Схема включения ДУ несимметричный вход и симметричный выход рассматривалась ранее (см. рисунок 4.9).
Схема включения ДУ симметричный вход и несимметричный выход приведена на рисунке 5.8.
Такая схема включения ДУ применяется в случае необходимости перехода от симметричного источника сигнала (либо симметричного тракта передачи) к несимметричной нагрузке (несимметричному тракту передачи). Нетрудно показать, что дифференциальный коэффициент усиления при таком включении будет равен половине при симметричной нагрузке. Вместо резисторов в ДУ часто используют транзисторы, выполняющие функции динамических нагрузок. В рассматриваемом варианте включения ДУ целесообразно использовать в качестве динамической нагрузки так называемое токовое зеркало, образованное транзисторами и (рисунок 5.9).
При подаче на базу транзистора положительной полуволны гармонического сигнала , в цепи транзистора (включенного по схеме диода) возникает приращение тока . За счет этого тока возникает приращение напряжения между базой и эмиттером , которое является приращением входного напряжения для транзистора . Таким образом, в цепи коллектор - эмиттер возникает приращение тока, практически равное , поскольку в ДУ плечи симметричны. В рассматриваемый момент времени на базу транзистора подается отрицательная полуволна входного гармонического сигнала . Следовательно, в цепи его коллектора появилось отрицательное приращение тока . При этом приращение тока нагрузки ДУ равно , т.е. ДУ с отражателем тока обеспечивает большее усиление дифференциального сигнала. Необходимо также отметить, что для рассматриваемого варианта ДУ в режиме покоя ток нагрузки равен нулю.
При несимметричном входе и выходе работа ДУ в принципе не отличается от случая несимметричный вход - симметричный выход. В зависимости от того, с какого плеча снимается выходной сигнал, возможно получение синфазного или противофазного выходного сигнала, как это получается в фазоинверсном каскаде на основе ДУ (см. подраздел 4.4).
5.5. Точностные параметры ДУ
К точностным параметрам ДУ относятся паразитные напряжения и токи, имеющие место в режиме покоя, но оказывающие влияние на качество усиления рабочего сигнала.
В реальном ДУ за счет асимметрии плеч на выходе устройства всегда присутствует паразитное напряжение между выходами. Для сведения его к нулю на вход (плеча) необходимо подать компенсирующий сигнал - напряжение смещения нуля , представляющее собой кажущийся входной дифференциальный сигнал.
Напряжение порождается, в основном, разбросом величин обратных токов эмиттерных переходов и (), и разбросом номиналов резисторов и (). Для этих напряжений можно записать:
,
.
Зависимость от температуры представляется еще одним точностным параметром - температурной чувствительностью. Температурная чувствительность имеет размерность мкВ/град и определяется как разность ТКН эмиттерных переходов транзисторов плеч и уменьшается пропорционально уменьшению .
Следующим точностным параметром ДУ является ток смещения , представляющий собой разбаланс (разность) входных токов (токов баз транзисторов). Протекая через сопротивление источника сигнала , ток смещения создает на нем падение напряжения, действие которого равносильно ложному дифференциальному сигналу. Ток смещения можно представить как
Средний входной ток также является точностным параметром ДУ. Его можно представить как
Протекая через , ток создает на нем падение напряжения, действующее как синфазный входной сигнал. Хотя и ослабленное в раз, оно все же вызовет на выходе ДУ разбаланс потенциалов.
Температурные зависимости тока смещения и среднего входного тока можно учесть через температурную зависимость . Отметим, что обычно .
В ДУ на ПТ основным точностным параметром является , которое обычно больше, чем в ДУ на БТ.
В настоящее время ДУ представляют собой основной базовый каскад аналоговых ИМС, в частности, ДУ является входным каскадом любого операционного усилителя.
6. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
6.1. Общие сведения
Операционным усилителем (ОУ) принято называть интегральный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и двухтактным выходом, предназначенный для работы с цепями обратных связей. Название усилителя обусловлено первоначальной областью его применения - выполнением различных операций над аналоговыми сигналами (сложение, вычитание, интегрирование и др.). В настоящее время ОУ выполняют роль многофункциональных узлов при реализации разнообразных устройств электроники различного назначения. Они применяются для усиления, ограничения, перемножения, частотной фильтрации, генерации, стабилизации и т.д. сигналов в устройствах непрерывного и импульсного действия.
Необходимо отметить, что современные монолитные ОУ по своим размерам и цене незначительно отличаются от отдельных дискретных элементов, например, транзисторов. Поэтому выполнение различных устройств на ОУ часто осуществляется значительно проще, чем на дискретных элементах или на усилительных ИМС.
Идеальный ОУ имеет бесконечно большой коэффициент усиления по напряжению (), бесконечно большое входное сопротивление, бесконечно малое выходное сопротивление, бесконечно большой КОСС и бесконечно широкую полосу рабочих частот. Естественно, что на практике ни одно из этих свойств не может быть осуществлено полностью, однако к ним можно приблизиться в достаточной для многих областей мере.
На рисунке 6.1 приведено два варианта условных обозначений ОУ - упрощенный (а) и с дополнительными выводами для подключения цепей питания и цепей частотной коррекции (б).
На основе требований к характеристикам идеального ОУ можно синтезировать его внутреннюю структуру, представленную на рисунке 6.2.
Упрощенная электрическая схема простого ОУ, реализующая структурную схему рисунка 6.2, показана на рисунке 6.3.
Данная схема содержит входной ДУ ( и ) с токовым зеркалом ( и ), промежуточные каскады с ОК () и с ОЭ (), и выходной токовый бустер на транзисторах и . ОУ может содержать цепи частотной коррекции (), цепи питания и термостабилизации (, и др.), ИСТ и т.д. Двухполярное питание позволяет осуществить гальваническую связь между каскадами ОУ и нулевые потенциалы на его входах и выходе в отсутствии сигнала. С целью получения высокого входного сопротивления входной ДУ может быть выполнен на ПТ. Следует отметить большое разнообразие схемных решений ОУ, однако основные принципы их построения достаточно полно иллюстрирует рисунок 6.3.
6.2. Основные параметры и характеристики ОУ
Основным параметром ОУ коэффициент усиления по напряжению без обратной связи , называемый также полным коэффициентом усиления по напряжению. В области НЧ и СЧ он иногда обозначается и может достигать нескольких десятков и сотен тысяч.
Важными параметрами ОУ являются его точностные параметры, определяемые входным дифференциальным каскадом. Поскольку точностные параметры ДУ были рассмотрены в подразделе 5.5, то здесь ограничимся их перечислением:
¨ напряжение смещения нуля ;
¨ температурная чувствительность напряжения смещения нуля ;
¨ ток смещения ;
¨ средний входной ток .
Входные и выходные цепи ОУ представляются входным и выходным сопротивлениями, приводимыми для ОУ без цепей ООС. Для выходной цепи даются также такие параметры, как максимальный выходной ток и минимальное сопротивление нагрузки , а иногда и максимальная емкость нагрузки. Входная цепь ОУ может включать емкость между входами и общей шиной. Упрощенные эквивалентные схемы входной и выходной цепи ОУ представлены на рисунке 6.4.
Среди параметров ОУ следует отметить КОСС и коэффициент ослабления влияния нестабильности источника питания КОВНП=. Оба этих параметра в современных ОУ имеют свои значения в пределах (60…120)дБ.
К энергетическим параметрам ОУ относятся напряжение источников питания ±Е, ток потребления (покоя) и потребляемая мощность. Как правило, составляет десятые доли - десятки миллиампер, а потребляемая мощность, однозначно определяемая , единицы - десятки милливатт.
К максимально допустимым параметрам ОУ относятся:
¨ максимально возможное (неискаженное) выходное напряжение сигнала (обычно чуть меньше Е);
¨ максимально допустимая мощность рассеивания;
¨ рабочий диапазон температур;
¨ максимальное напряжение питания;
¨ максимальное входное дифференциальное напряжение и др.
К частотным параметрам относится абсолютная граничная частота или частота единичного усиления (), т.е. частота, на которой . Иногда используется понятие скорости нарастания и времени установления выходного напряжения, определяемые по реакции ОУ на воздействие скачка напряжения на его входе. Для некоторых ОУ приводятся также дополнительные параметры, отражающие специфическую область их применения.
Амплитудные (передаточные) характеристики ОУ представлены на рисунке 6.5 в виде двух зависимостей для инвертирующего и неинвертирующего входов.
Когда на обоих входах ОУ , то на выходе будет присутствовать напряжение ошибки , определяемое точностными параметрами ОУ (на рисунке 6.5 не показано ввиду его малости).
Частотные свойства ОУ представляются его АЧХ, выполненной в логарифмическом масштабе, . Такая АЧХ называется логарифмической (ЛАЧХ), ее типовой вид приведен на рисунке 6.6 (для ОУ К140УД10).
Частотную зависимость можно представить в виде:
Здесь постоянная времени ОУ, которая при определяет частоту сопряжения (среза) ОУ (см. рисунок 6.6); .
Заменив в выражении для на , получим запись ЛАЧХ:
На НЧ и СЧ , т.е. ЛАЧХ представляет собой прямую, параллельную оси частот. С некоторым приближением можем считать, что в области ВЧ спад происходит со скоростью 20дБ на декаду(6дБ на октаву). Тогда при w>> можно упростить выражение для ЛАЧХ:
Таким образом, ЛАЧХ в области ВЧ представляется прямой линией с наклоном к оси частот 20дБ/дек. Точка пересечения рассмотренных прямых, представляющих ЛАЧХ, соответствует частоте сопряжения (). Разница между реальной ЛАЧХ и идеальной на частоте составляет порядка 3дБ (см. рисунок 6.6), однако для удобства анализа с этим мирятся, и такие графики принято называть диаграммами Боде.
Следует заметить, что скорость спада ЛАЧХ 20дБ/дек характерна для скорректированных ОУ с внешней или внутренней коррекцией, основные принципы которой будут рассмотрены ниже.
Для скорректированного ОУ можно рассчитать на любой частоте f как , а .
На рисунке 6.6 представлена также логарифмическая ФЧХ (ЛФЧХ), представляющая собой зависимость фазового сдвига j выходного сигнала относительно входного от частоты. Реальная ЛФЧХ отличается от представленной не более чем на 6°. Отметим, что и для реального ОУ j=45° на частоте , а на частоте - 90°. Таким образом, собственный фазовый сдвиг рабочего сигнала в скорректированном ОУ в области ВЧ может достигнуть 90°.
Рассмотренные выше параметры и характеристики ОУ описывают его при отсутствии цепей ООС. Однако, как отмечалось, ОУ практически всегда используется с цепями ООС, которые существенно влияют на все его показатели.
6.3. Инвертирующий усилитель
Наиболее часто ОУ используется в инвертирующих и неинвертирующих усилителях. Упрощенная принципиальная схема инвертирующего усилителя на ОУ приведена на рисунке 6.7.
Резистор представляет собой внутреннее сопротивление источника сигнала , посредством ОУ охвачен ||ООСН.
При идеальном ОУ разность напряжений на входных зажимах стремиться к нулю, а поскольку неинвертирующий вход соединен с общей шиной через резистор , то потенциал в точке а тоже должен быть нулевым ("виртуальный нуль", "кажущаяся земля"). В результате можем записать: , т.е. . Отсюда получаем:
т.е. при идеальном ОУ определяется отношением величин внешних резисторов и не зависит от самого ОУ.
Для реального ОУ необходимо учитывать его входной ток , т.е. или , где - напряжение сигнала на инвертирующем входе ОУ, т.е. в точке а. Тогда для реального ОУ получаем:
Нетрудно показать, что при глубине ООС более 10, т.е. , погрешность расчета для случая идеального ОУ не превышает 10%, что вполне достаточно для большинства практических случаев.
Номиналы резисторов в устройствах на ОУ не должны превышать единиц мегом, в противном случае возможна нестабильная работа усилителя из-за токов утечки, входных токов ОУ и т.п. Если в результате расчета величина превысит предельное рекомендуемое значение, то целесообразно использовать Т-образную цепочку ООС, которая при умеренных номиналах резисторов позволяет выполнить функцию эквивалента высокоомного (рисунок 6.7б) . В этом случае можно записать:
На практике часто полагают, что , а величина обычно задана, поэтому определяется достаточно просто.
Входное сопротивление инвертирующего усилителя на ОУ имеет относительно небольшое значение, определяемое параллельной ООС:
т.е. при больших входное сопротивление определяется величиной .
Выходное сопротивление инвертирующего усилителя в реальном ОУ отлично от нуля и определяется как величиной , так и глубиной ООС F. При F>10 можно записать:
С помощью ЛАЧХ ОУ можно представить частотный диапазон инвертирующего усилителя (см. рисунок 6.6), причем
В пределе можно получить , т.е. получить инвертирующий повторитель. В этом случае получаем минимальное выходное сопротивление усилителя на ОУ:
В усилителе на реальном ОУ на выходе усилителя при всегда будет присутствовать напряжение ошибки , порождаемое и . С целью снижения стремятся выровнять эквиваленты резисторов, подключенных к входам ОУ, т.е. взять (см. рисунок 6.7а). При выполнении этого условия для можно записать:
Уменьшение возможно путем подачи дополнительного смещения на неинвертирующий вход (с помощью дополнительного делителя) и уменьшения номиналов применяемых резисторов.
На основе рассмотренного инвертирующего УПТ возможно создание усилителя переменного тока путем включения на вход и выход разделительных конденсаторов, номиналы которых определяются исходя из заданного коэффициента частотных искажений (см. подраздел 2.5).
6.4. Неинвертирующий усилитель
Упрощенная принципиальная схема неинвертирующего усилителя на ОУ приведена на рисунке 6.8.
Нетрудно показать, что в неинвертирующем усилителе ОУ охвачен ПООСН. Поскольку и подаются на разные входы, то для идеального ОУ можно записать:
откуда коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего усилителя:
или
Для неинвертирующего усилителя на реальном ОУ полученные выражения справедливы при глубине ООС F>10.
Входное сопротивление неинвертирующего усилителя велико и определяется глубокой последовательной ООС и высоким значением :
Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя на ОУ определяется как для инвертирующего, т.к. в обоих случаях действует ООС по напряжению:
Расширение полосы рабочих частот в неинвертирующем усилителе достигается также, как и в инвертирующем, т.е.
Для снижения токовой ошибки в неинвертирующем усилителе, аналогично инвертирующему, следует выполнить условие:
Неинвертирующий усилитель часто используют при больших (что возможно за счет большого ), поэтому выполнение этого условия не всегда возможно из-за ограничения на величину номиналов резисторов.
Наличие на инвертирующем входе синфазного сигнала (передаваемого по цепи: неинвертирующий вход ОУ выход ОУ инвертирующий вход ОУ) приводит к увеличению , что является недостатком рассматриваемого усилителя.
При увеличении глубины ООС возможно достижение , т.е. получение неинвертирующего повторителя, схема которого приведена на рисунке 6.9.
Здесь достигнута 100% ПООСН, поэтому данный повторитель имеет максимально большое входное и минимальное выходное сопротивления и используется, как и любой повторитель, в качестве согласующего каскада. Для неинвертирующего повторителя можно записать:
т.е. напряжение ошибки может достигать довольно большой величины.
На основе рассмотренного неинвертирующего УПТ также возможно создание усилителя переменного тока путем включения на вход и выход разделительных конденсаторов, номиналы которых определяются исходя из заданного коэффициента частотных искажений (см. подраздел 2.5).
Помимо инвертирующего и неинвертирующего усилителей на основе ОУ выполняются различные варианты УУ, некоторые из них будут рассмотрены ниже.
6.5. Разновидности УУ на ОУ
На основе ОУ может быть выполнен разностный (дифференциальный) усилитель, схема которого приведена на рисунке 6.10.
Разностный усилитель на ОУ можно рассматривать как совокупность инвертирующего и неинвертирующего вариантов усилителя. Для разностного усилителя можно записать:
Как правило, и , следовательно, . Раскрыв значения коэффициентов усиления, получим:
Для частного случая при получим:
Последнее выражение четко разъясняет происхождение названия и назначение рассматриваемого усилителя.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
