Структурні схеми лінійних підсилювачів представлені відповідно на рис.2 та рис.3 завдання. Обидві схеми побудовані на базі операційного підсилювача А1.
Ідеальний операційний підсилювач – це підсилювач постійного струму з безмежним коефіцієнтом підсилення, який має несиметричний чи диференційний вхід, несиметричний чи диференційний вихід, безмежний вхідний опір, нульовий вихідний опір, нульові значення напруги зміщення і вхідного струму і працює в діапазоні частот від нуля до безмежності. На практиці ми маємо справу з ОП, які відрізняються від ідеальних тим, що їх коефіцієнт підсилення має кінцеве значення, вхідний опір відмінний від безмежності, через входи протікає струм, вхідна напруга зміщення відмінна від нуля, смуга пропускання є обмеженою. Усі ці фактори призводять до того, що у схемах, де використовуються ОП, виникають похибки та спотворення сигналу, що може порушити роботу пристрою. Тому важливим є розуміння параметрів операційних підсилювачів для правильного їх застосування.
Операційні підсилювачі були розроблені в 40-х роках минулого століття для аналогових обчислювальних машин і будувалися на лампах. З розвитком напівпровідникових технологій, зокрема аналогових інтегральних схем, ОП став одним з найбільш масових аналогових компонентів.
ОП широко застосовуються не тільки в традиційній галузі аналогових обчислювальних машин, а й в системах керування, цифроаналогових та аналого-цифрових перетворювачах, при побудові активних фільтрів, у вимірювальній техніці, апаратурі зв’язку та інших технічних галузях.
Розглянемо коротко основні технічні параметри операційного підсилювача. Їх умовно можна розділити на статичні та динамічні. Статичні параметри характеризують поведінку ОП на постійному струмі. Динамічні параметри хаарктеризують поведінку ОП в частотній області та в часовій області.
До основних статичних параметрів відносяться наступні:
- вхідна напруга зміщення;
- вхідний струм;
- вхідний опір;
- вихідний опір;
- коефіцієнт підсилення при розімкнутій петлі зворотного зв’язку;
- коефіцієнт послаблення синфазного вхідного сигналу.
Динамічні параметри ОП в частотній області визначаються амплітудно-частотною характеристикою розімкнутого підсилювача. Важливими параметрами АЧХ є частота полюсу чи полюсів якщо їх є більше одного, нахил АЧХ або швидкість її спаду та частота одиничного підсилення. Типова АЧХ ОП представлена на рис..4. Це однополюсна характеристика з частотою полюса Fp та швидкістю спаду – 6 дБ/октаву (-20 дБ/декаду).
Для побудови АЧХ як правило використовують логарифмічну шкалу, що дозволяє наглядно відобразити зміну параметрів частоти та підсилення у широкому діапазоні. Коефіцієнт підсилення ОП в логарифмічному представленні виражається формулою:
(1)
де: DU0, DUc - зміна сигналів на виході та вході ОП.
Динамічні характеристики ОП в часовій області визначають наступні параметри:
- швидкість наростання вихідного сигналу;
- час встановлення вихідного сигналу з заданою точністю.
При побудові схем на ОП використовується метод стабілізації параметрів за допомогою від’ємного зворотного зв’язку. У схемах на рис.2 та рис.3 ланки від’ємного зворотного зв’язку утворені дільником на резисторах R2, R1. Для ідеального ОП залежність вихідної напруги від вхідної у схемі неінвертуючого лінійного підсилювача (рис.2) буде визначатися за формулою:
(2а)
А у схемі інвертуючого лінійного підсилювача (рис.3) - відповідно за формулою:
(2б)
У схемі неінвертуючого підсилювача (рис.2) вхідний опір на низькій частоті буде визначатися за формулою
(3)
де: A0 – коефіцієнт підсилення розімкнутого ОП на низькій частоті; β – коефіцієнт зворотного зв’язку; Rдиф – диференціальний вхідний опір розімкнутого ОП.
Для схеми інвертуючого підсилювача вхідний опір буде визначатися значенням опорурезистора ланки зворотнього зв’язку R1.
