мал. 22 Інструментальний підсилювач

Отже, синфазний сигнал це перешкода з якою повинен вправлятися ОП. Такий сигнал виникає від різноманітних сторонніх наводок, старіння деталей, вплив температури, нестабільності живлення і т.ін. Так от, для того, щоб ОП ефективно вправлявся із високим потенціалом синфазних сигналів, виділяючи мізерні корисні, слід дуже ретельно підібрати резистори у плечах подільників напруги. Вони повинні бути з мінімальним допуском похибки та ідеально ідентичними. Це проблемна і досить тривала гра – підбирання резисторів.

На практиці, для уникнення такої невдячної процедури, використовують так звані інструментальні підсилювачі (Мал. 22). Такі підсилювачі нівелюють відразу декілька недоліків ОП у диференційному увімкненні. Резистори можна використати звичайні, опір входів зростає до паспортного опору ОП, змінити коефіцієнт підсилення каскаду можна за допомогою лише одного потенціометра.

 

 

Коефіцієнт підсилення такого підсилювача можна вирахувати за допомогою формули наведеної нижче:

Uвих=(Uвх+–Uвх-)R5/R4(1+2(R2/R1))

Хай вас не лякають аж три ОП. Промисловість випускає МС де в одному корпусі вмонтовано два, або навіть чотири ОП.

Коефіцієнт підсилення каскаду можна оперативно змінити за допомогою резистора R1. Для цього варто замінити його на потенціометр чи то підстроювальний резистор.

Це все, що я хотів донести з приводу роботи із ОП. Але не думайте, що це все про них – це лише мізерна крихта основ.

Декілька слів стосовно практичного використання операційних підсилювачів.

 

Мал. 23 Перетворювач напруга-струм

 

 

Перетворювач напруга – струм (Мал. 23):

Вихідний струм цієї схеми буде прямо пропорційним вхідній напрузі і обернено пропорційним номіналу резистора R. Для резистора R з опором 1.0 Ом, кожен вольт вхідної напруги буде давати приріст 1.0 А вихідного струму:

I = Uвх/R,         (1 В / 1 Ом = 1.0 А)

де струм у А, напруга у В, опір у Ом.

 

 

 

Мал. 24 Перетворювач струм-напруга

Перетворювач струм – напруга (Мал. 24):

 

А така схема перетворює малі струми у напругу. Наприклад, при R номіналом 1.0 Мом, струм 1.0 мкА через джерело струму (яким у нашому випадку виступає фотодіод), дасть на виході ОП напругу 1.0 В.

Uвих = I * R,         (1 000 000 Ом * 0.000 001 А = 1.0 В)

де струм у А, напруга у В, опір у Ом.

 

 

Мал. 25 Диференційний підсилювач

Економ варіант диференційного підсилювача (Мал. 25):

 

Такий варіант увімкнення ОП дає змогу зберегти високий вхідний опір каскаду, не пітніти, вишукуючи та підбираючи резистори з малим відсотком похибки, але користувач позбавляється можливості оперативно міняти коефіцієнт підсилення. Реалізована вона на двох ОП, тому можна використати МС яка містить два підсилювачі у своєму корпусі.

Диференційний коефіцієнт підсилення вираховується за відомою нам формулою увімкнення ОП без інверсії:

КПІД = 1+R1/R2

При вказаних на малюнку співвідношеннях резисторів коефіцієнт підсилення синфазних сигналів дорівнюватиме нулю.

 

 

Які проблеми можуть виникнути у аматора під час експериментів із ОП.

Операційні підсилювачі дуже чутливі до переплутаної полярності живлення. Якщо існує навіть найменша ймовірність допустити похибку, забезпечте найпростіший захист – підключіть діод послідовно з одним із полюсів джерела живлення.

Більш розповсюджена проблема – пошкодження ОП через приєднання до входу сигналу, амплітуда якого перевищує напругу джерела живлення. Та навіть якщо вхідний сигнал не перевищує допустимий рівень, він може завдати непоправної шкоди мікросхемі, якщо його подати раніше ніж напругу живлення на ОП.

 

Мал. 26 Приєднання виводів невикористаних ОП

Досить багато варіантів МС мають розміщені в одному корпусі декілька ОП. Ніколи не лишайте незадіяні ОП напризволяще. Вони продовжуватимуть отримувати живлення і намагатимуться працювати, а враховуючи те, що комплект підсилювачів розташований на одному кристалі, у межах корпусу МС, будуть споживати додатковий струм, викликати перешкоди впливаючи на інші елементи МС.

 

Вчиніть із "вільними" ОП так, як показано на схемі зображеній на Мал. 26.

Іще одна помилка, якої припускаються початківці, я вже про неї писав. На схемі операційний підсилювач може зображатися по різному, верхнім може бути як інверсний вхід так і прямий. Часто-густо для зручності малювання схеми два поряд розміщені підсилювачі також можуть мати входи розташовані по різному. Єдиною ознакою є два маленькі символи "плюс" та "мінус" всередині символу МС. Інколи вони бувають надто дрібними. Тому слід особливо уважно поставитися до правильного підключення прямого та інверсного входів.

 

Продовження статті за посиланням.