Ο τελεστικός ενισχυτής αποτελεί βασικό ηλεκτρονικό εξάρτημα, υπό μορφή ολοκληρωμένου κυκλώματος, των αναλογικών συστημάτων. Οι ακροδέκτες του τελεστικού ενισχυτή αποτελούνται από 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. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε κυκλώματα ενίσχυσης με αναστρέφουσα και μη αναστρέφουσα συνδεσμολογία, κυκλώματα αθροιστή, διαφοριστή, ολοκληρωτή, συγκριτή κ.ά.

Βασικά χαρακτηριστικά του τελεστικού ενισχυτή είναι:

• το πολύ μεγάλο κέρδος τάσης ανοικτού βρόγχου
• η πολύ μεγάλη αντίσταση εισόδου
•  η μικρή αντίσταση εξόδου
• Αμελητέο ρεύμα πόλωσης εισόδου
• Μηδενική ενίσχυση στο κοινό σήμα στις δύο εισόδους..

Στη συνδεσμολογία του τελεστικού ενισχυτή, χρησιμοποιούνται δικτυώματα ανάδρασης ώστε να ελεγχθεί το κέρδος τάσης και το εύρος ζώνης συχνοτήτων, σχηματίζοντας τους ενισχυτές κλειστού βρόγχου. Χαρακτηριστικό 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 κοινή αντίσταση 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 v_d=v₁-v₂ και απορρίπτει το κοινό σήμα των εισόδων του, που ορίζεται ως v_CM=(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 v_out 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=R_L/2r_e  , όπου R_L είναι η αντίσταση στο συλλέκτη και r_e είναι η αντίσταση του τρανζίστορ που φαίνεται από τον εκπομπό και είναι ίση με r_e=V_T/I_E , όπου V_T είναι η θερμική τάση (περίπου ίση 25.5mV στους 25 ^οC) και Ι_Ε το DC ρεύμα του εκπομπού του (ενός) τρανζίστορ Q1.

Σε ένα κύκλωμα διαφορικού ενισχυτή, όταν οι είσοδοι έχουν κοινό σήμα και μηδενικό διαφορικό σήμα, αποδεικνύεται ότι η ενίσχυση του κοινού σήματος v_CM είναι αντιστρόφως ανάλογη της κοινής αντίστασης R_E των εκπομπών του διαφορικού ενισχυτή. Δηλαδή όσο μεγαλύτερη είναι τόσο μεγαλύτερη είναι η απόρριψη κοινού σήματος. Συγκεκριμένα το κέρδος τάσης κοινού σήματος είναι A_CM=R_C/2R_E

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/A_CM . 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.

Τάση ασυμμετρίας εισόδου

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.

Μέγιστο ρεύμα εξόδου

Σε μερικές εφαρμογές ένας τελεστικός ενισχυτής μπορεί να χρειάζεται να οδηγήσει μια πολύ μικρή αντίσταση φορτίου κι έτσι, το ρεύμα εξόδου του τείνει να αυξηθεί υπερβολικά. Στην περίπτωση αυτή, ο τελεστικός ενισχυτής διαθέτει έναν μηχανισμό αυτοπροστασίας, που τον εμποδίζει να δημιουργήσει ρεύμα εξόδου μεγαλύτερο από κάποια συγκεκριμένη τιμή. Η τιμή του μέγιστου ρεύματος βραχυκυκλώματος εξόδου, που μπορεί να δώσει ένας τελεστικός ενισχυτής με τον ακροδέκτη εξόδου στη γείωση, δίνεται από τους κατασκευαστές στα φυλλάδια προδιαγραφών και για τον τελεστικό ενισχυτή 741 η τυπική του τιμή ορίζεται στα 25mA.

Απόκριση συχνότητας τελεστικού ενισχυτή

Σε ένα πραγματικό τελεστικό ενισχυτή, το διαφορικό κέρδος ανοιχτού βρόγχου είναι πάρα πολύ μεγάλο και μειώνεται με τη συχνότητα. Γενικά σε ένα ενισχυτή εύρος ζώνης συχνοτήτων ορίζεται η ζώνη συχνοτήτων στις οποίες το κέρδος του ενισχυτή είναι μέγιστο και περιορίζεται μεταξύ δυο οριακών συχνοτήτων στις οποίες το κέρδος πέφτει στο 0,707 της μέγιστης τιμής του.

Επειδή ο τελεστικός ενισχυτής είναι ένας DC ενισχυτής, η κάτω οριακή συχνότητα θα είναι τα 0 Hz. Επομένως, το εύρος ζώνης μικρού σήματος για ένα τελεστικό ενισχυτή καθορίζεται από την πάνω οριακή συχνότητα f_2(OL).  Για τον 741, όπως φαίνεται και στο διάγραμμα του σχήματος, το κέρδος τάσης ανοικτού βρόγχου είναι 100.000 (ή 100dB) και η πάνω οριακή συχνότητα αποκοπής, όπου το κέρδος τάσης πέφτει κατά 3dB είναι f_2(OL)=10Hz. Για συχνότητες μεγαλύτερες της συχνότητας αποκοπής, το κέρδος τάσης μειώνεται με ρυθμό 20dB ανά δεκάδα.

Αυτή η μείωση του κέρδους με την αύξηση της συχνότητας οφείλεται στον εσωτερικό πυκνωτή στους εσωτερικά αντισταθμισμένους τελεστικούς ενισχυτές, που χρησιμοποιείται για την αποφυγή εμφάνισης ταλαντώσεων στο κύκλωμα.

Για να πετύχουμε μεγαλύτερο εύρος στα κυκλώματα των τελεστικών ενισχυτών, χρησιμοποιούμε τη συνδεσμολογία αρνητικής ανάδρασης. Στους ενισχυτές αρνητικής ανάδρασης, το εύρος συχνοτήτων του κυκλώματος αυξάνεται κατά τον ίδιο παράγοντα που μειώνεται το κέρδος τάσης του ενισχυτή.

Ρυθμός μεταβολής εξόδου (Slew rate)

Ο ρυθμός μεταβολής εξόδου (slew rate) ενός τελεστικού ενισχυτή, δείχνει την ικανότητα του τελεστικού ενισχυτή να ανταποκριθεί στις απότομες αλλαγές της τάσης εισόδου. Δηλαδή, μας λέει πόσο “γρήγορος” είναι ο τελεστικός ενισχυτής. Έτσι, ας θεωρήσουμε, ότι ως σήμα εισόδου σε ένα κύκλωμα με τελεστικό ενισχυτή είναι η μετάβαση από μια DC στάθμη σε άλλη, τότε στην έξοδο ενος πραγματικού τελεστικού ενισχυτή θα πάρουμε μια θετική εκθετική κυματομορφή όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Ο ρυθμός μεταβολής της τάσης της εξόδου S_R , αποτελεί ένα χαρακτηριστικό μέγεθος των τελεστικών ενισχυτών και η τιμή του ορίζεται από το λόγο της μεταβολής της τάσης εξόδου προς τον αντίστοιχο χρόνο που διαρκεί η μεταβολή αυτή. Μονάδα μέτρησης του ρυθμού μεταβολής εξόδου είναι τα V/μs και για τον τελεστικό ενισχυτή 741 είναι ίσος με 0,5V/μs.

Ο κυριότερος παράγοντας που περιορίζει το ρυθμό μεταβολής της τάσης εξόδου είναι ο πυκνωτής αντιστάθμισης που περιλαμβάνει κάθε τελεστικός ενισχυτής στο κύκλωμα του. Ο πυκνωτής αντιστάθμισης εκτελεί τη σημαντική λειτουργία, να εμποδίζει τις ταλαντώσεις που θα προκαλούσαν παρεμβολές στο επιθυμητό σήμα. Η μη μηδενική τιμή του ρυθμού μεταβολής τάσης εξόδου, οφείλεται στη χρονική καθυστέρηση λόγω της φόρτισης και εκφόρτισης του πυκνωτή αντιστάθμισης.

Η μη μηδενική τιμή του ρυθμού μεταβολής της τάσης εξόδου προκαλεί παραμόρφωση στο σήμα εξόδου, στην περίπτωση που έχουμε μεγάλο σήμα εισόδου και γίνεται αισθητή πάνω από μια οριακή συχνότητα f_max για την οποία ισχύει η σχέση f_max = S_R / (2πV_p) όπου V_p είναι το πλάτος του σήματος εισόδου.

Λόγος απόρριψης κοινού σήματος (CMRR)

Στους πραγματικούς τελεστικούς ενισχυτές, όταν εφαρμόζεται κοινό σήμα στις δυο εισόδους, στην έξοδο παίρνουμε πάντα ένα πεπερασμένο μη μηδενικό σήμα. Όσο λιγότερο ζυγοσταθμισμένη είναι η διαφορική είσοδος του τελεστικού ενισχυτή, τόσο αναιρείται η ικανότητα του να απορρίπτει κοινά σήματα εισόδου και δίνει μεγαλύτερη τάση εξόδου στο κοινό σήμα εισόδου. Έτσι, ορίζεται ένα μέγεθος που δείχνει την ικανότητα του τελεστικού ενισχυτή να απορρίπτει σήματα τα οποία ταυτόχρονα εμφανίζονται στις εισόδους του. Το μέγεθος αυτό είναι ο λόγος απόρριψης κοινού σήματος (CMRR Common Mode Rejection Ratio) και δίνεται από το λόγο του διαφορικού κέρδους Α, προς το κέρδος κοινου σήματος¨

CMRR = A / A_CM ή σε decibel  CMRR_dB = 20log(A/A_CM)

Στα φυλλάδια προδιαγραφών δίνεται η καμπύλη μεταβολής του CMRR με τη συχνότητα, όπως αυτή του παρακάτω σχήματος που αντιστοιχεί στον τελεστικό ενισχυτή 741 για τάση τροφοδοσίας +-15V και θερμοκρασία περιβάλλοντος 25^οC.