Операциялық күшейткіштердің қасиеттері

Идеалды операциялық күшейткіштің беріліс сипаттамасы нольдік нүктеден өту керек. Бірақ та көрсетілгендей, реалды операциялық күшейткіштер үшін бұл сипаттама кішкене жылжыған, ол штрих сызығымен көрсетіледі. Сонымен шығыс кернеуді нольге келтіру үшін операциялық күшейткіштің кірісіне кернеудің кейбір әртүрлілігін берк керек. Омы кернеудің әртүрлілігі нольдің жылжымалы кернеуі U_о деп аталады. Ол көбінесе бірнеше милливольт құрайды және көптеген жағдайда еакерілмейді. Кейде осы өлшеммен елемеуге болмаған кезде, оны нольге дейін апаруға болады. Сондықтан көптеген интегралды операциялық күшейткіштерде арнайы клеммалар қарастырылған.

Кіріс кернеудің  әртүрлілік функциясы ретіндегі  операциялық күшейткіштің кіріс  кернеуі. Нольдік нүкте кернеуінің компенсациясыз түсірілген пунктирмен көрсетілген сипаттама. 

Нольдік жылжу  кернеуін алып тастағаннан кейін  тек қана оның уақытқа, температураға, кернеуге тәуелді өзгерістері қалады:

ΔU₀(J,t,U_b)=(∂U₀/∂J )ΔJ+(∂U₀/∂t )Δt+(∂U₀/∂U_b )ΔJU_{b .}

Осы фомулада келесі дрейфті құрайтындар:

∂U₀/∂J - температуралық дрейф, 3-10 мкВ/К;

∂U₀/∂t – уақыттық дрейф, айда бірнеше микровольтқа дейін жете алады;

∂U₀/∂U_b – суммалық кернеу қоректенудің өзгерісімен көрсетілген дрейф.

Құраушы ∂U₀/∂U_b  номиналды мәнінен нольдік нүктенің жылжу өлшеміне қоректену кернеуінің ауытқу әсерімен сипатталады, әдетте 10 – 100мкВ/В құрайды. Сондықтан дрейдті құрастырушыны минимизациялау қажет болса, онда қоректену кернеуін бірнеше милливольтқа дейін нақты түрде қамтамасыз ету керек.

Келесіде нольдің  жылжу кернеуі нольге тең және компенсацияланған деп есептеледі. Сонда (1.1) формуласы келесі түрде болады:

U_a = A_D U_D   = A_D (U_P - U_N  )                                       

Солай тұра операциялық  күшейткіштің шығыс кернеуі, динамикалық  диапазоны шектерінде, кіріс кернеулердің әртүрлілігіне пропорционал болады.

Егер Р және N кірістеріне бірдей кернеу U_Gl берілсе, онда U_в нольдік мәнін өзгертпейді.  (1.2)  формуласы бойынша шығыс кернеу  U_а сәйкесінше нольге тең болуы керек. Бірақ реалды дифференциалдық күшейткіштерге ол толық сәйкес келмейді, басқаша айтқанда синфазды сигналдың күшейту коэффициенті:

  А_Gl = ΔU_а /Δ U_Gl

нольге міндетті түрде емес болуы мүмкін. Кіріс  синфазалық сигналдың кейбір үлкен  дерлік мәндерінде тез өседі. Қолданылған  шығыс кернеудің диапазоны синфазалық сигналдың әлсіреу облысы деп аталады. Оның шектері қоректену кернеуінің оң және кері деңгейінен сәйкесінше 2В – қа кем. Операциялық күшейткіштің идеалды еместігі синфазалық сигналдың әлсіреу коэффициенті деп аталатын параметрімен сипатталады  G = А_D / А_Gl . Оның типтік мәндері  10⁴ ÷ 10⁵ құрайды. Дифференциалды сигналдың күшейту коэффициенті анықтама бойынша әрқашан да оң болады. Оны бірақ та синфазалық сигналдың күшейту коэффициенті А_Gl   туралы айтуға болмайды. Ол оң да, теріс те мәлдерін қабылдай алады.

Синфазалық сигналдың күшейту коэффициенті түсінігін қолданғанда, дифференциалдық сигналдың күшейту коэффициентін дербес туынды арқылы дұрыс анықтау қажет:

 

              A_D   ‗   ∂U_a  

                    ∂U_D  U_Gl =const

 

Бола тұра шығыс  кернеу үшін толық түрдегі формула пайда болады:

 

      ΔU_a  ‗   ∂U_a           ΔU_D +    ∂U_a       ΔU_{Gl ,}                      (1.3)

        ∂U_D  U_Gl               ∂U_Gl U_D

                 немесе

 ΔU_a = A_D ΔU_D + A_Gl ΔU_Gl  ,

 

Осы қатынастардан  синфазалық сигналдың әлсіреу коэффициентін тиімді анықталуы шығады. ΔU_a =0 –да :

G ‗    A_D   ‗ -  ΔU_Gl  

A_Gl         ΔU_D    U_a =const

Күшейткіштің  шығысындағы синфазалық сигналдың  күшеюін компенсациялау үшін күшейткіштің кірісіне дифференциалдық кіріс  кернеудің ΔU_D қандай мәнін беру керек екендігін синфазалық сигналдың әлсіреу коэффициенті көрсетеді. (1.3) формуласындағы жылжымалы кернеуін былай жазуға болады: 

U_a = A_D (U_D – U_О) + A_GlU_Gl  ,

Синфазалық  кіріс сигналдың функциясы ретіндегі  операциялық күшейткіштің шығыс кренуі.

 

немесе   U_a = A_D [(U_D – U_О) + 1/2 U_Gl ]                              (1.4)

мұндағы U₀ → 0 және U_Gl → 0 қатынасы (1.1) формуласының түрін алады. U_D – ға қатысты теңдеудің шешімі: U_D = U₀ + (U_a /A_D) – (U_Gl/G )           (1.5) .

   Идеалды операциялық күшейткіш үшін U₀ = 0, A_D → ∞ және G → ∞. Ол теорияда шығыс кернеудің U_a соңғы әр мәнін алу үшін U_D шектеусіз кіші кернеуін қою керек.  

Универсалды қолдануға  арналған операциялық күшейткіштің тұрақтылығы жағынан бірінші  ретті төменгі фильтр сияқты жиілікті сипаттамасы болу керек. Сонымен қатар бұл талап жиілікке кем дегенде |AD|=1 дейін орындалуы қажет. Осы талаптарды орындау үшін операциялық күшейткіштің сұлбасында жиіліктің өте төмен кесуі бар төменгі жиілікті фильтр болуы қажет.

Комплексті жазбада осындай күшейтудің дифференциалды күшейту коэффициенті келесі формуламен көрсетіледі:

‌‌‌A _D = ‌‌‌A _D  / 1+j(f/f_gA)                             (1.6)

Мұнда ‌‌‌A _D -  ‌‌‌A _D-ның төменгі жиіліктегі шекті мәні. f_gA  жиіліктен жоғары 3дБ деңгейіндегі жіберу сырығының шектеріне сәйкес ‌‌‌A_D күшейту коэффициентінің модулі жиілікке қайта пропорционал. Осындайда осы жиілікті диапазонында қатынасы орындалады:

|A_D|f = A_D f_gA = f_T .                   (1.7)

f_T  жиілігінде дифференциалды күшейту коэффициентінің модулі |AD|=1  (1.7) формуладан көрінгендей, f_T  жиілігі күшейту коэффициенті туындысының түзулік кеңдігіне тең.

 

2.4 Мультивибраторлар

Тікбұрышты  формалы және тік фронттары бар  импульстарды алу үшін релаксациялық  генераторлар деп аталатын құрылғылар, немемсе мультивибраторлар кеңінен қолданылады. Мультивибраторлар келесі режимдерде жұмыс істейді: автотербелмелі, күтулі синхронизациялау және жиілікті бөлу. Мультивибраторлар көп жағдайларда келесі импульстық немесе цифрлық әрекетті жүйелердегі түйіндер мен блоктар үшін жүргізіп жібергіш кіріс импульстарды қалыптастыратын жөн сілтегіш генераторлар функциясын атқарады.

 

 

2.5 Операциялық  күшейткіштегі симметриялық мультивибратолар

 

Операциялық күшейткіштегі  симметриялық мультивибратордың схемасы     4- суретте көрсетілген. Бұл мультивибратордың автотербелмелі жұмыс режимі операциялық күшейткіштің инвертирлік кірісіне конденсатор С мен резистор R-ден тұратын уақыт тағайындағыш тізбекті қосу арқылы жасалады.

 

 

5 – сурет. Мультивибратордың схемасы    

 

t₁- уақыт сәтіне дейін операциялық күшейткіштің кірістеріндегі кернеу U₀ >0 деп алайық. Бұл операциялық күшейткіштің шығысында U _{шығ =}-U^- _шығmax ,ал инвертирламайтын кірісінде   U_{+ =} -χ U^- _шығmax кернеулері болуын анықтайды, мұнда χ = R1/(R1+R2) – оң кері байланыс тізбегінің беру коэффициенті

 Сұлбаның  шығысында - U^- _шығmax  кернеуінің болуы, R – резисторы арқылы С конденсаторы зарядтау процесіне себепші болады. Конденсатор астарларындағы кернеу полярлығы жақшасыз көрсетілген .t₁  - уақыт сәтінде опрециялық күшейткіштің инвертирлайтын кірісінде экспанета бойынша өэгеретін кернеу инвертирламайтын кірістегі кернеу шамасына жетеді. U₀  - кернеуі нольге тең болады, бұл жағдайда операциялық күшейткіштің шығысындағы кернеудің полярлығы өзгертеді: U _{шығ =}-U⁺ _шығmax  . U⁺ - кернеуі белгісін өзгертіп χ U⁺ _шығmax  - ке тең болады, сонда U₀ <0 болып өзгере бастайды. t₁ уақыт сәтінен бастап конденсатордың -χ U^- _шығmax деңгейінен қайта зарядталуы басталады. Конденсатор R резисторы U⁺ _шығmax деңгейіне қайта зарядталуға ұмтылады. Осы жолғы конденсатордың астарларындағы кернеу полярлығы жақшаның ішінде көрсетілген. t₂ – уақыт сәтінде конденсатордағы кернеу χ U⁺ _шығmax мәніне жетеді де, U₀ кернеуі тағы нольге тең болып /себебі U₀= U₊ - U_- /, бұл операциялық күшейткіштің қарама– қарсы күйге ауысып қосылуына әкеледі. Әрі қарай сұлбадағы процесстер жоғарыда айтылғандай қайталанады. Осы симметриялы мультивибратордың импульсының ұзақтығы t_u=τln(1+2R1/R2), (17) егер  U⁺ _шығmax = U^- _шығmax деп есептесек, мұнда τ=CR.   

 

 

 

 

 

                       6 – сурет.   Операциялық күшейткіштің кіріс тізбегі 

 

3. Қосымша

 

Мультивибратор – периодты қайталап отыратын тік бұрышты формалы импульстардың генераторы деп аталады. Мультивибратор – автогенератор боп табылады және кіріс сигналсыз жұмыс істеу қабілеті бар.

6 – суретте көрсетілгендей, конденсатор С және R1R2 резисторлары RС интегралдаушы тізбекті құрайды: конденсатор зарядталғанда V1 диоды ашық, ток  R1 резисторы арқылы өтеді, разрядталғанда  V2 ашық, ток R2 резисторы арқылы өтеді. Е кернеу көзі – операциялық күшейткіштің кіріс тізбегі болып табылады. Операциялық күшейткіште компаратор  R3R4 тізбегі арқылы оң кері байланыс боп жасалған. Компараторды ауыстырып қосқанда, оның шығысындағы зарыдтың тізбектерінде коммутация болады және конденсатор разрядталады, яғни операциялық күшейткіш бірнеше функцияларды орындайды: конденсатордың, компаратордың, кілттің зарядталу және разрядталу кернеуінің көзі.

   

 

                                           7-сурет. Компаратор

1.13 (а) – сурет. Операциялық күшейткіштегі симметриялық мультивибратордың сұлбасы және оның жұмысын көрсететін уақыттық диаграмма.

 

                                          

1.13 8 – сурет. Операциялық күшейткіштегі симметриялық мультивибратордың сұлбасы және оның жұмысын көрсететін уақыттық диаграмма.

 

 

 

 

 

 

 

 

Қазіргі замандық Операциялық күшейткіш

 

Қазіргі кезде  операциялық күшейткіштер кез-келген операциялық жүйенің кілтті компонентті  блоктарының бірі болып есептеледі. Fairchild Semiconductor фирмасының 1963 ж-дан бастап шығарған алғашқы атақты ОК мA702 микросхемасы болды. Осындай құрылғыларды жасаумен айналасатын ғалымдар ағымдағы күрделі технологиялық шешімдерді пайдалана отырып нәтижесінде нарықта кернеу қорегінің төменгі мәнінде өте жақсы параметрлері(жоғ.кіріс сипаттамасы, қуат пайдаланудың төменгі мәні, т.б) бар ОК-лар пайда болды.

Қазіргі уақытта, ОК жеке чип және күрделі интегралды схемалардағы функционалды блок түрінде  кең қолданысқа ие болды. Ол ОК –ның идеал сипаттамаға жақындайтын  универсалды блок  екенін көрсетеді. Оның негізінде көптеген әртүрлі электронды түйіндерді құрастыруға болады.

  

   Өте төменгі  токты пайдаланатын (негізінен 600 нА, максималды 1мкА)  қазіргі күнде  rail-to-rail кіріс және шығысты(яғни  толық сілкініспен жұмыс жасауға  мүмкіндігі бар архитектуралы ) Microchip Technology фирмасы шығарған МСР6141/2/3/4 түрлі ОК-лар.  Олар 1,4-5,5 В кернеуде бірполярлы көзбен жұмыс жасайды. Бұл микросхемалардың шектік жиілігі 100 кГЦ. ОК 10 В/В және жоғары күшейтуде тұрақты келеді. 8-14 PDIP/SOI^SSOP шығыс корпусымен шығарылады. ОК-ның MCP6041T/OT түрінің модификациясы SOT23 ыңғайлы ықшам корпусына салынады. Ол тек оны энергияны аз тұтынатын құрылғыларда ғана емес, сонымен қатар азгобаритті жүйелерде пайдаланылады. Бағасы 0,44-0,49$.

  Ағымдық  ОК-ның бірнеше жүздеген мегагерц жиілікке өсуі олардағы шудың төмендеуінен көрінеді. Мысалы  Maxim Integrated Products фирмасы жасап шығарған МАХ2640/2641  типті SiGe ОК. Бұл арзан бағадағы шуы аз құрылғылар PCS және GPS ұялы жүйелерде және өндірістік, ғылыми, медициналық (ISM) 2,4 Ггц диапазоны бар.

 -

 

Тип	Полоса частот, МГц	Коэф. шума, дБ	Коэф. усиления, дБ	IP3, дБм	Ток потре-  бления, мА	Корпус, размер, мм	Стоимость при закупке 1 тыс. шт., долл.	Область применения
МАХ2640	400-1500	0,9		-10	3,5	6-выводной SOT23, 2,7x2,9	0,80	Сотовые системы, беспроводные ISМ*-системы
МАХ2641	1400-2500	1,3	14,4	-4	5,3			Беспроводные GPS, ISM, WLAN-системы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Қорытынды

 

   Қазіргі  кезде операциялық күшейткіш  монолитті интегралды микросхемалар  түрінде жасалады және өзінің өлшемдері мен бағасы бойынша бөлек алынған транзистордан ерекшеленбейді. Операциялық күшейткіштің идеалды сипаттамалар арқасында олардың негізінде әртүрлі сұлбалардың транзисторларға қарағанда жасалуы жеңілірек болады. Сондықтан операциялық күшейткіш бүкіл сызықты схемотехникаларда сұлбаның элементі ретіндегі бөлек транзисторларды ығыстырып шығарады.       

Бүгінгі таңда  ОК жасаушылар екі тенденциямен соқтығады:

бірполярлы  қорек көзі бар микросхемалардың атағының өсуі және мобильді құрылғылардың  қолданысқа түсуінің жетелей өсуі.Бұл санлдық техниканың аймағында жақсы үйлесім табады. Бірақ  бірполярлы көзі бар құрылғымен жұмыс кезінде кіріс және шығысында дабылдың динамикалық диапазоны және толық  сілкінісі (rail-to rail) төмен түседі.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Пайдаланған әдебиеттер:

 

1. М.Ш.Нұрманов. Автоматиканың электорндық құрылғылары – Алматы: ҚазҰТУ, 2000
2. У.Титце, К.Шейн. Полупроводникавая схемотехника – Москва: Мир, 1999
3. Е.Н.Богаров, К.Ф.Колесников, С.К.Жебреков. Рассчет электонных усторйств – М: 2001