Ο τελεστικός ενισχυτής αποτελεί βασικό ηλεκτρονικό εξάρτημα, υπό μορφή ολοκληρωμένου κυκλώματος, των αναλογικών συστημάτων. Ο τελεστικός ενισχυτής έχει δύο εισόδους, την μη αναστρέψιμη είσοδο που συμβολίζεται με (+), την αναστρέψιμη είσοδο που συμβολίζεται με (-), και την έξοδο που παρέχει το ενισχυμένο σήμα της διαφοράς των δυο εισόδων, με πολύ μεγάλη ενίσχυση, καθώς και δυο ακροδέκτες για την τροφοδοσία του, συνήθως με συμμετρική τάση.
Βασικά χαρακτηριστικά του τελεστικού ενισχυτή είναι το πολύ μεγάλο κέρδος τάσης ανοικτού βρόγχου, η πολύ μεγάλη αντίσταση εισόδου και η μικρή αντίσταση εξόδου. Στη συνδεσμολογία του τελεστικού ενισχυτή, χρησιμοποιούνται δικτυώματα ανάδρασης ώστε να ελεγχθεί το κέρδος τάσης και το εύρως ζώνης συχνοτήτων, σχηματίζοντας τους ενισχυτές κλειστού βρόγχου. Χαρακτηριστηκό παράδειγμα τελεστικού ενισχυτή αποτελεί το ολοκληρωμένο κύκλωμα με την ονομασία “741”, το οποίο έχει αντίσταση εισόδου 2ΜOhms και κέρδος τάσης ανοικτού βρόχου ίσο με 100.000 στις χαμηλές συχνότητες.
Στο σχήμα παρουσιάζεται το απλοποιημένο κυκλωματικό διάγραμμα ενός γενικού σκοπού τελεστικού ενισχυτή ευρείας χρήσης. Το κύκλωμα αυτό αποτελείται από τρία τμήματα. Το πρώτο, η βαθμίδα εισόδου είναι ένας διαφορικός ενισχυτής, ο οποίος καθορίζει τη βασική λειτουργία του τελεστικού ενισχυτή, που είναι να ενισχύει κάθε διαφορά σήματος μεταξύ των εισόδων του και να απορρίπτει ταυτόχρονα κάθε κοινό σήμα σ’ αυτές. Το δεύτερο τμήμα που αποτελείται από μια ή περισσότερες βαθμίδες απολαβής τάσης, το οποίο είναι υπεύθυνο για το πολύ μεγάλο κέρδος τάσης του τελεστικού ενισχυτή. Το τρίτο τμήμα είναι ένας ενισχυτής push-pull τάξης Β που είναι υπεύθυνο για την παροχή ισχύος εξόδου, καθώς και για την πολύ μικρή αντίσταση εξόδου.
Διαφορικός ενισχυτής
Ο διαφορικός ενισχυτής αποτελεί τη βαθμίδα εισόδου του τελεστικού ενισχυτή. Πρόκειται για δυο βαθμίδες κοινού εκπομπού συνδεδεμένες παράλληλα με μια αντίσταση κοινού εκπομπού, όπως φαίνεται στο σχήμα:
Το κύκλωμα έχει πανομοιότυπα τρανζίστορ και ίσες αντιστάσεις συλλέκτη. Η τάση εξόδου ορίζεται σαν την τάση μεταξύ των συλλεκτών. Στις βάσεις του ζεύγους τρανζίστορ οδηγούνται τα σήματα εισόδου v1 και v2 του διαφορικού ενισχυτή. Ο διαφορικός ενισχυτής και κατά συνέπεια και ο τελεστικός ενισχυτής, ενισχύει το διαφορικό σήμα των εισόδων του, που ορίζεται ως vd=v1-v2 και απορρίπτει το κοινό σήμα των εισόδων του, που ορίζεται ως vCM=(v1+v2)/2. Ως σημείωση παραθέτουμε ότι το διαφορικό και το κοινό σήμα μπορεί να είναι συναρτήσεις του χρόνου.
Σε ένα διαφορικό ενισχυτή μπορούμε να έχουμε είτε διαφορική είσοδο, είτε μονή είσοδο και διαφορική έξοδο αλλά και μονή έξοδο, ανάλογα με την περίπτωση του κυκλώματος που έχουμε. Θεωρούμε την απλούστερη συνδεσμολογία μονής εισόδου και μονής εξόδου, όπως δείχνει το παρακάτω σχήμα.
Σε αυτό το κύκλωμα, το διαφορικό σήμα εφαρμόζεται στην μη αναστρέφουσα είσοδο του διαφορικού ενισχυτή, δηλαδή στη βάση του Q1, ενώ η αναστρέφουσα είσοδος, δηλαδή η βάση του Q2 είναι γειωμένη. Σ’ αυτή τη περίπτωση δεν έχουμε κοινό σήμα στις εισόδους του διαφορικού ενισχυτή. Έξοδο vout παίρνουμε από τον συλλέκτη του τρανζίστορ του Q2.
Χρησιμοποιώντας μαθηματικά, τα οποία παραλείπονται, βρίσκουμε ότι το κέρδος τάσης διαφορικού σήματος αυτού του διαφορικού ενισχυτή είναι: Α=RL/2re , όπου RL είναι η αντίσταση στο συλλέκτη και re είναι η αντίσταση του τρανζίστορ που φαίνεται από τον εκπομπό και είναι ίση με re=VT/IE , όπου VT είναι η θερμική τάση (περίπου ίση 25.5mV στους 25 οC) και ΙΕ το DC ρεύμα του εκπομπού του (ενός) τρανζίστορ Q1.
Στο παραπάνω κύκλωμα διαφορικού ενισχυτή, υποθέτουμε ότι οι είσοδοι έχουν κοινό σήμα και μηδενικό διαφορικό σήμα. Αποδεικνύεται ότι η ενίσχυση του κοινού σήματος vCM είναι αντιστρόφως ανάλογη της κοινής αντίστασης RE των εκπομπών του διαφορικού ενισχυτή. Δηλαδή όσο μεγαλύτερη είναι τόσο μεγαλύτερη είναι η απόρριψη κοινού σήματος. Συγκεκριμένα το κέρδος τάσης κοινού σήματος είναι ACM=RC/2RE
Σε ένα διαφορικό ενισχυτή, ο λόγος του κέρδους τάσης διαφορικού σήματος προς το κέρδος τάσης κοινού σήματος ονομάζεται λόγος απόρριψης κοινού σήματος (Common Mode Rejection Ratio CMRR) , συγκεκριμένα CMRR=A/ACM . Όσο μεγαλύτερος είναι ο λόγος απόρριψης κοινού σήματος τόσο το καλύτερο, γιατί σημαίνει ότι ο διαφορικός ενισχυτής ενισχύει το επιθυμητό σήμα και απορρίπτει το κοινό σήμα που είναι ανεπιθύμητο.
Στους τελεστικούς ενισχυτές, όπου το τμήμα εισόδου είναι ένας διαφορικός ενισχυτής, για να έχουμε μεγάλη ενίσχυση διαφορικού σήματος και απόρριψη του κοινού σήματος, πρέπει να χρησιμοποιηθούν μεγάλες τιμές των αντιστάσεων συλλέκτη και της κοινής αντίστασης εκπομπού. Αυτό πετυχαίνεται με την αντικατάσταση τους με καθρέπτες ρεύματος που λειτουργούν σαν πηγές ρεύματος, όπως χρησιμοποιούνται στα ολοκληρωμένα κυκλώματα, για το λόγο ότι παρουσιάζουν πολύ μεγάλη εσωτερική αντίσταση.
Ρεύμα και τάση ασυμμετρίας εισόδου
Για να λειτουργήσει ο τελεστικός ενισχυτής, θα πρέπει τα τρανζίστορ στο εσωτερικό του να είναι σωστά πολωμένα. Δηλαδή, θα πρέπει να διαρρέεονται από ρεύματα βάσης και συλλέκτη κατάλληλης τιμής. Επομένως, σε ένα πραγματικό τελεστικό ενισχυτή, οι δυο ακροδέκτες εισόδου πρέπει να άγουν ένα μικρό DC ρεύμα για την πόλωση των τρανζίστορ του.
Τα ρεύματα πόλωσης των δύο εισόδων διαφέρουν συνήθως μεταξύ τους, πράγμα που οφείλεται στο διαφορετικό β των τρανζίστορ. Αποτέλεσμα της ύπαρξης διαφορετικών ρευμάτων πόλωσης είναι η εμφάνιση μιας μη μηδενικής τάσης εξόδου, ακόμα κι όταν δεν υπάρχει σήμα εισόδου. Αυτή η τάση εξόδου είναι στην ουσία οι πτώσεις τάσεις, που έχουν δημιουργηθεί στις εισόδους του τελεστικού ενισχυτή από τα ρεύματα πόλωσης, πολλαπλασιασμένες με το κέρδος του κυκλώματος.
Προκειμένου να ελαχιστοποιήσουμε τις επιδράσεις των ρευμάτων πόλωσης, προσθέτουμε στην είσοδο συνήθως μια αντίσταση αντιστάθμισης του ρεύματος πόλωσης. Ωστόσο, η χρησιμοποίηση της αντίστασης αντιστάθμισης είναι καλό να γίνεται μόνο όταν βελτιώνει την επίδραση του ρεύματος πόλωσης, γιατί προσθέτει θόρυβο στο κύκλωμα.
Σε ένα πραγματικό τελεστικό ενισχυτή εμφανίζεται το εξής φαινόμενο: Στην έξοδο του, με γειωμένες τις δυο εισόδους εμφανίζεται μια DC τάση. Η τάση αυτή προκαλείται από το μη-απόλυτο ταίριασμα (mismatch) των τρανζίστορ της βαθμίδας εισόδου και κάποιες άλλες αναπόφευκτες κατασκευαστικές ασυμμετρίες στο εσωτερικό του τελεστικού ενισχυτή. Προκειμένου να μηδενίσουμε αυτήν την τάση εξόδου, μια διορθωτική DC τάση πρέπει να εφαρμοστεί μεταξύ των ακροδεκτών εισόδου του τελεστικού ενισχυτή. Η τάση αυτή είναι η τάση ασυμμετρίας εισόδου (Input Offset Voltage) και συνήθως κυμαίνεται από λίγα μV μέχρι μερικά mV.
Για την εξάλειψη της τάσης ασυμμετρίας εισόδου ορισμένοι τελεστικοί ενισχυτές διαθέτουν πρόσθετους ακροδέκτες, στους οποίους συνδέεται ένα εξωτερικό ποτενσιόμετρο. Ρυθμίζοντας το ποτενσιόμετρο προσπαθούμε να εισάγουμε μια νέα τάση ασυμμετρίας στο κύκλωμα, η οποία αναιρεί την ήδη υπάρχουσα. Ένας άλλος τρόπος αντιστάθμισης της τάσης ασυμμετρίας εισόδου, είναι η απευθείας εξωτερική εφαρμογή μιας ρυθμιζόμενης DC τάσης εισόδου, έτσι ώστε να μπορέσουμε να μηδενίσουμε την έξοδο.