Операциялық күшейткіштер

               Алматы энергетика және байланыс институты

 

 

Радиотехника,электроника  және                                              телекоммуникация негіздері

 

Электроника кафедрасы

 

 

 

Нұсқа №50

Тақырыбы: “ Операциялық күшейткіштер”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                           Алматы ,2010

 

 

 

 

 

Жоспары:

 

І. Кіріспе.

Күшейткіштер туралы жалпы түсінік

ІІ. Негізгі бөлім.

2.  Күшейткіштің түрлері

         2.1.Қуат күшейткіштері

 2.2 .Операциялық күшейткіштер

        2.3.Операциялық күшейткіштің қасиеттері

        2.4.Мультивибраторлар

        2.5.Операциялық күшейткіштегі симметриялық мультивибратолар

2.6.Қазіргі замандық ОК

ІІІ. Қорытынды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Кіріспе

 

Күшейткіштер  туралы жалпы түсінік

Ғылым мен техникада  көп кездесетін инженерлік мәселелерді шешкен кезде электрлік емес мәндерді электрлік мәндерге түрлендіріп өлшегенде, технологиялық прцесстерді тексеріп және автоматизация жасағанда, немесе әртүрлі өнеркәсіптік электрониканың қондырғыларын жасағанда электрлік сигналдарды күшейту үшін биполярлық транзисторлар, өрістік транзисторлар және интегралдық микросхемалар кеңінен қолданылады. Бұл күшейткіштер өте әлсіз электрлік сигналдарды (кернеулері 10^-7 В, токтары 10^-14 А шамалас) күшейтуге мүмкіндік береді. Транзисторлар арқылы аса үлкен күшейтуге жету үшін бірнеше күшейткіш каскадтар қолданылады. Бір транзистордан немесе күшейткіш элементтен және оған қарасты байланыс элементтерінен тұратын күшейткішті  − каскад деп атайды. Күшейту процесі, қоректену көзінің энергиясын күшейткіштің сыртқы сигналының энергиясына түрлендіру болып табылады. Бұл процесті басқару күшейткіш элементіне немесе транзисторға әсер  ететін кірме сигнал арқылы жүргізіледі. Шығыс сигнал кіріс сигналдың функциясы болып табылады, сонымен қатар шығыс күшейтілген синалдың қуаты, кіріс күшейтілген сигналдың қуатынан қректену көзінің арқасында, әлдеқайда артық.

Сонымен, электрондық  күшейткіш деп электрлік сигналдарды, олардың формасын өзгертпей, қоректену  көзінің энергиясының арқасында, қуатын ұлғайтып, күшейтетін құрылғыны айтады. Транзисторлық күшейткіштің электорондық деп аталу себебі, транзисторлардың жұмыс істеу принципі жартылай өткізгіштегі жүріп жататын электрондық процесстермен анықталады. Күшейткіштің кірісіне электр қозғаушы күшінің (ЭҚК) әрекеттестік мәні e_r, ішкі кедергісі R_r, кіру сигналының көзі қосылған. Кішкене қуатты кіру сигналы жоғары дәрежедегі қуаты бар қоректену көзін пайдалана отырып, кіріс сигналдың қуатын күшейтуге мүмкіндік бар.

Күшейткіштің шығыс тізбегінде күшейтілген сигнал әрекет етеді. kU_кір кернеу көзімен анықталады. Күшейтілген сигналдың энергиясын пайдаланатын сыртқы жүктеме Rж күшейткіштің шағысына қосылады.

Күшейтілген сигналдың түріне қарай  күшейткіштерді екі топқа бөлуге болады:

1. Гармоникалық сигналдардың күшейткіштері – әртүрлі шамадағы және формадағы гармоникалық және квазигармоникалық  (гармоникалық деп есептеуге болатын), яғни периодтық сигналдарды күшейтуге арналған. Мұндай күшейткіштерге: микрофондық, трансляциялық және формадағы периодтық емес сигналдарды күшейтуге арналған.
2. Импульстық сигналдардың күшейткіштері − әртүрлі шамадағы және формадағы периодтық және периодтық емес сигналдарды күшейтуге арналған. Импульстық күшейткіштерге: байланыс жүйелерінің импульстық күшейткіштері, теледидар бейнелеу сигналдарының, импульстық радиолокациялық құрылғылардың, электрондық есептеу техникасы негіздерінің, реттеу және басқару жүйелерінің күшейткіштері жатады.

Күшейтілген жиіліктерінің  абсолюттік мәндеріне және жиілік жолағына ұзындығына (диапозонына) байланысты күшейткіштер:

Тұрақта ток күшейткіштері − төменгі жиілігі ден жоғары жиілігі кГц-ке дейінгі жиілік жолағындағы электлік сигналдарды күшейтуге арналған.

Төменгі жиілік күшейткіштері −  Гц-тен  кГц-ке дейінгі жиілік жолағындағы айнымалы ток сигналдарын күшейтуге арналған. Жоғары жиілік күшейткіштері − кГц-тен МГц –ке дейінгі жиілік жолағындағы сигналдарды күшейтуге арналған. Кең жолақты және импульстық күшейткіштері − бірнеше кГц-тен − бірнеше МГц –ке дейінгі жиілік жолағындағы сигналдарды күшейтуге арналған.

 

2. Күшейткіштердің түрлері

2.1 Қуат күшейткіштері

Қандай да болмасын күшейткіш қуат күшейткіші болып табылады. Сондықтан да, қуат күщейткіші дегеніміз жүктемеге нақты немесе максимальды мүмкін қуатты беретін қуатты күшейткіштер,  кейде шығу күшейткіштері деп те аталады. Бұл күшейткіштер үлкен ПӘК пен жиілік және сызықтық емес бұрмалаулардың шектелген деңгейлерінде жұмыс жасауға тиіс. Сөйтіп, қуатты шығу какадтары үлкен сигнал режимінде істейтіндіктен, олардың ең маңызды көрсеткіштері болып мыналар аталады: жүктемеге берілетін қуат (немесе қуат бойынша күшейту коффициенті), ПӘК, сонымен қатар күшейтілетін сигналдың сызықтық емес бұрмалаулардың деңгейі.  Күшейткіштің ПӘК-ті мен сызықтық емес бұрмалауларының деңгейі жұмыс нүктесінің бастыпқы орнына өте қатты байланысты болады. Сызықты емес бұрмалаудың мүмкін ең төменгі деңгейі А классы режимінде қамтамасыз етілуі мүмкін, ал максимальді мүмкін ПӘК В және С классы режимінде болады.

Қуатты күшейткіштерді біртактылымен  қатар екітактылы орындалуында жобалап жасайды. Біртактылы каскадтар әдетте А классы режимінде жұмыс істейді, ал екітактылы В жіне С режимінде.

 

Біртактылы А классы режиміндегі қуат күшейткіші

Каскадтың принципиальды электрлік схемасында транзистордың коллекторы шығыс трансформатордың біріншілік орамасы арқылы бірден ток көзіне қосылады. Сондықтан, кіріс сигнал жоқ болғанда статистикалық жүктемелік түзу тіпттен тіке жүреді,  себебі трансформатор орамасының тұрақты тоққа кедергісі тіптен аз, ал Е_к –ның мәнін, тогы жүргенде - резисторына түсетін кернеуден әлдейқайда үлкен қылып алады.

Әдетте,

Сонымен,

Кіріс сигналы берілген кезде, транзистордың коллектор  тізбегіндегі кедергісі, трансформатордың біріншілік орамасына келтірілген  күшейткіштің жүктемесінің кедергісімен анықталады. 

 

Қуат күшейткішінің В классы режиміндегі екі тактылы каскады.

Қуат күшейткіштерінің бір тактылы касадтарының біраз  айтарлықтай кемшіліктері бар, бұлар:

1. каскадтың кішкене пайдалы әсер коэффициенті;
2. күшейткіш аспап пен шығыс трансформатордың магнит өткізгішін магниттейтін, тұрақты токтар тудыратын салыстырмалы үлкен сызықтық емес бұрмалаулары;
3. салыстырмалы үлен жиіліктік бұрмалаулары.

Сондықтан, көбіне В классы режиміндегі қуатты, әрі экономды екі тактылы күшейткіш каскадтар  қолданылады.

Орталық жүктеме жұмыс істейтін, схеманың екі бірдей симметриялы иығын құрайтын екі элементен (транзистордан) тұратын каскадтарды екі тактылы деп атайды.

Трансформаторлық кірісі мен шығысы бар В класында жұмыс істейтін екі тактылы қуат күшейткішінде қандай да болмасын уақыт моментінде екі транзистордың тек қана біреуі ашық болады. Егерде, кіру жағында генратордан сигнал берілмесе, онда екі транзистор Т₁ және Т₂ екеуі де жабық, себебі олардың эмиттерлері – базалық өткелдерінде потенциалдар айырымы жоқ, өйткені эмиттерлерге бірден, ал базаларға Т_р1 трансформаторының екіншілік орамасының жартысы арқылы қоректену көзі Е_к-дан +U_k кернеуі беріліп тұр.

 

 Екі тактылы трансформаторлы В классындағы күшейткіштердің ерекшеліктері:

1. Токтар айырмасында тұрақты құрамалар жоқ болғандықтан шығыс трансформатор салмағы жағынан жеңіл, аумағы жағынан кіші;
2. Токтар айырмасында жұп гармоникалық жоқ, сондықтан жиіліктік бұрмалау коэффициенті тек үшінші гармоникамен бағаланады;
3. Схема симметриялы болғандықтан әртүрлі фондар, әсіретпелер, бөгеулер әлдеқайда аз болады.

Ал кемшіліктеріне:

1. Трансформатор иықтарын өте қатаң симметриялау керек;
2. Ортақ нүктеден шығу сымдары бар екі трансфоматор қажеттігі.

 

 

 

2. Операциялық күшейткіш

 

 

Әртүрлі корпустардағы әртүрлі операциялық күшейткіштер, сонымен бірге бір корпустағы бірнеше күшейткіштер

 

Операциялық күшейткіш (ОК) –дифференциалды  кірісі тұрақты токтың күшейткіші, ереже бойынша, жоғары күшейту коэффициентіне ие шығысы бар. ОК әрдайым терең теріс  кері байланыс сұлбаларында пайдаланылады.Ол күшейткіштің жоғары коэффициентінің негізінде қабылданған сұлбаның таратылу коэффициентін толық анықтайды.

Операциялық күшейткіш бастан кернеуді аналогтық көлемде пайдалану  арқылы математикалық амалдарды  орындау үшін құрастырылды. Мұндай тәсіл аналогтық компьютерлердің негізінде бар, онда ОК математикалық амалдарды модельдеуде пайдаланылады(интегралдау, дифференциялдау, қосу, алу және т.б.). Бірақ идеалды ОК көп функциялды схемотехникалық шешім болып табылады, онда математикалық амалдарды орындау функциялары көп. Транзистор, электронды лампа және басқа дискретті немесе интегралды сұлбалы белсенді компоненттермен негізделген кәдімгі ОК идеалды ОК түрлеріне жақын келеді.

 

К2 –W лампалы операциялық күшейткіш

Алғашқы өндірістік лампалы ОК (1940 ж)екілік триодтың қосындысында орындалды, оның ішінде октальді іргелі корпустың ішінде жеке құрылымды жинақ ретінде қолданылды. 1963 жылы Fairchild Semiconductor   инженері, Роберт Видлар, бірінші интегралды  ОК— μA702 жасады. 9 транзистордан тұратын бұл құрылғы 300$ бағада тұрды және тек әскери жағдайында пайдаланылды. Видлармен проектіленген алғашқы қол жеткізілген интегралды ОК 1965 жылы шығарылды, оның шығуымен оның бағасы 10$ төменге түсті.Бірақ тұрмыста қолдануда қымбат болғанымен көпшілік өндіріс автоматика және сол сияқты азаматтық есептер үшін қол жеткізу мүмкіндігі болды.

TO-5 корпусындағы ОК 741

 

 Жұмыс істеу принципі  бойынша операциялық күшейткіш  қарапайым күшейткішке ұқсас  болып келеді. Қарапайым күшейткіш  сияқты ол кіріс сигналының  кернеу мен қуатын күшейту  үшін қолданылады. Бірақ та, қарапайым күшейткіштің қасиеттері мен параметрлері толығымен оның сұлбасымен анықталса, операциялық күшейткіштің қасиеттері мен параметрлері көбінесе кері байланыс тізбегі праметрлерімен анықталады. Операциялық күшейткіштер нольдік орын ауыстуруын және шығыс кернеуін

кіріс кернеудің нольдік мәнінідегі тұрақты ток күшейткіші сұлбасы бойынша жүзеге асырады. Сонымен қатар олар үлкен күшейту коэффициенттері, жоғары кіріс және төмен шығыс кедергілермен сипатталады. Ертерек мұндай жоғары сапалы күшейткіштер тек қана математикалық операцияларды : суммалау және интегралдау үшін аналогты есептеу құрылғыларда қолданылатын. Операциялық күшейткіш деп аталуы осыдан.  

Белгілі бір салада қолданылуы керек  кезде, қандай операциялық күшейткіштің қажет екенін анықтау үшін оның негізгі сипаттамаларын білу жеткілікті. 

 

2.3 Операциялық күшейткіштің қасиеттері

 

1-суретте операциялық күшейткіштің сұлба түріндегі көрінісі берілді. Оның кіріс каскады дифференциалдық күшейткіш түрінде орындалады. Сондықтан операциялық күшейткіште екі кірісі болады. Төменгі жиілік облысында шығыс кернеуі U_a кіріс кернеулердің айырымы да сол фазасында орналасады:

U_D = U_P – U_{N .}             

 

 

1 – сурет. Операциялық күшейткіштің сұлбалық түрі.

р – кіріс инвертирлемейтін деп аталады және операциялық күшейткіште «плюс» таңбасымен белгіленеді. N – кіріс инвертті және сұлбада «минус» таңбасымен белгіленеді.

Операциялық күшейткіштің теріс және кері кіріс сигналдарымен жұмыс  істеуін қамтамасыз ету үшін екі  полярлы қоректену кернеуін қолдану керек. Ол үшін 1 – суретте көрсетілгендей операциялық күшеткіштің сәйкесті сыртқы клеммаларына қосылатын екі тұрақты кернеуді орнату қажет. Көбінесе интегралды орнындауындағы стандартты операциялық күшейткіштер ±15В қоректену кернеуінде жұмыс істейді. Принципиалды сұлбалар құрылғыларда тек қана олардың кіріс және шығыс клеммаларын көрсетеді.

Іс жүзінде идеалды операциялық  күшейткіштер болмайды. Операциялық  күшейткіштің қайсысы болмасын идеалға  жақын екенін анықтау үшін күшейткіштің техникалық сипаттамалары беріледі.

 

 

 

Операциялық күшейткіштің дифференциалды күшейту коэффициенті

A_D =ΔU_a / ΔU_D= ΔU_a / Δ(U_P – U_N )=   ΔU_a / ΔU_P егер U_N =const   

              -ΔU_a / ΔU_N  егер U_P =const         (1.1)

 

10⁴ ÷ 10⁵ шектерінде жатқан соңғы өлшемі. Ол өзіндік күшейту коэффициенті деп те аталады, басқа сөзбен айтқанда кері байланыс жоқ кезіндегі күшеюі.

U_P –дан шығыс кернеу күшеюінің типтік тәуелділігі көрсетілген. U_амин < U_а < U_амакс диапазонында ол U_D-дан дерлік сызықты тәуелді. Осы шығыс кернеуінің диапазоны күшейту облысы деп аталады. Қанығу облысында U_а –ның сәйкесті өсуінен U_D-ның өсуі өзгермейді. Күшею облысының шектері U_амин және U_амакс    сәйкесті оң және кері кернеуінің қоректенуінен 3В-қа жуық кешігеді. Операциялық күшейткіштің ±15В жұмысы кезінде шығыс кернеуі бойынша типтік облыс диапазоны ±12В-ты құрайды.