4.1 Εισαγωγή
O Τελεστικός ενισχυτής (ΤΕ) είναι ένα από τα πιο χρήσιμα ηλεκτρονικά ενεργά στοιχεία που χρησιμοποιούνται στα αναλογικά ηλεκτρονικά κυκλώματα στις χαμηλές και μέσες συχνότητες. Οι τελεστικοί ενιχυτές οφείλουν το ονομά τους στο γεγονός οτι συνδυαζόμενοι με έναν ελάχιστο αριθμό εξωτερικών στοιχείων (αντιστάσεις, πυκνωτές, κτλ.) μπορούν να τελούν δηλ. να πραγματοποιούν μια ποικιλία γραμμικών και μη γραμμικών λειτουργιών. Βρίσκουν εφαρμογές σε διατάξεις σημάτων όπως ενισχυτές, φίλτρα, περιοριστές, συνθέτες [synthesizers], κτλ., σε κυκλώματα τηλεπικοινωνιών (ταλαντωτές, διαμορφωτές, αποδιαμορφωτές, βρόχοι κλείδωσης φάσης, κτλ.), μετατροπείς αναλογικών και ψηφιακών σημάτων (τόσο A/D όσο και D/A) και κυκλώματα που εκτελούν διάφορες μαθηματικές πράξεις (ολοκληρωτές, πολλαπλασιαστές, προσθετές, αφαιρέτες, κτλ.).
Τυπικά, ο τελεστικός ενισχυτής είναι ένας ενισχυτής dc μεγάλης ενίσχυσης που συνήθως αποτελείται από έναν η περισσότερους διαφορικούς ενισχυτές που ακολουθούνται από μια βαθμίδα μετατροπής στάθμης και τέλος από τη βαθμίδα εξόδου. Το Σχ.4.1 δείχνει το δομικό διάγραμμα ενός τελεστικού ενισχυτή. Η πρώτη βαθμίδα είναι διαφορικός ενισχυτής με διπλή είσοδο και παρέχει την περισσότερη ενίσχυση του ΤΕ. Στους περισσότερους ενισχυτές η ενδιάμεση βαθμίδα είναι κι' αυτή με διπλή είσοδο, αλλά ασύμμετρη στην έξοδο (δηλ. με μια έξοδο). Επειδή είναι ενισχυτής dc,
η dc τάση ηρεμίας στην έξοδο της βαθμίδας αυτής είναι πολύ πάνω από το δυναμικό της γης και γι' αυτό ο μετατροπέας στάθμης χρησιμοποιείται για να επαναφέρει αυτή την τάση στο μηδέν ως προς τη γη.
Όλες οι παραπάνω βαθμίδες είναι κατασκευασμένες σε μικροποιημένη δομή, με αρκετά τρανζίστορ, ο δε ΤΕ έχει τη μορφή μικροκυκλώματος (τσιπ) με διάφορες ακροληψίες ή ακροδέκτες που καταλήγουν σε αντίστοιχα "ποδαράκια".
4.2 Συμβολισμοί - Ιδανικός τελεστικος ενισχυτής
Το Σχ.4.3 εικονίζει το σύμβολο ενός ΤΕ, που έχει δυο εισόδους και μία έξοδο. Στο σχήμα δε δείχνονται οι ακροδέκτες της τάσης τροφοδοσίας ουτε οι υπόλοιποι ακροδέκτες. Επειδή η πρώτη βαθμίδα του ΤΕ είναι διαφορικός ενισχυτής, οι διαφορικές είσοδοι συμβολίζονται η μία με το ( + )
και η άλλη με το (-). Η ( + ) είσοδος είναι η μη αναστρέφουσα είσοδος. Αν στην είσοδο αυτή εφαρμόζεται ένα ac σήμα (η μία dc τάση), στην έξοδο εμφανίζεται ένα ενισχυμένο σήμα που έχει την ίδια φάση (την ίδια πολικότητα) με την τάση εισόδου. Αν όμως το ίδιο αυτό σήμα εφαρμόζεται στην είσοδο (-), άρα στην έξοδο εμφανίζεται σήμα ξόδου ενισχυμένο και με διαφορά φάσης 180° (αντίθετη πολικότητα) ως προς την είσοδο.
Όπου:
U1 = η τάση στη μη αναστρέφουσα είσοδο
U2 = η τάση στην αναστρέφουσα είσοδο U0=η τάση εξόδου
(Όλες αυτές οι τάσεις μετρώνται ως προς γη).
Α0 = η διαφορική ενίσχυση μεγάλων σημάτων του ΤΕ, η οποία καθορίζεται από τον κατασκευαστή.
O ιδανικός ΤΕ είναι ένα (εξιδανικευμένο) θεωρητικό μοντέλο ΤΕ με τα
εξής χαρακτηριστικά:
1. Άπειρη διαφορική ενίσχυση Α0.
2. Άπειρη αντίσταση εισόδου R:, ώστε οποιοδήποτε σήμα να ενισχύεται κανονικά, χωρίς να υπάρχει πρόβλημα προσαρμογής με την προηγούμενη βαθμίδα.
3. Μηδενική αντίσταση εξόδου R0, ώστε η έξοδος να μπορεί να οδηγήσει χωρίς πρόβλημα προσαρμογής οποιαδήποτε επόμενη βαθμίδα.
4. Μηδενική τάση εξόδου για μηδενική τάση εισόδου.
5. Άπειρο ευρος διέλευσης συχνοτήτων, ώστε να ενισχύεται οποιοδήποτε σήμα συχνότητας από 0 έως ¥ Hz χωρίς υποβιβασμό.
6. Άπειρο λόγο κοινου τρόπου, ώστε ο θόρυβος της τάσης εξόδου κοινού τρόπου να είναι μηδέν.
7. Άπειρο ρυθμό κλίσης (slew rate), ώστε η αλλαγή της τάσης εξόδου να γίνεται ταυτόχρονα με την αλλαγή της τάσης εισόδου.
Υπάρχουν πάντως πρακτικοί ΤΕ που μπορούν να προσεγγίσουν αρκετά όλα τα χαρακτηριστικά του ιδανικού ΤΕ χρησιμοποιώντας αρνητική ανασύζευξη. Ιδιαίτερα η αντίσταση εισόδου, εξόδου και το εύρος διέλευσης συχνοτήτων μπορούν να προσεγγίσουν πολύ τις ιδανικές αυτές τιμές.
Το Σχ.4.4 δείχνει το απλό ισοδύναμο κύκλωμα ενός πραγματικού ΤΕ. Το κύκλωμα περιλαμβάνει σημαντικά στοιχεία από τα δεδομένα του κατασκευαστή: A0, Ri και R0. Η A0 uid είναι η ισοδύναμη τάση της πηγή Thevenin και R0 είναι η αντίστοιχη ισοδύναμη αντίσταση που βλέπουμε στην έξοδο του ΤΕ.
4.2.1 Πραγματικός Τελεστικός Ενισχυτής
Στην πράξη, οι πραγματικοί τελεστικοί ενισχυτές πλησιάζουν προσεγγιστικά τα χαρακτηριστικά που ισχύουν για τον ιδανικό ΤΕ. Δηλαδή έχουν μεγάλη (αντί <*>)
διαφορική ενίσχυση Α0 μεγάλη (αλλά όχι ∞), αντίσταση εισόδου Ri μεγάλη (αλλά όχι ∞ αντίσταση εξόδου, R0 μικρή (αλλά όχι 0) εύρος διέλευσης συχνοτήτων BW μικρό (αλλά όχι <0>). Αρα η τάση εξόδου δίνεται από τη σχέση:
όπου A0 = η ενίσχυση τάσης ή διαφορική απολαβή ανοικτού βρόχου uid = η διαφορική τάση εισόδου
U = η τάση της μη αναστρέφουσας εισόδου ως προς τη γη u2 = η τάση της αναστρέφουσας εισόδου ως προς τη γη. Η εξίσωση αυτή δείχνει ότι η τάση εξόδου u0 είναι ανάλογη της (αλγεβρικής) διαφοράς των δυο τάσεων εισόδου. Δηλαδή ο ΤΕ ενισχύει τη διαφορά μεταξύ των δυο τάσεων εισόδου και όχι τις ίδιες τις τάσεις αυτές. Για το λόγο αυτό η πολικότητα της τάσης εξόδου εξαρτάται από την πολικότητα της διαφοράς των τάσεων εισόδου.
