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.