Було показано, що при використанні операційного підсилювача в різних схемах включення посилення каскаду на одному операційному підсилювачі (ОУ) залежить тільки від глибини зворотного зв'язку. Тож у формулах визначення посилення конкретної схеми немає коефіцієнт посилення самого, якщо можна сказати, «голого» ОУ. Тобто саме той величезний коефіцієнт, який вказується в довідниках.

Тоді цілком доречно поставити запитання: «Якщо від цього величезного «довідкового» коефіцієнта не залежить кінцевий результат (посилення), тоді в чому різниця між ОУ з посиленням у кілька тисяч разів, і з таким же ОУ, але з посиленням у кілька сотень тисяч і навіть мільйонів?».

Відповідь досить проста. І в тому і в іншому випадку результат буде однаковий, посилення каскаду визначатиметься елементами ООС, але в другому випадку (ОУ з великим посиленням) схема працює стабільніше, точніше, швидкодія таких схем набагато вища. Недарма ОУ поділяються на ОУ загального застосування та високоточні, прецизійні.

Як вже було сказано свою назву «операційні» підсилювачі, що розглядаються, отримали в той далекий час, коли в основному застосовувалися для виконання математичних операцій в аналогових обчислювальних машинах (АВМ). Це були операції додавання, віднімання, множення, поділу, зведення в квадрат і ще безлічі інших функцій.

Ці допотопні ОУ виконували на електронних лампах, пізніше на дискретних транзисторах та інших радіодеталях. Звичайно, габарити навіть транзисторних ОУ були досить великі, щоб використовувати їх у аматорських конструкціях.

І тільки після того, як завдяки досягненням інтегральної електроніки, ОУ стали розміром із звичайний малопотужний транзистор, то використання цих деталей у побутовій апаратурі та аматорських схемах стало виправданим.

До речі, сучасні ОУ, навіть досить високої якості, за ціною не набагато вище двох - трьох транзисторів. Це твердження стосується загального застосування ОУ. Прецизійні підсилювачі можуть коштувати дещо дорожче.

Щодо схем на ОУ відразу варто зауважити, що всі вони розраховані на харчування від двополярного джерела живлення. Такий режим є для ЗУ найбільш «звичним», що дозволяє посилювати не тільки сигнали змінної напруги, наприклад синусоїду, але також сигнали постійного струму або напруга.

І все-таки досить часто харчування схем на ОУ виробляється від однополярного джерела. Щоправда, у цьому випадку не вдається посилити постійну напругу. Але часто трапляється, що цього просто немає необхідності. Про схеми з однополярним харчуванням буде розказано далі, а поки продовжимо про схеми включення ОУ з двополярним харчуванням.

Напруга живлення більшості ОУ найчастіше перебуває у межах ±15В. Але це зовсім не означає, що цю напругу не можна зробити дещо нижчою (вище не рекомендується). Багато ОУ дуже стабільно працюють, починаючи від ±3В, а деякі моделі навіть ±1,5В. Така можливість вказується у технічній документації (DataSheet).

Повторювач напруги

Є найпростішим за схемотехнікою пристроєм на ОУ, його схема показана малюнку 1.

Рисунок 1. Схема повторювача напруги на операційному підсилювачі

Неважко бачити, що для створення такої схеми не знадобилося жодної деталі, крім ОУ. Правда, на малюнку не показано підключення живлення, але таке накреслення схем зустрічається часто-густо. Єдине, що хотілося б помітити - між висновками живлення ОУ (наприклад для ОУ КР140УД708 це висновки 7 і 4) і загальним проводом слід підключити ємністю 0,01 ... 0,5 мкФ.

Їхнє призначення в тому, щоб зробити роботу ОУ більш стабільною, позбутися самозбудження схеми по ланцюгах живлення. Конденсатори повинні бути підключені якомога ближче до висновків живлення мікросхеми. Іноді один конденсатор підключається з розрахунку на групу кількох мікросхем. Такі ж конденсатори можна побачити і на платах із цифровими мікросхемами, призначення їх те саме.

Коефіцієнт посилення повторювача дорівнює одиниці, чи, інакше, ніякого посилення немає. Тоді навіщо потрібна така схема? Тут цілком доречно згадати, що є транзисторна схема - емітерний повторювач, основне призначення якого узгодження каскадів з різними вхідними опорами. Подібні каскади називають ще буферними.

Вхідний опір повторювача на ОУ розраховується як добуток вхідного опору ОУ на його коефіцієнт посилення. Наприклад, для згаданого УД708 вхідний опір становить приблизно 0,5МОм, коефіцієнт посилення як мінімум 30000, а може бути і більше. Якщо ці числа перемножити, то вхідний опір виходить, 15ГОм, що можна порівняти з опором не дуже якісної ізоляції, наприклад паперу. Такого високого результату навряд чи вдасться досягти зі звичайним емітерним повторювачем.

Щоб описи не викликали сумніви, нижче будуть наведені малюнки, що показують роботу всіх схем, що описуються в програмі - симуляторі Multisim. Звичайно всі ці схеми можна зібрати на макетних платах, але нітрохи не найгірші результати можна отримати і на екрані монітора.

Власне, тут навіть дещо краще: зовсім не треба лізти кудись на полицю, щоби поміняти резистор чи мікросхему. Тут все, навіть вимірювальні прилади, знаходиться у програмі, і «дістається» за допомогою мишки чи клавіатури.

На малюнку 2 показана схема повторювача, виконана програмі Multisim.

Малюнок 2.

Дослідження схеми провести досить легко. На вхід повторювача від функціонального генератора подано синусоїдальний сигнал частотою 1КГц та амплітудою 2В, як показано на малюнку 3.

Малюнок 3.

Сигнал на вході та виході повторювача спостерігається осцилографом: вхідний сигнал відображається променем синього кольору, вихідний промінь – червоний.

Малюнок 4.

А чому, запитає уважний читач, вихідний (червоний) сигнал удвічі більший за вхідний синій? Все дуже просто: при однаковій чутливості каналів осцилографа обидві синусоїди з однією амплітудою та фазою зливаються в одну, ховаються один за одного.

Щоб розглянути з відразу обидві, довелося знизити чутливість однієї з каналів, у разі вхідного. В результаті синя синусоїда стала на екрані рівно вдвічі меншою, і перестала ховатися за червону. Хоча для досягнення подібного результату можна просто змістити промені органами управління осцилографа, залишивши однаковою чутливість каналів.

Обидві синусоїди розташовані симетрично щодо осі часу, що говорить про те, що постійна складова сигналу дорівнює нулю. А що буде, якщо до вхідного сигналу додати постійну невелику складову? Віртуальний генератор дозволяє зрушити синусоїду по осі Y. Спробуємо зрушити її на 500мВ.

Малюнок 5.

Що з цього вийшло показано малюнку 6.

Малюнок 6.

Помітно, що вхідна та вихідна синусоїди піднялися вгору на піввольта, при цьому анітрохи не змінившись. Це говорить про те, що повторювач точно передав і постійну складову сигналу. Але найчастіше цієї постійної складової намагаються позбутися, зробити її рівною нулю, що дозволяє уникнути застосування таких елементів схеми, як міжкаскадні розділові конденсатори.

Повторювач це, звичайно, добре і навіть красиво: не знадобилося жодної додаткової деталі (хоча бувають схеми повторювачів і з незначними «добавками»), але посилення ніякого не отримали. Який це тоді підсилювач? Щоб вийшов підсилювач, достатньо додати всього кілька деталей, як це зробити буде розказано далі.

Підсилювач, що інвертує

Для того, щоб з ОУ вийшов підсилювач, що інвертує, достатньо додати всього два резистори. Що з цього вийшло показано на малюнку 7.

Рисунок 7. Схема підсилювача, що інвертує

Коефіцієнт посилення такого підсилювача розраховується за формулою K=-(R2/R1). Знак «мінус» говорить не про те, що підсилювач вийшов поганий, а лише, що вихідний сигнал буде протилежний по вхідній фазі. Недарма підсилювач і називається інвертуючим. Тут було б доречно згадати транзистор, включений за схемою з ОЕ. Там теж вихідний сигнал на колекторі транзистора знаходиться у протифазі із вхідним сигналом, поданим на базу.

Ось тут якраз і варто згадати, скільки зусиль доведеться докласти, щоби на колекторі транзистора отримати чисту неспотворену синусоїду. Потрібно відповідним чином підібрати усунення на базі транзистора. Це, як правило, досить складно, залежить від багатьох параметрів.

При використанні ОУ досить просто підрахувати опір резисторів згідно з формулою та отримати заданий коефіцієнт посилення. Виходить, що налаштування схеми на ОУ набагато простіше, ніж налаштування кількох транзисторних каскадів. Тож не треба боятися, що схема не запрацює, не вийде.

Малюнок 8.

Тут так само, як і на попередніх малюнках: синім кольором показаний вхідний сигнал, червоним він же після підсилювача. Все відповідає формулі K=-(R2/R1). Вихідний сигнал знаходиться у протифазі з вхідним (що відповідає знаку «мінус» у формулі), і амплітуда вихідного сигналу рівно вдвічі більша за вхідний. Що справедливо при співвідношенні (R2/R1)=(20/10)=2. Щоб зробити коефіцієнт посилення, наприклад, достатньо 10 збільшити опір резистора R2 до 100КОм.

Насправді схема підсилювача, що інвертує, може бути дещо складніше, такий варіант показаний на малюнку 9.

Малюнок 9.

Тут з'явилася нова деталь – резистор R3 (скоріше вона просто зникла з попередньої схеми). Його призначення у компенсації вхідних струмів реального ОУ для того, щоб зменшити температурну нестабільність постійної складової на виході. Величину цього резистора вибирають за формулою R3=R1*R2/(R1+R2).

Сучасні високостабільні ОУ допускають підключення неінвертованого входу на загальний провід без резистора R3. Хоча присутність цього елемента нічого поганого і не зробить, але за нинішніх масштабів виробництва, коли на всьому заощаджують, цей резистор воліють не ставити.

Формули для розрахунку підсилювача, що інвертує, показані на малюнку 10. Чому на малюнку? Та просто для наочності, у рядку тексту вони виглядали б не так звично і зрозуміло, були б не такі помітні.

Малюнок 10.

Про коефіцієнт посилення було сказано раніше. Тут заслуговують на увагу хіба що вхідні та вихідні опори неінвертованого підсилювача. З вхідним опором все начебто ясно: він виходить рівним опору резистора R1, а ось вихідний опір доведеться порахувати, за формулою, показаною на малюнку 11.

Літерою K позначений довідковий коефіцієнт ОУ. Ось, будь ласка, порахуйте чому дорівнюватиме вихідний опір. Вийде досить маленька цифра, навіть для середнього ОУ типу УД7 при його K” рівним не більше 30 000. У даному випадку це добре: адже нижчий вихідний опір каскаду (це стосується не тільки каскадів на ОУ), тим більше потужне навантаження, у розумних Звичайно, в межах, до цього каскаду можна підключити.

Слід зробити окреме зауваження щодо одиниці у знаменнику формули для розрахунку вихідного опору. Припустимо, що співвідношення R2/R1 буде, наприклад, 100. Саме таке відношення вийде у разі коефіцієнта посилення підсилювача, що інвертує, 100. Виходить, що якщо цю одиницю відкинути, то особливо нічого не зміниться. Насправді, це не зовсім так.

Припустимо, що опір резистора R2 дорівнює нулю, як у випадку з повторювачем. Тоді без одиниці весь знаменник перетворюється на нуль, і таким самим нульовим буде вихідний опір. А якщо потім цей нуль виявиться десь у знаменнику формули, як на нього накажете ділити? Тому цієї начебто незначної одиниці позбутися просто неможливо.

В одній статті, навіть досить великій, не написати. Тому доведеться все, що не вміло розповісти в наступній статті. Там буде опис підсилювача, що не інвертує, диференціального підсилювача, підсилювача з однополярним харчуванням. Також буде наведено опис простих схем перевірки ОУ.

До цього часу розглядалися підсилювачі, які збиралися з окремих дискретних компонентів – транзисторів, діодів, резисторів. При використанні технології інтегральних схем, всі ці необхідні дискретні компоненти можуть бути сформовані в одній монолітній ІВ. Саме за такою технологією наразі виготовляються операційні підсилювачі (ОУ). Спочатку вони були розроблені для виконання певних математичних операцій (звідси назва), але потім швидко знайшли застосування в різних електронних схемах.

Ідеальний операційний підсилювач - це ідеальний підсилювач з нескінченно великим коефіцієнтом підсилення, нескінченно широкою смугою пропускання і плоскою АЧХ, нескінченним вхідним опором, нульовим вихідним опором і повною відсутністю дрейфу нуля. Насправді операційний підсилювач має такі характеристики:

1) дуже високий коефіцієнт посилення (понад 50000);

2) дуже широку смугу пропускання та плоску АЧХ;

3) дуже високий вхідний опір;

4) дуже низький вихідний опір;

5) дуже слабкий дрейф нуля.

Мал. 31.1.

На рис. 31.1 показано умовне позначення операційного підсилювача. ОУ має два входи: вхід, що інвертує (-), сигнал на якому знаходиться в протифазі з вихідним сигналом, і неінвертуючий вхід (+), сигнал на якому збігається по фазі з вихідним сигналом.

Застосування

Діапазон застосування ОУ виключно широкий. Він може використовуватися як інвертуючий, неінвертуючий, підсумовуючий і диференціальних підсилювачів, як повторювач напруги, інтегратор і компаратор. Зовнішні компоненти, що підключаються до ОУ, визначають його застосування. Нижче розглядаються деякі з цих застосувань.

На рис. 31.2 показано застосування ОУ як інвертуючий підсилювач. Оскільки ОУ має дуже великий (майже нескінченний) коефіцієнт посилення, то сигнал на його виході виробляється при дуже малому вхідному сигналі. Це означає, що інвертуючий вхід ОУ (точку Р) можна вважати віртуальною (уявною) землею, тобто точкою з практично нульовим потенціалом. Для отримання коефіцієнта посилення ОУ необхідного рівня вводиться дуже глибокий негативний зв'язок через резистор зворотного зв'язку R oc. Коефіцієнт посилення підсилювача, що інвертує (рис. 31.2) можна розрахувати за формулою

Негативний знак вказує на інвертування вхідного сигналу під час його посилення.

Мал. 31.2.

приклад

Вважаючи R 1 = 1 ком і R oc = 2,2 кОм, розрахувати коефіцієнт посилення та вихідну напругу інвертуючого підсилювача, якщо на його вхід подано напругу 50 мВ.

Рішення

Коефіціент посилення

Вихідна напруга = -2, 2 · 50 мВ = -110 мВ.

Підсумовувач (рис. 31.3) виробляє вихідну напругу, величина якого пропорційна сумі вхідних напруг V 1 і V 2 . Для вхідної напруги V 1 коефіцієнт посилення G V = - R oc / R 1 , а для вхідної напруги V 2 G V = - R oc / R 1 .

Наприклад, якщо R oc = R 1 = R 2 то коефіцієнт посилення для обох входів дорівнює -5 кОм / 5 к0м = -1. Нехай V 1 = 1 В і V 2 = 2, тоді внесок у вихідну напругу, пов'язаний з V 1 складає 1 · (-1) = -1 В, а внесок, пов'язаний з V 2 складає 2 · (-1) = -2 В. Отже, повна вихідна напруга дорівнює Vвих = -1 - 2 = -3 ст.

Приклад 1

На входи підсумовуючого ОУ, показаного на рис. 31.4, подаються напругиV 1 = 20 мВ та V 2 = -10 мВ. Розрахуйте вихідну напругуVвих.

Мал. 31.3.

Мал. 31.4.

Рішення

Вихідна напруга для V 1 = -5/1 · 20 = -100 мВ.

Вихідна напруга дляV 2 = -5/5 · (-10) = +10мВ.

Отже, повна вихідна напруга Vвих = -100 + 10 = -90 мВ.

У цьому випадку операційний підсилювач охоплений 100%-вою негативним зворотним зв'язком (рис. 31.5) і має результуючий коефіцієнт підсилення, рівний 1. Зауважимо, що вихідний і вхідний сигнали повторювача напруги збігаються по фазі.

Напруга зміщення

При нульовому вхідному сигналі вихідний сигнал ідеального ОУ дорівнює нулю. На практиці це не так: відмінний від нуля сигнал (струм або напруга) присутній на виході ОУ навіть за нульового вхідного сигналу. Щоб домогтися нульового вихідного сигналу при нульовому вхідному, на вхід ОУ подається вхідний струм зміщення або напруга зміщення такої величини і полярності, щоб вихідний сигнал, що відповідає вхідному сигналу зміщення, компенсував вихідний вихідний вихідний сигнал.

Вхідний струм усунення зазвичай встановлюється за допомогою додаткового резистора R 2 , що підключається до входу ОУ, що не інвертує, як показано на рис. 31.6.

Мал. 31.5.Повторювач напруги. Мал. 31.6

Оптимальний опір цього резистора визначається за формулою

Зазвичай, якщо коефіцієнт посилення більший за чотири, номінали резисторів R 2 та R 1 вибирають однаковими. Введення резистора R 2 не змінює коефіцієнт посилення інвертуючого підсилювача, він, як і раніше, залишається рівним - R oc / R 1 . Як побачимо пізніше, у деяких ІВ передбачаються висновки для встановлення нульової напруги на виході ОУ.

Підсилювач, що не інвертує

В цьому випадку вхідний сигнал подається на неінвертуючий вхід ОУ, як показано на рис. 31.7.

Часто згадую своє перше знайомство з операційним підсилювачем (ОУ). Я завжди знав, що ці загадкові трикутники на схемах мені знадобляться по життю. Однак довгі безсонні ночі, проведені за вивченням їхнього принципу роботи, так ні до чого і не привели. Статей на цю тему багато, але, на мою думку, самі основи не очевидні. Намагатимуся підійти трохи з іншого боку і розвіяти страшні таємниці ОУ.

Спробуємо розібратися з тим, які операції підсилює наш операційний підсилювач.

Завдання: є джерело сигналу, наприклад сигнал із мікрофона або звукознімача гітари. Якщо мікрофон під'єднати безпосередньо до навушників, то швидше за все ви нічого не почуєте, у кращому випадку це буде ледве вловимий звук.

Уявімо замість мікрофона людини, яка намагається підняти важку плиту, природно це їй не під силу, так само і мікрофон не в силах розгойдати динамік. Але якщо ця людина використовуватиме невелике зусилля, щоб керувати підйомним краном, тоді він зможе підняти будь-який вантаж, в межах вантажопідйомності крана. Тобто. кран у разі підсилювач. Аналогом вантажопідйомності крана є потужність підсилювача. Сенс посилення має бути зрозумілий з картинки. Частота та форма сигналу залишається такою ж, змінюється лише амплітуда.

Тепер ми знаємо, що для того, щоб чути звук з динаміків, потрібен підсилювач. Поки ми не знаємо як він працює і що у нього всередині, проте ми вже знаємо, що повинні бути ніжки, на які подається сигнал, який ми хочемо посилити Uвх, а також ніжки з яких знімається посилений сигнал Uвих.

Запитання до якої напруги можна посилити сигнал? Ви скажете: "хочу 220В посилити до 1000000В", але так не можна, чому? Тому що вихідний сигнал посилюється за рахунок зовнішнього джерела. Зовнішнім джерелом буде напруга живлення ОУ. Аналогічно підйомний кран не може підняти вантаж вище своєї висоти (умовимося, що не може:)). Тому напруга на виході ОП перевищити напругу живлення не може. Насправді воно навіть трохи менше, ніж напруга харчування. Наприклад, для LM324 напруга живлення становить від 3 до 32В.

Тепер ми знаємо, що ОУ потрібне зовнішнє харчування, намалюємо ці ніжки

До речі, ми звикли, що харчування у нас однополярне +5В і земля. Тут же тонкий момент, якщо потрібно посилити сигнал, що має негативні значення,

то до -Uпіт потрібно підключати, саме джерело негативної напруги, а не землю. Якщо підключити землю, то вийде, що джерело напруги відсутня і «нижня»(негативна) частина сигналу буде посилена, тобто. частина сигналу "зріжеться", докладніше про це в прикладі.

Аналогічно, якщо посилити сигнал більше, ніж напруга живлення, то тих місцях де сигнал перевищуватиме напруга живлення, сигнал буде «зрізаний», тобто. замість синусоїди ми побачимо щось подібне

Залишилося головне питання, як поставити коефіцієнт посилення? Дуже просто – дільником напруги. Але для початку, перейдемо до більш реальних позначень. Будь-який ОУ має мінімум 5 ніжок - 2 харчування, про яке було сказано вище, інвертований вхід(-), не інвертований вхід(+) та вихід.

Отже, залежно від того, на який вхід подається вихідний сигнал, розрізняють два типи включення: підсилювач, що не інвертує

Коефіцієнт посилення, якого дорівнює K=(R4/R3)+1. У разі K=4. В цьому випадку форма сигналу на виході не змінюється.

І інвертуючий з коефіцієнтом посилення K=-(R2/R1). Для цієї схеми K=3. Сигнал на виході буде у протифазі із вхідним.

Перейдемо від слів до діла. Як вихідний сигнал взятий меандр частотою 1кГц. Сигнал має як позитивні значення, і негативні (середина екрана 0). Амплітуда сигналу 50мВ.

Підключаю ОУ (L324) за схемою підсилювача, що не інвертує. Живлення однополярне. На виході ОУ сигнал тієї ж форми, але з більшою амплітудою. Ймовірно, не зовсім зрозуміло, чому сигнал саме такої амплітуди і чому він змістився нагору.

Спробуємо розібратися. Амплітуда вихідного сигналу 50мВ, R4=30k, R3=10k, підставимо у формулу 50*(30/10+1)=200мВ, дуже схоже на те, що видно на осцилографі. Чому ж сигнал змістився нагору? Згадуємо нестачу однополярного живлення, що нижче 0 може бути посилено, тому сигнал зрізається на 0.

А тепер уявіть собі, що якщо до ніжки живлення було б підключено джерело негативної напруги подати, допустимо -5В, то амплітуда сигналу збільшилася б удвічі! Отже гучність би теж значно збільшилася.

Власне ця маленька передмова перед початком вивчення ОУ все вище сказана лише крапля в морі, якщо сподобалося — пишіть, поступово освоюватимемо й інші застосування ОУ, в т.ч. та практичні схеми.

У цій статті поговоримо про операційний підсилювач. Приклад роботи та використання.

Операційний посилювач– електронна схема підсилювача на напівпровідниках, в інтегральному виконанні має два балансні входи – прямий та інверсний, що має високий коефіцієнт посилення. Інтегральне виконання має на увазі закінчену конструкцію підсилювача, розміщену в одному корпусі інтегральної мікросхеми (ІМС). Застосування операційних підсилювачів (ОУ) найрізноманітніше – в підсилювачах різних сигналів, у генераторах сигналів, у частотних фільтрах звукового діапазону, у схемах контролю фізичних величин (температури, освітленості, вологості, вітру) тощо.

Прямий вхід операційного підсилювача позначається знаком "+", а інверсний вхід відзначається знаком "-". Слід знати, що у різній літературі зустрічається й інше позначення: інверсний вхід позначається гуртком. Це типове позначення знака інверсії, яке трапляється і цифровій електроніці – логічних елементах. Прямий вхід не має позначення кружечка.

Аптекарські ваги не здатні показати, наскільки вага вантажу однієї чаші відрізняється від ваги вантажу іншої чаші. Для приблизного спостереження за різницею вантажів іноді в технохімічних вагах використовують суміщені зі стрілкою спеціальні схилі, які при цьому знижують «чутливість» ваг до малих вантажів. Так само в операційний підсилювач вводиться негативний зворотний зв'язок, що знижує його чутливість до вхідного сигналу - резистор зворотного зв'язку, що з'єднує вихід з входом інверсним операційного підсилювача, як показано на малюнку вище.

Приклад використання та робота операційного підсилювача

Розглянемо роботу операційного підсилювача на прикладі схеми, що контролює температуру повітря, або якогось іншого предмета, на який закріплюють терморезистор – чутливий до температури радіоелемент, який зменшує опір при підвищенні температури. Схема на операційному підсилювачі, що вимірює температуру та сигналізує про перевищення заданого порога температури, зображена на малюнку.

Входи операційного підсилювача підключені до двох резистивних дільників напруги живлення, тільки один з них виконаний на лінійних елементах - резисторах, а другий має у своєму складі нелінійний елемент, що змінює опір в залежності від температури. Що таке дільник напруги, Ви можете дізнатися у статті Дільник напруги. За своєю конструкцією ці чотири резистори виконують функцію вимірювального моста.

Коли температура "нормальна", на середній точці "А" дільника R1 і R2 (інверсний вхід ОУ) напруга більша, ніж на середній точці "В" дільника R3 і R4 (прямий вхід ОУ), тому на виході операційного підсилювача сигнал низького рівня – напруга мінімальна, транзистор закритий, а лампочка VL1 не світиться.

При підвищенні температури опір резистора R2 зменшується, тому зменшується напруга на середній точці «А» дільника R1 і R2. Коли з підвищенням температури опір терморезистора впаде до такого значення, при якому напруга на середній точці А дільника R1 і R2 (інверсний вхід ОУ) стає нижче, ніж на середній точці В дільника R3 і R4 (прямий вхід ОУ), на Виході операційного підсилювача з'явиться сигнал високого рівня - напруга стане максимально, транзистор відкриється і лампочка загориться.

Зображена малюнку схема контролю температури є реально діючою схемою, і правильно зібрана – працює відразу. Поріг температури спрацьовування встановлюється за допомогою резистора R4. Живити її можна як від батарей елементів живлення, так і від випрямлячів живлення. Діапазон напруги живлення може бути від 6, до 30 вольт.

Якщо терморезистор R2 закріпити на якійсь поверхні, наприклад радіаторі охолодження потужного транзистора, замість лампочки застосувати звичайний комп'ютерний вентилятор (кулер) на напругу 12 вольт, то схему можна використовувати як пристрій автоматичного охолодження чогось, наприклад потужного транзистора. Вентилятор запускатиметься при досягненні певної температури, і зупинятиметься після охолодження «об'єкта контролю».

Для зниження чутливості операційного підсилювача подібно до спеціальних схилів в аптекарських вагах, застосовується негативний зворотний зв'язок (ООС), який виконується на резисторі (на схемі це - R5). Резистор поєднує вихід підсилювача з інверсним входом. При збільшенні напруги на виході підсилювача вихідна напруга передається через резистор на негативний вхід підсилювача, змушуючи його знизити вихідну напругу. Чим менший опір резистора негативного зворотного зв'язку, тим вище зворотний зв'язок, а значить гірший коефіцієнт посилення операційного підсилювача. Значення резистора зворотного зв'язку R5 типу мікросхеми запропонованої на схемі може бути в межах від 10 кілоом, до 1,5 мегаома. Негативний зворотний зв'язок робить графік залежності вихідної напруги від вхідної напруги пологішим. Ця залежність показана на лівому малюнку-графіці.

Якщо операційний підсилювач використовується керувати реле системи автоматики, чи інший апаратури «не терплячої» частих перепадів напруги, то виключення частого перемикання, чи «брязкоту» контактів, може використовуватися не негативна, а позитивна зворотний (ПОС). І тут резистор зворотний зв'язок з'єднує вихід підсилювача над інверсним входом, і з прямим. Тоді, при збільшенні напруги на виході підсилювача, вихідна напруга передається через резистор на позитивний вхід підсилювача, змушуючи його швидше підвищити вихідну напругу. При такому підключенні спрацьовування, як на «включення», так і на «вимкнення» операційного підсилювача відбувається при більшій різниці напруги на вхідних дільниках напруги – розбалансуванні вимірювального моста, ніж при негативному зворотному зв'язку. Характер перемикання підсилювача стає "різкішим" - має більш крутий фронт при "включенні" і крутий спад при "вимиканні". Чим менший опір резистора позитивного зворотного зв'язку, тим вище зворотний зв'язок, а значить більший коефіцієнт посилення операційного підсилювача. Але врахуйте, надмірна позитивна зворотний зв'язок викликає спотворення вихідного сигналу та самозбудження операційного підсилювача.

При позитивному зворотному зв'язку (ПОС) з'являється побічний ефект – «петля гістерезису», при якому включення підсилювача відбувається при більшій різниці вхідної напруги, а виключення – при значно меншій, порівняно з підсилювачем з негативним зворотним зв'язком. Чим сильніший ПІС, тим петля гістерезису «прямокутніша» (правий на малюнку графік). Наявність сильного позитивного зворотного зв'язку перетворює схему на тригер Шмітта. Тому такий вид зворотного зв'язку допускає значний розкид температури в системі автоматичного регулювання температури і не придатний наприклад для інкубатора, у якого великий розкид температур не допустимий.

Операційні підсилювачі можуть працювати від джерела однополярного живлення, як було зображено раніше, але вони призначені для двополярного живлення. Двополярне харчування обов'язково в тих схемах, в яких операційний підсилювач вимірює як позитивні, так і негативні напруги, або напруги, що вимірюються, зіставні з «нулем», наприклад у схемах підсилювачів гармонійного сигналу. У разі двополярного живлення вихідна напруга операційного підсилювача в залежності від вхідного сигналу може змінюватися в межах від «-» живлення до «+» живлення.

В окремих типах операційних підсилювачів при двополярному живленні є можливість регулювання «балансу нуля» - стану, коли за відсутності вхідного сигналу на обох входах, на його виході не позитивна і негативна напруга, а дорівнює нулю. Для цього є спеціальні висновки мікросхем ОУ, куди підключається підстроювальний резистор, що регулює баланс нуля.

До всіх операційних підсилювачів, що працюють у режимі посилення гармонійних сигналів для усунення нелінійних спотворень, можуть підключатися додаткові елементи – фільтри, що складаються, як правило, з конденсаторів та резисторів. Для кожного типу операційного підсилювача схема фільтра своя. Як правило, вона наводиться у довідниках.

Спеціально для вас зараз ми розробляємо практикум з операційних підсилювачівщоб кожен міг на практиці закріпити роботу з даним корисним видом мікросхем.

Операційним підсилювачем (ОУ) прийнято називати інтегральний підсилювач постійного струму з диференціальним входом та двотактним виходом, призначений для роботи з ланцюгами зворотних зв'язків. Назва підсилювача обумовлена ​​первісною областю його застосування - виконанням різних операцій над аналоговими сигналами (складання, віднімання, інтегрування та ін.). В даний час ОУ виконують роль функціональних вузлів при реалізації різноманітних пристроїв електроніки різного призначення. Вони застосовуються посилення, обмеження, перемноження, частотної фільтрації, генерації, стабілізації тощо. сигналів у пристроях безперервної та імпульсної дії.

Необхідно відзначити, що сучасні монолітні ОУ за своїми розмірами та ціною незначно відрізняються від окремих дискретних елементів, наприклад, транзисторів. Тому виконання різних пристроїв на ОУ часто здійснюється значно простіше, ніж на дискретних елементах або підсилювальних ІМС.

Ідеальний ОУ має нескінченно великий коефіцієнт посилення за напругою ( K та ОУ=∞), нескінченно великий вхідний опір, нескінченно малий вихідний опір, нескінченно великий КОСС і нескінченно широку смугу робочих частот. Природно, що на практиці жодна з цих властивостей не може бути здійснена повністю, проте до них можна наблизитися достатньою для багатьох областей мірою.

На малюнку 6.1 наведено два варіанти умовних позначень ОУ - спрощений (а) та з додатковими висновками для підключення ланцюгів живлення та ланцюгів частотної корекції (б).

Малюнок 6.1. Умовні позначення ОУ

За підсумками вимог до характеристик ідеального ОУ можна синтезувати його внутрішню структуру, представлену малюнку 6.2.

Малюнок 6.2. Структурна схема ОУ

Спрощена електрична схема простого ОУ, що реалізує структурну схему малюнка 6.2, показано малюнку 6.3.

Малюнок 6.3. Схема простого ОУ

Дана схема містить вхідний ДК (VT 1 і VT 2) з струмовим дзеркалом (VT 3 і VT 4), проміжні каскади з ОК (VT 5) та з ОЕ (VT 6), і вихідний струмовий бустер на транзисторах VT 7 і VT 8 . ОУ може містити ланцюга частотної корекції (C кор), ланцюга живлення та термостабілізації (VD 1 , VD 2 та ін), ІСТ і т.д. Двополярне живлення дозволяє здійснити гальванічну зв'язок між каскадами ОУ та нульові потенціали на його входах та виході у відсутності сигналу. З метою отримання високого вхідного опору вхідний ДУ може бути виконаний ПТ. Слід зазначити велику різноманітність схемних рішень ОУ, проте основні засади їх побудови досить повно ілюструє рисунок 6.3.

6.2. Основні параметри та характеристики ОУ

Основним параметром ОУ коефіцієнт посилення за напругою без зворотного зв'язку K u ОУ, званий також повним коефіцієнтом посилення напруги. В області НЧ та СЛ він іноді позначається K u ОУ 0 і може досягати кількох десятків та сотень тисяч.

Важливими параметрами ОУ є його точнісні параметри, що визначаються вхідним диференціальним каскадом. Оскільки точнісні параметри ДК були розглянуті в підрозділі 5.5, то обмежимося їх перерахуванням:

◆ напруга зміщення нуля U см;

◆ температурна чутливість напруги зміщення нуля dU см/dT;

◆ струм зміщення Δ I вх;

◆ середній вхідний струм I вх ср.

Вхідні та вихідні ланцюги ОУ є вхідним R вхОУта вихідним R вихОУопорами, які наводяться для ОУ без ланцюгів ООС. Для вихідного ланцюга даються такі параметри, як максимальний вихідний струм I вихОУта мінімальний опір навантаження R н min, а іноді і максимальна ємність навантаження. Вхідний ланцюг ОУ може включати ємність між входами та загальною шиною. Спрощені еквівалентні схеми вхідного та вихідного ланцюга ОУ представлені на малюнку 6.4.

Малюнок 6.4. Проста лінійна макромодель ОУ

Серед параметрів ОУ слід зазначити КОСС та коефіцієнт ослаблення впливу нестабільності джерела живлення КОВНП = 20lg · (Δ E/Δ U вх). Обидва ці параметри в сучасних ОУ мають значення в межах (60…120)дБ.

До енергетичних параметрів ОУ відносяться напруга джерел живлення ±E, струм споживання (спокою) I Пі споживана потужність. Як правило, I Пскладає десяті частки - десятки міліампер, а споживана потужність однозначно визначається I П, одиниці - десятки міліватів.

До максимально допустимих параметрів ОУ належать:

◆ максимально можлива (неспотворена) вихідна напруга сигналу U вих max (зазвичай трохи менше Е);

◆ максимально допустима потужність розсіювання;

◆ робочий діапазон температур;

◆ максимальна напруга живлення;

◆ максимальна вхідна диференціальна напруга та ін.

До частотних параметрів відноситься абсолютна гранична частота або частота одиничного посилення f T (F 1), тобто. частота, на якій K u ОУ=1. Іноді використовується поняття швидкості наростання та часу встановлення вихідної напруги, що визначаються за реакцією ОУ на вплив стрибка напруги на його вході. Для деяких ОУ наводяться також додаткові параметри, що відображають специфічну сферу їх застосування.

Амплітудні (передавальні) характеристики ОУ представлені малюнку 6.5 як двох залежностей U вих=f(U вх) для інвертуючого та неінвертуючого входів.

Коли на обох входах ОУ U вх=0, то на виході буде напруга помилки U ош, що визначається точними параметрами ОУ (на малюнку 6.5 U ошне показано через його небагато).

Малюнок 6.5. АХ ОУ

Частотні властивості ОУ є його АЧХ, виконаної в логарифмічному масштабі, K u ОУ=φ(lg f). Така АЧХ називається логарифмічною (ЛАЧХ), її типовий вигляд наведено на малюнку 6.6 (для ОУ К140УД10).

Малюнок 6.6. ЛАЧХ та ЛФЧХ ОУ К140УД10

Частотну залежність K u ОУможна уявити у вигляді:

Тут τ впостійна часу ОУ, яка при M в=3 дБ визначає частоту сполучення (зрізу) ОУ (див. рисунок 6.6);

ω в= 1/τ в= 2π f в.

Замінивши у виразі для K u ОУ τ вна 1/ω в, отримаємо запис ЛАЧХ:

На НЧ та СЧ K u ОУ=20lg K u ОУ 0, тобто. ЛАЧХ є прямою, паралельною осі частот. З деяким наближенням можемо вважати, що в області ВЧ спад K u ОУвідбувається зі швидкістю 20дБ на декаду (6дБ на октаву). Тоді при ω>>ω вможна спростити вираз для ЛАЧХ:

K u ОУ= 20lg K u ОУ 0 – 20lg(ω/ω в).

Таким чином, ЛАЧХ в області ВЧ є прямою лінією з нахилом до осі частот 20дБ/дек. Точка перетину розглянутих прямих, що представляють ЛАЧХ, відповідає частоті сполучення ω в (f в). Різниця між реальною ЛАЧХ та ідеальною на частоті f встановить близько 3дБ (див. малюнок 6.6), проте для зручності аналізу з цим миряться, і такі графіки прийнято називати діаграмами Боде .

Слід зауважити, що швидкість спаду ЛАЧХ 20дБ/дек характерна для скоригованих ОУ із зовнішньою або внутрішньою корекцією, основні принципи якої будуть розглянуті нижче.

На малюнку 6.6 представлена ​​також логарифмічна ФЧХ (ЛФЧХ), що є залежністю фазового зсуву j вихідного сигналу щодо вхідного від частоти. Реальна ЛФЧХ відрізняється від представленої лише на 6°. Зазначимо, що й реального ОУ j=45° на частоті f в, а на частоті f T- 90 °. Таким чином, власний фазовий зсув робочого сигналу в скоригованому ОУ області ВЧ може досягти 90°.

Розглянуті вище параметри та характеристики ОУ описують його за відсутності ланцюгів ООС. Однак, як зазначалося, ОУ практично завжди використовується з ланцюгами ООС, які суттєво впливають на всі його показники.

6.3. Підсилювач, що інвертує

Найчастіше ОУ використовується в інвертуючих та неінвертуючих підсилювачах. Спрощену принципову схему інвертуючого підсилювача на ОУ наведено на малюнку 6.7.

Малюнок 6.7. Підсилювач, що інвертує на ОУ

Резистор R 1 являє собою внутрішній опір джерела сигналу E г, за допомогою R ос ОУ охоплений ООСН.

При ідеальному ОУ різниця напруги на вхідних затискачах прагнути до нуля, а оскільки неінвертуючий вхід з'єднаний із загальною шиною через резистор R 2 то потенціал в точці aтеж має бути нульовим ( " віртуальний нуль " , " Здається земля " ). В результаті можемо записати: I г=I ос, тобто. E г/R 1 =–U вих/R ос. Звідси отримуємо:

K U інв = U вих/E г = –R ос/R 1 ,

тобто. при ідеальному ОУ K U інввизначається ставленням величин зовнішніх резисторів і залежить від самого ОУ.

Для реального ОУ необхідно враховувати його вхідний струм I вх, тобто. I г=I ос+I вхабо ( E г–U вх)/R 1 =(U вх–U вих)/R ос+U вх/U вхОУ, де U вх- напруга сигналу на вході ОУ, що інвертує, тобто. у точці a. Тоді для реального ОУ отримуємо:

Неважко показати, що з глибині ООС понад десять, тобто. K u ОУ/K U інв=F>10, похибка розрахунку K U інвдля випадку ідеального ОУ не перевищує 10%, що цілком достатньо більшості практичних випадків.

Номінали резисторів у пристроях на ОУ не повинні перевищувати одиниць мигом, інакше можлива нестабільна робота підсилювача через струми витоку, вхідні струми ОУ тощо. Якщо в результаті розрахунку величина R осперевищить граничне значення, що рекомендується, то доцільно використовувати Т-подібний ланцюжок ООС, який при помірних номіналах резисторів дозволяє виконати функцію еквівалента високоомного R ос(Малюнок 6.7б) . У цьому випадку можна записати:

Насправді часто вважають, що R ос 1 =R ос 2 >>R ос 3 а величина R 1 зазвичай задана, тому R ос 3 визначається досить легко.

Вхідний опір підсилювача, що інвертує, на ОУ R вх інвмає відносно невелике значення, що визначається паралельною ООС:

R вх інв = R 1 +(R ос/K u ОУ + 1)∥R вхОУ≈ R 1 ,

тобто. при великих K u ОУвхідний опір визначається величиною R 1 .

Вихідний опір підсилювача, що інвертує R вих інву реальному ОУ на відміну від нуля і визначається як величиною R вих ОУ, і глибиною ООС F. При F>10 можна записати:

R вих інв = R вих ОУ/F = R вих ОУ/K U інв/K u ОУ.

За допомогою ЛАЧХ ОУ можна представити частотний діапазон підсилювача інвертування (див. малюнок 6.6), причому

f вОС = f T/K U інв.

У межі можна отримати K U інв=1, тобто. отримати інвертуючий повторювач. В цьому випадку отримуємо мінімальний вихідний опір підсилювача на ОУ:

R вих пов = R вих ОУ/K u ОУ.

У підсилювачі на реальному ОУ на виході підсилювача при U вх=0 завжди буде присутня напруга помилки U ош, що породжується U смта Δ I вх. З метою зниження U ошпрагнуть вирівняти еквіваленти резисторів, підключених до входів ОУ, тобто. взяти R 2 =R 1 ∥R ос(Див. малюнок 6.7а). При виконанні цієї умови для K U інв>10 можна записати:

U ош ≈ U см K U інв + Δ I вх R ос.

Зменшення U ошможливо шляхом подачі додаткового зміщення на неінвертуючий вхід (за допомогою додаткового дільника) та зменшення номіналів резисторів, що застосовуються.

На основі розглянутого інвертуючого УПТ можливе створення підсилювача змінного струму шляхом включення на вхід і вихід конденсаторів розділових, номінали яких визначаються виходячи із заданого коефіцієнта частотних спотворень M н(Див. підрозділ 2.5).

6.4. Підсилювач, що не інвертує

Спрощену принципову схему неінвертуючого підсилювача на ОУ наведено на малюнку 6.8.

Малюнок 6.8. Підсилювач, що не інвертує, на ОУ

Неважко показати, що в підсилювачі, що не інвертує, ОУ охоплений ПООСН. Оскільки U вхі U осподаються на різні входи, то для ідеального ОУ можна записати:

U вх = U вих R 1 /(R 1 + R ос),

звідки коефіцієнт посилення по напрузі підсилювача, що не інвертує:

K U неінв = 1 + R ос/R 1 ,

K U неінв = 1 + |K U інв|.

Для підсилювача, що не інвертує, на реальному ОУ отримані вирази справедливі при глибині ООС F>10.

Вхідний опір неінвертованого підсилювача R вх неінввелике і визначається глибокою послідовною ООС і високим значенням R вхОУ:

R вх неінв = R вхОУ· F = R вхОУ· K U ОУ/K U неінв.

Вихідний опір підсилювача, що не інвертує, на ОУ визначається як для інвертуючого, т.к. в обох випадках діє ООС за напругою:

R вих неінв = R вихОУ/F = R вихОУ/K U неінв/K U ОУ.

Розширення смуги робочих частот у неинвертирующем підсилювачі досягається так само, як і інвертирующем, тобто.

f вОС = f T/K U неінв.

Для зниження струмової помилки в підсилювачі, що не інвертує, аналогічно інвертуючому, слід виконати умову:

R г = R 1 ∥R ос.

Неінвертуючий підсилювач часто використовують при великих R г(що можливо за рахунок великого R вх неінв), тому виконання цієї умови не завжди можливе через обмеження на величину номіналів резисторів.

Наявність на вході, що інвертує, синфазного сигналу (переданого по ланцюгу: неінвертуючий вхід ОУ ⇒ вихід ОУ ⇒ R ос⇒ інвертуючий вхід ОУ) призводить до збільшення U ош, що є недоліком підсилювача, що розглядається.

При збільшенні глибини ООС можливе досягнення K U неінв=1, тобто. отримання неінвертуючого повторювача, схема якого наведена малюнку 6.9.

Малюнок 6.9. Неінвертуючий повторювач на ОУ

Тут досягнуто 100% ПООСН, тому даний повторювач має максимально великий вхідний і мінімальний вихідний опір і використовується, як і будь-який повторювач, як каскад, що узгоджує. Для неінвертованого повторювача можна записати:

U ош ≈ U см + I вх ср R г ≈ I вх ср R г,

тобто. Напруга помилки може досягати досить великої величини.

На основі розглянутого неінвертованого УПТ також можливе створення підсилювача змінного струму шляхом включення на вхід та вихід розділових конденсаторів, номінали яких визначаються виходячи із заданого коефіцієнта частотних спотворень M н(Див. підрозділ 2.5).

Крім інвертуючого та неінвертуючого підсилювачів на основі ОУ виконуються різні варіанти УУ, деякі з них будуть розглянуті нижче.

6.5. Різновиди УУ на ОУ

різницевий (диференціальний) підсилювач , Схема якого наведена на малюнку 6.10.

Малюнок 6.10. Різнисний підсилювач на ОУ

Різнісний підсилювач на ОУ можна розглядати як сукупність інвертуючого та неінвертованого варіантів підсилювача. Для U вихрізного підсилювача можна записати:

U вих = K U інв U вх 1 +K U неінв U вх 2 R 3 /(R 2 + R 3).

Як правило, R 1 =R 2 та R 3 =R ос, отже, R 3 /R 2 =R ос/R 1 =m. Розкривши значення коефіцієнтів посилення, отримаємо:

U вих = m(U вх 2 – U вх 1),

Для окремого випадку при R 2 =R 3 отримаємо:

U вих = U вх 2 – U вх 1 .

Останній вираз чітко роз'яснює походження назви та призначення розглянутого підсилювача.

У різницевому підсилювачі на ОУ при однаковій полярності вхідної напруги має місце синфазний сигнал, який збільшує помилку підсилювача. Тому у різницевому підсилювачі бажано використовувати ОУ з великим КОСС. До недоліків розглянутого різницевого підсилювача можна віднести різну величину вхідних опорів і труднощі регулювання коефіцієнта посилення. Ці труднощі усуваються у пристроях на кількох ОУ, наприклад, у підсилювачі різниці на двох повторювачах (рисунок 6.11).

Малюнок 6.11. Різнисний підсилювач на повторювачах

Дана схема симетрична і характеризується однаковими вхідними опорами та малою напругою помилки, але працює тільки на симетричне навантаження.

На основі ОУ може бути виконаний логарифмічний підсилювач , принципова схема якого наведено малюнку 6.12.

Рисунок 6.12 Логарифмічний підсилювач на ОУ

P-n перехід діода VD зміщений у прямому напрямку. Вважаючи ОУ ідеальним, можна прирівняти струми I 1 і I 2 . Використовуючи вираз для ВАХ p-n переходу ( I=I 0 ·), неважко записати:

U вх/R= I 0 ·,

звідки після перетворень отримаємо:

U вих = φ T· ln ( U вх/I 0 R) = φ T(ln U вх- ln I 0 R),

з чого випливає, що вихідна напруга пропорційна логарифму вхідного, а член ln I 0 Rє помилкою логарифмування. Слід зауважити, що в даному виразі використовуються напруги, нормовані щодо одного вольта.

При заміні місцями діода VD та резистора R виходить антилогарифмічний підсилювач .

Широкого поширення набули інвертуючі та неінвертуючі суматори на ОУ, звані ще підсумовуючими підсилювачами чи аналоговими суматорами. На малюнку 6.13 наведено принципову схему інвертуючого суматора з трьома входами. Цей пристрій є різновидом підсилювача, що інвертує, багато властивостей якого проявляються і в інвертуючому суматорі.

Малюнок 6.13. Суматор, що інвертує, на ОУ

U вх 1 /R 1 + U вх 2 /R 2 + U вх 3 /R 3 = –U вих/R ос,

З отриманого виразу випливає, що вихідна напруга пристрою є сумою вхідних напруг, помножену на коефіцієнт посилення K U інв. При R ос=R 1 =R 2 =R 3 K U інв=1 і U вих=U вх 1 +U вх 2 +U вх 3 .

При виконанні умови R 4 =R ос∥R 1 ∥R 2 ∥R 3 струмова помилка мала, і її можна розрахувати за формулою U ош=U см(K U ош+1), де K U ош=R ос/(R 1 ∥R 2 ∥R 3) - коефіцієнт посилення сигналу помилки, який має більше значення, ніж K U інв.

Неінвертуючий суматор реалізується також як і інвертуючий суматор, але для нього слід використовувати неінвертуючий вхід ОУ за аналогією з підсилювачем, що не інвертує.

При заміні резистора R ос конденсатором C (рисунок 6.14) отримуємо пристрій, званий аналоговим інтегратором чи просто інтегратором.

Малюнок 6.14. Аналоговий інтегратор на ОУ

При ідеальному ОУ можна прирівняти струми I 1 і I 2, звідки слідує:

Точність інтегрування тим вища, тим більше K u ОУ.

Крім розглянутих УУ, ОУ знаходять застосування в ряді пристроїв безперервної дії, які будуть розглянуті нижче.

6.6. Корекція частотних характеристик

Під корекцією частотних характеристик розумітимемо зміну ЛАЧХ і ЛФЧХ для отримання від пристроїв на ОУ необхідних властивостей і, насамперед, забезпечення стійкої роботи. ОУ зазвичай використовується з ланцюгами ООС, проте за деяких умов, через додаткові фазові зрушення частотних складових сигналу, ООС може перетворитися на ПОС і підсилювач втратить стійкість. Оскільки ООС дуже глибока ( βK U>>1), особливо важливо забезпечити фазовий зсув між вхідним і вихідним сигналом, що гарантує відсутність збудження.

Раніше на малюнку 6.6 були наведені ЛАЧХ та ЛФЧХ для скоригованого ОУ, за формою еквівалентні ЛАЧХ та ЛФЧХ одиночного підсилювального каскаду, з яких видно, що максимальний фазовий зсув φ<90° при K u ОУ>1, а швидкість спаду коефіцієнта посилення області ВЧ становить 20дБ/дек. Такий підсилювач стійкий за будь-якої глибини ООС.

Якщо ОУ складається з кількох каскадів (наприклад, трьох), кожен із яких має швидкість спаду 20дБ/дек і містить ланцюгів корекції, його ЛАЧХ і ЛФЧХ мають складнішу форму (рисунок 6.15) і містить область нестійких коливань.

Малюнок 6.15. ЛАЧХ та ЛФЧХ нескоректованого ОУ

Для забезпечення стійкої роботи пристроїв на ОУ використовуються внутрішні та зовнішні ланцюги корекції, за допомогою яких добиваються загального фазового зсуву при розімкнутому ланцюзі ООС менше 135 ° на максимальній робочій частоті. При цьому автоматично виходить, що спад K u ОУскладає близько 20дБ/дек.

Як критерій стійкості пристроїв на ОУ зручно використовувати критерій Боде , що формулюється наступним чином: "Підсилювач з ланцюгом зворотного зв'язку стійкий, якщо пряма його коефіцієнта посилення в децибелах перетинає ЛАЧХ на ділянці зі спадом 20дБ/дек". Таким чином, можна зробити висновок, що ланцюги частотної корекції в ОУ повинні забезпечувати швидкість спаду K U інв(K U неінв) на ВЧ порядку 20дБ/грудень.

Ланцюги частотної корекції можуть бути як вбудовані напівпровідниковий кристал, так і створеними зовнішніми елементами. Найпростіший ланцюг частотної корекції здійснюється за допомогою підключення до виходу ОУ конденсатора C кор досить великого номіналу. Необхідно, щоб постійна часу τ кор=R вих C корбула більша, ніж 1/2π f в. При цьому сигнали високих частот на виході ОУ шунтуватимуться C кор і смуга робочих частот звузиться, більша частина дуже значно, що є істотним недоліком даного виду корекції. Отримана у разі ЛАЧХ показано малюнку 6.16.

Малюнок 6.16. Частотна корекція зовнішнім конденсатором

Спад K u ОУтут не буде перевищувати 20дБ/дек, а сам ОУ буде стійкий при введенні ООС, оскільки ніколи не перевищить 135 °.

Більш досконалі коригувальні ланцюга інтегруючого (запізнювальна корекція) і диференціюючого (випереджальна корекція) типів. У загальному вигляді корекція інтегруючого типу проявляється аналогічно дії ємності, що коригує (навантажувальної). Коригуючий RC ланцюг включається між каскадами ОУ (рисунок 6.17).

Малюнок 6.17. Частотна корекція інтегруючого типу

Резистор R 1 є вхідним опором каскаду ОУ, а сам ланцюг корекції містить R кор і C кор. Постійна часу цього ланцюга має бути більшою за постійний час будь-якого з каскадів ОУ. Оскільки ланцюг корекції є найпростішим одноланковим RC ланцюгом, то нахил її ЛАЧХ дорівнює 20дБ/дек, що гарантує стійку роботу підсилювача. І в цьому випадку ланцюг корекції звужує смугу робочих частот підсилювача, проте широка смуга все одно нічого не дає, якщо підсилювач нестійкий.

Стійка робота ОУ при відносно широкій смузі забезпечується корекцією диференціюючого типу. Сутність такого способу корекції ЛАЧХ та ЛФЧХ полягає в тому, що ВЧ сигнали проходять усередині ОУ в обхід частини каскадів (або елементів), що забезпечують максимальний K u ОУ 0 ними не посилюються і не затримуються по фазі. В результаті ВЧ сигнали посилюватимуться менше, але їх малий фазовий зсув не призведе до втрати стійкості підсилювача. Для реалізації корекції диференціюючого типу до спеціальних висновків ОУ підключається конденсатор, що коригує (рисунок 6.18).

Малюнок 6.18. Частотна корекція диференціюючого типу

Крім розглянутих коригувальних ланцюгів відомі інші (див., наприклад ). При виборі схем корекції та номіналів їх елементів слід звертатися до довідкової літератури (наприклад, ).