1.2.7. Operaciniai stiprintuvai

Operaciniai stiprintuvai, kaip atskiras stiprintuvų tipas, pirmiausia buvo panaudoti analoginėse skaičiavimo mašinose matematinėms operacijoms (sumavimui, ženklo pakeitimui, diferencijavimui, integravimui) atlikti. Išsivysčius integralinių

mikroschemų technologijai, operacinių stiprintuvų panaudojimo sritis labai išsiplėtė ir jis tapo vienu iš pagrindinių analoginės technikos elementu, panašiai kaip diskretinėje technikoje — loginė mikroschema. 1 paveikslas

Operacinis stiprintuvas skiriasi nuo kitų tipų stiprintuvų visa eile požymių. Pagrindinis požymis — stiprinamųjų virpesiu dažnumų diapazonas prasideda nuo nulio, stiprintuvas perduoda stiprinamo virpesio nuolatinę dedamąja. Tokie stiprintuvai dažnai vadinami nuolatinės srovės stiprintuvais. Antras svarbus operacinių stiprintuvu požymis — didelis įtampos stiprinimo koeficientas (dažnai virš 1000). Be to, šiuolaikinių operacinių stiprintuvų išėjimas yra vientaktis, vidinė varža — maža, įėjimas — dvitaktis, simetrinis, įėjimo varža — labai didelė.

Operacinio stiprintuvo sutartinis grafinis ženklas parodytas 1 paveiksle. Be paveiksle parodytų išvadų, operacinis stiprintuvas dažnai turi papildomus išvadus, skirtus korekcijos, balansavimo ir kitoms grandinėms prijungti. Struktūrinėse schemose dažnai parodomi tik įėjimo ir išėjimo gnybtai. Ženklu “+” žymimas įėjimo gnybtas išėjimo atžvilgiu neinvertuojantis virpesio fazės, o ženklu “-“ — invertuojantis.

Operacinių stiprintuvų kokybės rodikliai skirstomi į tris grupes. Pirmajai grupei priklauso įėjimo grandinės rodikliai - įėjimo įtampos poslinkis eOS ir skirtuminė įėjimų srovė iOS. Idealaus operacinio stiprintuvo išėjimo įtampa u2 lygi nuliui, kai įėjimo įtampa u1 lygi nuliui. Realaus stiprintuvo, kai , todėl realų stiprintuvą galima pakeisti ekvivalentine schema iš idealaus stiprintuvo ir šaltinio eOS kuri parodyta 2 paveiksle, a.

Tranzistorinio stiprintuvo įėjimo srovės — pirmojo laipsnio tranzistorių bazės srovės — nelygios nuliui. Ekvivalentinė realaus stiprintuvo schema parodyta 2 paveiksle b. Jame parodytas idealus, be įėjimo srovių, stiprintuvas, ir įėjimo srovių šaltiniai. Skirtuminė įėjimo srovė  signalo šaltinio vidinėje varžoje Risudaro papildoma poslinkio įtampą , kuri susideda su įėjimo įtampos poslinkiu eOS. Bendrą įėjimo įtampos poslinkį eOS+uOS, apskritai, galima sukompensuoti gaminant stiprintuvą, tačiau jis priklauso nuo daugelio faktorių: temperatūros, maitinimo įtampos ir kitų. Todėl išėjimo įtampa, laikui bėgant, nukrypsta nuo nulinės reikšmės. Šis reiškinys vadinamas nulio dreifu. Nulio dreifo kompensavimui naudojamos reguliuojamos balansavimo grandinėlės.

Nulio dreifo dydžiai įvertinami šitokiais rodikliais.

Įtampos poslinkio temperatūrinis koeficientas  čia  — įtampos poslinkio pokytis, pakitus temperatūrai dydžiu .

Skirtuminės srovės temperatūrinis koeficientas  čia  — skirtuminės srovės pokytis, pakitus temperatūrai dydžiu .

Maitinimo įtampos pokyčio slopinimo santykis čia — įtampos poslinkis, pakitus maitinimo įtampai dydžiu .

Antrajai grupei priklauso išėjimo grandinės rodikliai — išėjimo varža Zis, išėjimo įtampa ir srovė. Nurodoma maksimali neiškraipyta išėjimo įtampa, esant neapkrautam išėjimui U2max t.e., minimali apkrovos varža Rapmin ir maksimali neiškraipyta išėjimo srovė I2max, esant minimaliai apkrovai Rapmin.

Trečiajai grupei priklauso perdavimo rodikliai. Tai — sinfazinis KS ir diferencialinis Kd įtampos stiprinimo koeficientai ir sinfazinio signalo slopinimo santykis .

Stiprintuvo pralaidumo juostos plotis lygus dažnumui fa, kuriam esant Kd sumažėja 3 dB. Dažnai nurodomas dažnumas fr, kuriam esant Kd=1. Kartais nurodoma sandauga , vadinama stiprinimo plotu. Jei, didėjant dažnumui, stiprinimas mažėja 20 dB/dekadai (t. y. 20 dB, pakitus dažnumui dešimt kartų), tai, įvedus neigiamą grįžtamąjį ryšį, stiprinimo plotas nepakinta (kiek kartų sumažėja Kd, tiek kartų padidėja fa). 

Pagal gamybos technologijos ypatybes skiriami kelių tipų operaciniai stiprintuvai.

Integraliniai puslaidininkiniai stiprintuvai yra mažų gabaritų, pigūs, patikimi. Integralinės technologijos ypatybės lemia šio tipo operacinių stiprintuvų kokybinius rodiklius. Jie nėra aukšti, be to, to paties tipo stiprintuvų tie rodikliai yra išsibarstę gana plačiose ribose.

Integraliniai hibridiniai stiprintuvai nusileidžia pirmojo tipo operaciniams stiprintuvams gabaritų, kainos ir patikimumo atžvilgiu, bet jų kokybiniai rodikliai yra geresni ir mažiau išsibarstę.

Operacinių stiprintuvų iš diskretinių elementų kokybiniai rodikliai aukščiausi. Tačiau šio tipo stiprintuvai yra didelių gabaritų ir suvartoja daugiau energijos, todėl jie dažniausiai naudojami analoginėse skaičiavimo mašinose, kur svarbiausias rodiklis yra tikslumas.

Operacinio stiprintuvo įėjimo laipsnis dažniausiai būna diferencialinis. Kad būtų didesnė įėjimo varža ir silpnesnės įėjimo srovės, parenkamos kiek galint silpnesnės kolektoriaus srovės. Šiuo atveju pirmasis laipsnis stiprina palyginti mažai: Kn<10. Todėl paprastai naudojami daugialaipsniai operaciniai stiprintuvai, dažniausiai — dviejų, rečiau — trijų laipsnių.

Operacinis stiprintuvas perduoda nuolatinės srovės pokyčius, todėl ryšiai tarp laipsnių turi būti tiesioginiai: vieno laipsnio kolektorius tiesiog sujungiamas su sekančio laipsnio baze. Kadangi kolektoriaus įtampa visada didesnė už bazės įtampa, tai kiekvieno sekančio laipsnio bazės, kartu ir emiterio įtampa turi didėti. Vadinasi, kiekvieno sekančio laipsnio emiterio grandinės varžą reikia parinkti didesnę už ankstesniojo. Tačiau, esant didelei emiterio varžai, susidaro stiprus grįžtamasis ryšys ir būna nedidelis stiprinimo koeficientas.

Tiesioginiu ryšiu patogu jungti diferencialinius laipsnius. Kadangi diferencialiniame laipsnyje pro emiterio varžą diferencialinio signalo kintamoji dedamoji neteka, tai, didinant Re stiprinimo koeficientas nemažėja. Vietoj Re paprastai jungiamas tranzistorius, kaip srovės šaltinis. Dažnai dviejų diferencialinių laipsnių srovės šaltiniai sujungiami į schemą (3 pav.), vadiname ,,srovės veidrodžiu". Šioje schemoje srovę I valdo srovė I'. Kadangi abu tranzistoriai pagaminti tuo pačiu

technologiniu procesu, tai jų p-n sandūros labai mažai skiriasi. Todėl abiejų tranzistorių bazių srovės yra vienodos. Šiuo atveju I'=Ik+2Ib.

Nors tranzistoriaus T2 kolektorius ir bazė sujungti, silpna kolektoriaus srovė , todėl . Kai .

4 paveiksle parodytas operacinio stiprintuvo, pagaminto integraline technologija, schemos pavyzdys. Šioje schemoje tranzistoriai T1, T2 ir T3, T4 sudaro du diferencialinius laipsnius, kurie sujungti ,,srovės veidrodžiu”, sudarytu iš tranzistorių T5 ir T6. Tokioje schemoje per ,,srovės veidrodžio" schema susidaro neigiamas grįžtamasis ryšys sinfaziniam signalui, kuris mažina KS ir didina sinfazinio signalo slopinimo santykį. Ir tikrai, jei sinfazinis signalas padidina pirmojo laipsnio emiterio srovę dydžiu , tai antrojo — sumažėja dydžiu . Šis pokytis per ,,srovės veidrodžio" schema patenka į pirmajį laipsnį ir yra priešingas pokyčiui, sukeltam įėjimo signalo. Vadinasi, grįžtamasis ryšys yra neigiamas.

Operacinio stiprintuvo galinis laipsnis yra vientaktis, todėl tenka pereiti iš simetrinio diferenciaiinio laipsnio išėjimo į vientaktį. Tokio perėjimo schema turi patenkinti du reikalavimus: vienodai apkrauti diferencialinio laipsnio išėjimus, kad nesusidarytų asimetrija, ir schemos išėjime turi buti tiksli priešingų fazių įėjimo įtampu suma. 4 paveikslo operacinio stiprintuvo schemoje panaudoja tokio perėjimo schema, patenkinanti abu reikalavimus. Antrasis diferencialinis laipsnis simetriškai apkrauna pirmajį. Stiprinimo laipsnyje su tranzistoriumi T3 veikia stiprus neigiamas grįžtamasis ryšys, nes visa išėjimo įtampa per rezistorių Ri vėl patenka į jo įėjimą. Į tranzistoriaus T4 įėjimą patenka rezistorių R2 ir R3 įtampos. Rezistoriaus R3 įtampa artima R1 įtampai, nes laipsnio su tranzistoriumi T3 stiprinimo koeficientas dėl grįžtamojo ryšio artimas vienetui. Vadinasi, į tranzistoriaus T4 įėjima patenka tranzistorių T1 ir T2 kolektorių įtampų suma.

Kai įėjimo įtampa lygi nuliui, operacinio sliprintuvo išėjimo įtampa turi būti taip pat lygi nuliui. Tačiau kiekvieno tranzistoriaus išėjimo įtampa dydžiu Ubk didesnė už įėjimo įtampa, todėl, esant tiesioginiams ryšiams, kiekvieno sekančio laipsnio išėjimo įtampos nuolatinė dedamoji didėja. Išėjimo ir įėjimo Įtampų nuolatinėms dedamusioms suvienodinti taikomos itampos poslinkio schemos. Šiose schemose naudojami netiesiniai elementai, kurių Rd ir RS žymiai skiriasi. Tokiais elementais gali būti idealus srovės generatorius, kurio ,  arba idealus įtampos generatorius, kurio Rd=0, . 5 paveiksle, a, parodyta įtampos poslinkio schema, kurioje naudojamas įtampos šaltinis, o 5 paveiksle, b, — srovės šaltinis. Operaciniuose stiprintuvuose. idealus įtampos šaitinis pakeičiamas stabilitronu, o kaip idealus srovės šaltinis naudojamas tranzistorius. Šiuo atveju įtampos poslinkio schemos sumažina naudingo signalo įtampa: 5 paveikslo, a, schema - kartų, o b schema, kai R<<Rap, kartu.

4 paveikslo operaciniame stiprintuve įtampos poslinkiui sudaryti yra panaudoti rezistorius R4 ir tranzisiorius T9, kaip stabilios srovės generatorius. Prie atvadų 6 ir 7 jungiama korekcijos grandinėlė. Emiteriniai kartotuvai T7 ir T8 sudaro galingumo stiprinimo laipsnį. Stiprintuvo įėjimas — atvadai 1 ir 2, o išėjimas — 5. Operaciniuose stiprintuvuose naudojami du maitinimo įtampos šaltiniai. Teigiamos įtampos šaltinio polius jungiamas prie atvado 8, o neigiamos — prie 4. Bendras laidas

išvestas atvadu 3.

Operaciniai stiprintuvai su grįžtamaisiais ryšiais