Шамшин В.Г. Основы схемотехники. Учебно-методический комплекс

Подождите немного. Документ загружается.

так как изменение токов эмиттеров транзисторов происходит с разными зна-

ками и суммарный ток эмиттера равен нулю.

Подача синфазного сигнала при полной симметрии плеч каскада при-

водит к одновременному изменению токов и потенциалов обоих транзисто-

ров, в результате чего U

ВЫХ

= U

к1

– U

к2

= 0. Однако из-за различия параметров

транзисторов изменение токов транзисторов и соответственно потенциалов

коллекторов будут неодинаковы, что приведет к определенному значению

выходного синфазного напряжения (дрейфу нуля). Уменьшение уровня син-

фазного выходного напряжения обеспечивается действием ООС, возникаю-

щей на резисторе R

, так как при синфазном входном сигнале изменения то-

ков транзисторов происходят с одинаковыми знаками.

Каждое включение характеризуется своим значением коэффициента

усиления. Принимая следующие первоначальные условия

вх

= U

б1

+ U

к1

·U

б1

=S·U

б1

к2

·U

=S·U

= (I

к1

+ I

к2

) ·R

, (7.2)

к1

·R

и U

к2

·R

находятся значения всех коэффициентов усиления.

Инвертирующий коэффициент усиления

вх

×-== . (7.3)

Неинвертирующий коэффициент усиления

вх

×== . (7.4)

Дифференциальный коэффициент усиления

кни

вх

кк

RSКК

К ×=+=

. (7.5)

Синфазный коэффициент усиления

инcф

ККК

21+

=-= . (7.6)

Наличие конечного значения синфазного коэффициента усиления го-

ворит о том, что каскад усиливает сигнал дрейфа (синфазный сигнал). По-

этому эффективность работы каскада по уменьшению приведенного дрейфа

нуля оценивается специальным коэффициентом, называемый коэффициен-

том подавления синфазного сигнала, который показывает, во сколько раз ко-

эффициент усиления дифференциального входного сигнала, приложенного

между входами каскада, больше коэффициента усиления синфазных сигна-

лов, действующих между каждым входом и общей шиной (землей)

сф

q ×+== 21 . (7.7)

Из последнего соотношения видно, что величина коэффициента подав-

ления главным образом зависит от сопротивления резистора R

. Однако уве-

личение сопротивление этого резистора требует увеличение напряжения пи-

тания или изменения режима работы транзисторов, так как должно выпол-

няться соотношение U

к0

+ I

к0

·R

+ 2I

э0

·R

= E

Для значительного увеличения коэффициента подавления синфазного

сигнала применяются различные способы. Простейшим способом является

питание каскада от двух источников питания, что позволяет увеличить со-

противление резистора в цепи эмиттера до значения R

= Е

о2

/2I

ко

. В этом слу-

чае напряжение питания Е

о1

распределяется только на транзистор и сопро-

тивление в цепи коллектора R

, в результате чего потенциалы эмиттеров рав-

ны нулю.

а) б)

Рис. 7.3. Дифференциальные каскады с повышенным

коэффициентом подавления синфазного сигнала

Более значительное увеличение сопротивления в цепи эмиттера дости-

гается заменой статического резистора динамическим сопротивлением (рис.

7.3,а). В этой схеме роль сопротивления в цепи эмиттера выполняет динами-

ческое сопротивление дополнительного транзистора VT3.

В современных высококачественных дифференциальных каскадах роль

сопротивления в цепи эмиттера выполняют различные схемы генераторов

стабильного тока (ГСТ), обладающих свойством поддержания тока нагрузки

на заданном уровне и поэтому обладающими высоким динамическим внут-

ренним сопротивлением (рис. 7.3, б).

На рис.7.4 приведены основные схемы генераторов стабильного тока,

нашедшие применение в интегральной электронике.

а) б) в) г)

Рис. 7.4. Схемы генераторов стабильного тока

Принцип работы схемы на рис. 7.4, а заключается в стабилизации на-

пряжения базы транзистора с помощью параметрического стабилизатора,

состоящего из стабилитрона и последовательно включенного с ним балла-

стного резистора. Постоянство напряжения на базе обеспечивает стабиль-

ность коллекторного тока и соответственно ток нагрузки, т.к. I

=(U

ст

- U

бэ

)/R.

Для схемы рис.7.4, б при использовании транзисторов с одинаковыми

параметрами справедливы соотношения

б1

= I

б2

= I

и I

к1

к2

= B ·I

вх

= I

к1

+ 2I

и I

= B·I

, (7.8)

= B·I

вх

/(B+2) @ I

вх

Таким образом, выходной ток схемы почти повторяет входной, почему

эта схема и называется токовым зеркалом. Еще большая стабильность дости-

гается введением в цепи эмиттеров резисторов (рис.7.4, в).

В схеме рис.7, г по сравнению с первой схемой вместо стабилитрона

используется прямо смещенный р-n переход транзистора VT2 в диодном

включении. Динамическое выходное сопротивление такого ГСТ R

дин

= В· r

кэ

Входное сопротивление каскада по дифференциальному сигналу опре-

деляется входным сопротивлением транзистора h

11э

, включенного по схеме с

общим эмиттером, с учетом сопротивлений цепи смещения, а входное со-

противление по синфазному сигналу определяется также входным сопротив-

лением h

11э

с учетом действия отрицательной обратной связи

вх,сф

= h

11э

· (1+ 2SR

). (7.9)

Выходные сопротивления каскада в дифференциальном и синфазном

включении соответственно равны:

выхдф

= R

)21(

SRэh

выхсф

+×

= . (7.10)

Вопросы для самопроверки

1. Какой усилитель относится к усилителю постоянного тока?

2. Какие возникают сложности в реализации УПТ?

3. Объяснить понятие дрейфа нуля и причины его возникновения.

4. Пояснить методы уменьшения дрейфа нуля.

5. Объяснить особенности построения дифференциального каскада.

6. Привести способы подачи входного сигнала в дифференциальном

каскаде и способы снятия выходного.

7. Привести основные параметры дифференциального каскада.

8. Объяснить методы подавления синфазного сигнала в дифференци-

альных каскадах.

8. Операционные усилители

Операционным усилителем (ОУ) называется усилитель постоянного

тока с большим собственным коэффициентом усиления, имеющий диффе-

ренциальный вход и несимметричный выход. Один из его входов является

инвертирующим, поскольку при подаче на него входного сигнала выходной

совпадает с входным по фазе, а второй – неинвертирующим (выходной сиг-

нал имеет противоположную фазу входному).

Свое название операционные усилители получили из-за того, что пер-

воначально применялись для выполнения математических операций над

электрическими сигналами.

Операционный усилитель, выполненный в виде интегральной микро-

схемы, в общем случае состоит из трех блоков (рис.8.1): дифференциального

входного каскада (ДФК), блока каскадов промежуточных усиления (ПУ) и

оконечного каскада (ОК).

Рис.8.1. Блок-схема операционного усилителя

Дифференциальный каскад обеспечивает возможность подачи входных

сигналов по дифференциальному принципу, подавление синфазного сигнала,

некоторое усиление входного сигнала и высокое входное сопротивление. В

зависимости от используемого входа (инвертирующего или не инвертирую-

щего) обеспечивается возможность получить выходной сигнал в фазе с вход-

ным сигналом или сдвинутым на 180°. Промежуточные каскады обеспечи-

вают основное усиление по напряжению. В качестве промежуточных каска-

дов используют дифференциальные или однополюсные каскады. Оконечный

каскад предназначен для согласования ОУ с нагрузкой, для чего он обеспе-

чивает малое выходное сопротивление и необходимую мощность. Выполня-

ются оконечные каскады по схеме бестрансформаторного усилителя мощно-

сти или эмиттерного повторителя.

Операционный усилитель — многокаскадный

усилитель постоянного тока с большими ко-

эффициентом усиления и входным сопротив-

лением, дифференциальным входом и несим-

метричным выходом с малым выходным со-

противлением, предназначенный для работы в

устройствах с глубокой отрицательной об-

ратной связью.

Варианты обозначения операционных усилителей на принципиальных

схемах представлены на рис. 8.2.

Рис. 8.2. Условные графические обозначения ОУ

Любой ОУ, как правило, имеет шесть выводов: два входных (инверти-

рующий U‾

вх

и неинвертирующий U

вх

), два вывода для подключения ис-

точников питания ±Е

и один выходной вывод U

вых

, а также вывод для под-

соединения к общей шине (земле). Кроме основных имеются дополнитель-

ные выводы, к которым подключаются цепи балансировки входного каскада

по постоянному току, цепи коррекции АЧХ.

8.1. Параметры, характеристики, эквивалентная схема ОУ

Операционный усилитель характеризуется усилительными, энергети-

ческими, частотными и погрешностными параметрами, основными из кото-

рых являются:

- входные и выходные, к которым относятся входное и выходное со-

противления, входные токи (токи смещения, сдвига) I‾

вх

и I

вх

входного

дифференциального каскада, а также разность входных токов ∆I

вх

= I‾

вх

– I

вх

(ток сдвига). Входные сопротивления в зависимости от способа подключения

входного сигнала подразделяются на дифференциальное R

вхдф

и синфазное

вхсф

. Входное дифференциальное сопротивление – это полное входное со-

противление со стороны любого входа при заземленном другом входе. Син-

фазное входное сопротивление характеризует изменение среднего входного

тока при приложении к входам синфазного напряжения;

- к усилительным относятся: максимальное значение выходного на-

пряжения U

max

, дифференциальный коэффициент усиления К

, нагрузочная

способность (максимальный выходной ток). Выходной ток определяется то-

ками нагрузки и цепи обратной связи I

вых

ос

+ I

» I

. Сопротивление нагруз-

ки R

должно быть таким, чтобы величина выходного тока I

ВЫХ

не превыша-

ла допустимого значения для данного ОУ:

- энергетические – напряжение питания ±Е

, потребляемый ток I

;

- частотные – предельная частота усиления F

, на которой собственный

коэффициент усиления равен единице, скорость нарастания выходного сиг-

нала (V = dU

вых

/dt). Скорость нарастания - это максимальная скорость изме-

нения выходного сигнала при подаче на вход сигнала прямоугольной формы.

Показатель ограничивает частоту синусоидального сигнала, на которой воз-

можно получение на выходе ОУ неискаженного колебания требуемой ам-

плитуды V=2pF×U

mвых

;

- статические погрешности – это параметры, учитывающие отклонение

выходного напряжения при отсутствии входного.

Основными характеристиками (рис.8.3), оценивающими работу ОУ,

являются передаточная (амплитудная) и амплитудно-частотная (АЧХ).

Рис.8.3. Характеристики операционного усилителя

Передаточная характеристика представляет собой зависимость выход-

ного напряжения от знака и уровня дифференциального входного напряже-

ния. Реальная характеристика из-за наличия напряжения смещения U

см

име-

ет некоторый сдвиг. Амплитудно-частотная характеристика ОУ соответству-

ет АЧХ усилителя постоянного тока.

На рис. 8.4 представлена эквивалентная схема операционного усилителя.

Рис.8.4.Эквивалентная схема операционного усилителя

Элементы, введенные в эквивалентную схему, учитывают наличие

входных токов смещения, представленных источниками тока I‾

вх

и I

вх

со

своими сопротивлениями, усиление дифференциального и синфазного сигна-

лов – источниками К

дф

и К

сф

тока, внутреннее сопротивление R

вых

приведенную емкость С

100

8.2. Схемы включения ОУ

Операционные усилители обладают высоким собственным коэффици-

ентом усиления, а поэтому для обеспечения их работы в линейном режиме

используются с внешние отрицательные обратные связи. В линейном режиме

амплитуда выходного напряжения должна быть меньше напряжения насы-

щения ±U

max

В целях упрощения рассмотрения принципа работы типовых схем, вы-

полненных на базе операционных усилителей, вводится понятие идеального

ОУ, для которых принимается:

- бесконечно большой дифференциальный коэффициент усиления, не

зависящий от частоты сигнала;

- бесконечно большие входные сопротивления и близкое к нулю вы-

ходное сопротивление:

- отсутствие дрейфа нуля и смещения выходного напряжения;

- бесконечно большое значение коэффициента подавления синфазного

сигнала.

Из-за наличия двух входов управляющий сигнал также, как и в обыч-

ном дифференциальном каскаде, может подаваться несколькими способами,

в связи, с чем различаются соответствующие схемы включения ОУ, обла-

дающие своими значениями параметров.

8.2.1. Инвертирующее включение ОУ

Схема инвертирующего включения показана на рис.8.4, в которой

входной сигнал подается на инвертирующий вход ОУ при заземленном неин-

вертирующем. Сопротивление отрицательной обратной связи R

ос

, включен-

ное с выхода усилителя на инвертирующий вход, образует цепь параллель-

ной обратной связи по напряжению.

а) б)

Рис. 8.5. Инвертирующее включение ОУ

Принимая ОУ идеальным с параметрами R

вх

→∞, R

вых

→0, К

→∞ мож-

но полагать, что его входные цепи из-за бесконечно большого входного соп-

ротивления не потребляют ток от источника сигнала (I

вх

= 0). Это допу-

щение позволяет считать равным нулю (U

дф

=0) дифференциальное входное

напряжение (напряжение между инвертирующим и неинвертирующим вхо-

101

дами). В этом случае потенциал инвертирующего входа также равен нулю,

что позволяет считать инвертирующий вход виртуально заземленным.

В результате такого допущения можно считать, что входное напряже-

ние целиком приложено к резистору R1, а выходное - к резистору цепи об-

ратной связи R

ос

. Поэтому через резистор R1 протекает ток I

= U

вх

/R1, через

резистор обратной связи – I

ос

вых

ос

Инвертирующий усилитель — усилитель,

изменяющий фазу гармонического сигнала на

180° или полярность импульсного сигнала на

противоположную.

Из схемы следует равенство токов I

= I

ос

, что дает значение напряжения

на выходе ОУ

иВХ

ВХВЫХ

UU ×-=×-=

(8.1)

и соответственно коэффициент усиления схемы равен

ос

-= . (8.2)

Знак минус показывает изменение фазы усиливаемого сигнала.

В схеме на реальном операционном усилителе, имеющего конечное

значение входного сопротивления, коэффициент усиления зависит от коэф-

фициента передачи входной цепи К

вх

и входного дифференциального сопро-

тивления R

дф

самого ОУ. С учетом названных параметров, используя свойст-

ва усилителя, охваченного обратной связью, инвертирующий коэффициент

усиления будет равен

×+

вх

двх

КК

, (8.3)

где коэффициенты передачи входной цепи и обратной связи

)/()(1

)/()(

дфocдфос

вх

RRRRR

RRRR

+×+

= ,

)1/()1(

дфдфoc

дфдф

RRRRR

RRRR

+×+

102

Результирующее значение инвертирующего коэффициента усиления

дф

ococ

дoc

+++

×-=

. (8.4)

Принимая в этих формулах собственный коэффициент усиления ОУ

→∞ и R

дф

→∞, получим уже найденное ранее значение

ос

-=-=

Входное сопротивление схемы инвертирующего усилителя

вх

дфoc

+1 »R1. (8.5)

8.2.2. Неинвертирующее включение ОУ

При данном включении операционного усилителя входной сигнал подает-

ся на неинвертирующий вход, а сигнал обратной связи через делитель R1 и R

ос

на инвертирующий (рис. 8.5, а).

а) б)

Рис.8.5. Неинвертирующее включение ОУ

Неинвертирующий усилитель — усилитель,

сохраняющий (повторяющий) фазу гармони-

ческого сигнала или полярность импульсного

сигнала входного сигнала.

В неинвертирующем включении ОУ коэффициент передачи входной

цепи в основном определяется дифференциальным входным сопротивлением

операционного усилителя

)1/()1(

ocдф

дф

вх

RRRocRR

+×+

= . (8.6)