1.5. 2.2 Операционный каскад усилителя

Операционными усилителями ( ОУ) представляет собой усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления, дифференциальным входом и малым значением напряжения смещения нуля и входного тока. . Кроме того, к ОУ предъявляются в большинстве случаев требование согласования входных и выходных напряжений по постоянной составляющей, что необходимо в тех случаях, когда ОУ охватывается обратной связью, пропускающий на вход постоянную составляющую выходного сигнала.

Термин "операционный усилитель" возник в аналоговой вычис­лительной техники, где подобные усилители с соответствующими обратными связями, применялись для модулирования различных мате­матических операций (интегрирование, суммирование и т.д.).

По принципу действия ОУ сходен с обычным усилителем. Как и обычный усилитель, он предназначен для усиления напряжения или мощности входного сигнала. Однако, тогда как свойства и параметры обычного усилителя полностью определены его схемой, свойства и параметры ОУ определяются преимущественно параметрами обратной связи. ОУ выполняют по схеме усилителей постоянного тока с нулевы­ми значениями входного напряжения смещения нуля и выходного напряжения. Они характеризуются также большим коэффициентом

усиле­ния, высоким входным и низким выходным сопротивлением.

В настоящее время ОУ выполняются, как правило, в виде монолит­ных интегральных микросхем и по своим размерам и цене практически не отличаются от отдельно взятого транзистора. Благодаря практически идеальным характеристикам операционных усилителей реализация схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах.

а) обозначение по ГОСТ ;

б) обозначение в технической литературе

Рисунок 1.63 - Условное обозначение операционного усилителя

Операционный усилитель (условное обозначение которого показа­но на рисунке 1.63) имеет один или два входа. ОУ, имеющий два сим­метричных входа, выходной сигнал которого является функцией разности вход­ного напряжения или тока,

142

называется дифференциальным., полусуммы входных напряжений называется синфазным входным напряжением. Один из входов (обозначается " о ") называется инвертирующим и характери­зуется изменением фазы выходного сигнала на 180°. Второй вход ОУ называется неинвертирующим. Входной и выходной сигналы синфазны. Выводы +U, -U ,┴ предназначены для подключения ОУ к двухполярному источнику электропитания. напряжения при отсутствии постоянного сигнала на входе. Выводы FC предназначены для коррекции частотной характеристики ОУ. Для компенсации смещения к выводам NC подключаются перемен­ные резисторы.

Структурная электрическая схема приведена на рисунке 1.64.

Рисунок 1.64 - Структурная схема операционного усилителя (а) и его

передаточная характеристика (б)

Схема структурная ОУ определяется входным каскадом, построенным по схеме дифференциального каскада с эмиттерной связью и резисторами нагрузки. Поскольку входное сопротивление дифферен­циального каскада обратно пропорционально уровню рабочего тока I_оду, то этот ток выбирается на уровне десятков микроампер [ напомним, что при уменьшении уровня тока I_оду улучшаются дрейфо­вые и шумовые параметры дифференциального усилителя (ДУ) ]. Из-за малого уровня тока I_оду простой ДУ обладает малым коэффициен­том усиления. Малое значение коэффициента усиления вынуждает использовать с схеме последующий каскад усиления напряжения ( УН ), а повышение постоянного уровня - влечёт за собой применение специального каскада для сдвига потенциалов из положительной облас­ти в отрицательную, чтобы затем получить двухполярный выходной сигнал. Схемы сдвига уровня, интегрирующее звено и формирователь выходного сигнала обычно совмещается в каскаде - усилитель ампли­туды сигнала ( УАС ). Для перехода к низкоомной нагрузке практически все ОУ заканчиваются повторителями напряжения

(ПН ),которые почти не участвуют в формировании коэффициента усиления, но

опре­деляют нагрузочную способность ОУ. Каскады УН и УАС различаются тем, что первый работает в режиме малых сигналов, а второй - в режи­ме большого

143

сигнала. Условно можно сказать, что амплитуда сигнала в первом каскаде много меньше, чем во втором - соизмерима с уров­нем питающих напряжений .+U и -U. Полный коэффициент передачи ОУ:

K_∑=K₁·K₂·K₃·К₄ = S₁ / w·C_к, ( 1.59)

где S₁- крутизна первого дифференциального каскада;

w - частота переменного гармонического входного сигнала;

С_к - ёмкость коррекции.

Формула показывает, что с ростом частоты w коэффициент усиле­ния ОУ понижается. Крутизна S₁ дифференциального каскада и ём­кость коррекции С_к влияют на скорость снижения коэффициента усиления ОУ. В то же время этой формулой нельзя пользоваться, если частота w—>0, так как в этом случае К →∞. Иначе говоря, эта формула отражает на постоянном токе свойства идеального ОУ. Поэтому в реальном усилителе рост коэффициента усиления будет продолжаться до тех пор, пока он не станет равным значению K(w=0) на постоянном напряжении. График зависимости коэффициента усиления ОУ от частоты входного сигнала приведена на рисунке 1.65,а. Этот график пос­троен в логарифмическом масштабе по формуле

K = 201g(S₁/w·Cк) [дБ], ( 1.60)

где К [дБ]- коэффициент усиления в децибелах.

Пользуясь частотной зависимостью коэффициента усиления, мож­но определить предельную частоту ОУ, на которой коэффициент уси­ления становится равным единице (или К(w_пр) = 0дБ):

W_np = S₁ / C_K . ( 1.61 )

Рисунок 1.65 – Графики частотной зависимости коэффициента усиления

ОУ (а) и максимальной амплитуды выходного сигнала (б)

144

Динамические свойства ОУ часто описывают при помощи скорос­ти нарастания выходного напряжения V_Uвых. Следует отметить, что для определения скорости нарастания на вход ОУ необходимо подавать столь большое входное напряжение, чтобы дифференциальный кас­кад полностью переключался из одного состояния в другое. Ёмкость С_к должна быть настолько большой, чтобы усилитель имел устойчивый запас по фазе на частоте w_np (т.е. дополнительный набег фазы не пре­вышает 90°). Это позволяет использовать ОУ с замкнутой обратной связью без опасности его самовозбуждения. Уменьшение ёмкости С_к приводит к увеличению усиления и максимальной скорости нараста­ния, однако это можно сделать только в том случае, если коррекция выполняется внешним элементом.

Применение ОУ. Неинвертирующий и инвертирующий усилитель.

На рисунке 1.66 приведена схема неинвертирующего усилителя ( не меняющего полярность усиливаемых сигналов ), где сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ через разделительную цепочку С₁R₁ . Цепочка С₂R₂ служит для коррекции частотной характеристики устройства на высоких частотах и устраняет возможности самовозбуждения ОУ.

Рисунок 1.66 – Схема принципиальная неинвертирующего усилителя выполненного на

ОУ

Для стабилизации коэффициента усиления устройства, улучшения его характеристик, уменьшения коэффициента гармоник и т.д. с выхода ОУ на его инвертирующий вход подана последовательная обратная связь по напряжению. Глубина обратной связи определяется коэффициентом деления делителя R₃ / R₄ . Коэффициент усиления такого устройства практически равен

К_uнеин. = 1 + R₃ / R₄ . ( 1. 62 )

И его можно изменять изменением сопротивления резистора R₃ .

145

Рисунок 1.67 - Схема принципиальная инвертирующего усилителя выполненного на ОУ

На рисунке 1.67 приведена схема инвертирующего усилителя ( меняющего полярность усиливаемых сигналов ), где сигнал подается на инвертирующий вход ОУ через разделительную цепочку С₁R₁ . Цепочка С₂ служит для коррекции частотной характеристики устройства на высоких частотах и устраняет возможности самовозбуждения ОУ. Для стабилизации коэффициента усиления устройства, улучшения его характеристик, уменьшения коэффициента гармоник и т.д. с выхода ОУ на его инвертирующий вход подана параллельная обратная связь по напряжению. Глубина обратной связи определяется коэффициентом деления делителя

R₂ / R₁ . Коэффициент усиления такого устройства практически равен

К_{u ин.} = - R₂ / R₁ . ( 1. 63 )

И его можно изменять изменением сопротивления резистора R₂ .

Дополнительный материал к лекции 10 для самостоятельной работы

Дифференциальный каскад с динамической нагрузкой « токового

зеркала»

Использование транзисторов в качестве динамической нагрузки позволяет значительно увеличить коэффициент усиления дифференциального каскада ( ДК) (до 60 дБ). Принципиальная схема ДК с динамической нагрузкой при­ведена на рисунке 1.68. Здесь функцию динамической нагрузки вы­полняют транзисторы VT₃ и VT₄ р—п—р - типа с одинаковыми па­раметрами. При прохождении коллекторного тока I_к1 по цепи + Е_К1 , VT₃, VT₁ на транзисторе VT₃, выполняющем роль диода, создается падение напряжения U_бэVТз , определяющее значение U_бэvt4 . Поскольку транзисторы VT₃ и VT₄ близки по парамет­рам, то ток I_к1 =I_к4. Каскад на транзисторах VT₃ и VT₄ назы­вается «токовым зеркалом». Достоинства каскада: равенство то­ков I_к1 , I_к2 ; высокое дифференциальное сопротивление перемен­ному сигналу и значительно меньшее — постоянному

146

току. В при­веденной схеме выходной ток несколько изменяется при изменении выходного напряжения, т. е. выходное сопротивление каскада не­достаточно велико.

Рисунок 1.68 - Принципиальная схема ДК с динамической нагрузкой

Параметры операционного усилителя

Параметры, определяемые из передаточной характеристики.

1. Динамический диапазон по выходу, соответствующий максимальному размаху выходного сигнала U_{вых м} = U⁺ -U^- при напряжении питания ±Е. Типичное отношение U_{вых м} / Е = 0,7…0,8 при Е = ±(5+15) В. Здесь и далее будут приводиться типичные параметры наиболее распространенных ОУ широкого применения.

2. Дифференциальный коэффициент усиления К_Д, характе­ризующий наклон на линейном участке, К_Д = ∆U_ВЫХ /∆U_вх. Ти­пичный К_Д ≈≈ 10⁵…10⁴.

3. Напряжение смещения нуля U_смQ характеризует асимметрию входного дифференциального каскада. Типичное U_см0 ≈ 10^-4…10^-3 В. Смещение нуля ОУ наглядно проявляется в схеме разомкнутого ОУ с нулевым входным сигналом . Если U_см0> 1 мВ, то расчетное значение U_вых = ±К_Д U_cm0 > ±100 В, а это значит, что ОУ «свалится» в насыщение.

147

Входные характеристики ОУ.

Входной дифференциальный каскад определяет входные характеристики ОУ, к которым от­носятся следующие:

1 Средний входной ток операционного усилителя I_ср =0,5(I⁺_вх + I^- _вх). Типичная величина I_ср ≈ 10 ^-6…10^-8 А.

2 Разность входных токов I_вх = I⁺_вх + I^- _вх характеризует асимметрию ОУ по входу, а следовательно его качество и уро­вень технологии. Типичная величина

I_вх = (0,2…0,5) I_ср.

3 Входное сопротивление г_вх дифференциальному сигналу источника U_c с конечным выходным сопротивлением R_с . Для биполярных ОУ г_вх ≈ 10⁴…10⁶ Ом, для униполяр­ных ОУ г_вх > 10⁷…10⁸ Ом.

4 Входное сопротивление синфазному сигналу г_с (рисунок 1.69). Для биполярных ОУ r_с > 10⁷…10⁸ Ом, для униполярных ОУ г_с >10⁹ Ом. Независимо от технологии г_с > г_вх.

Рисунок 1.69 - Входные и выходные цепи ОУ

Выходное сопротивление усилителя г_вых0 (в схеме рисунок 1.69) определяется структурой выходных каскадов и в исходном (разомкнутом) состоянии типичное значение г_вых0 ≈ 10⁴ …10³ Ом.

Усиление синфазной составляющей в сигнале также опреде­ляется асимметрией ОУ по входу.

Коэффициент передачи синфазного сигнала К_с = ∆U_ВЫХ/Е_С (в схеме рисунок 1.69) имеет конечное и отличное от нуля значение. В технических условиях на ОУ обычно приводится не величина К_с, а коэффициент ослабления синфазного сигнала в логариф­мической форме

КОСС = 20 1g(К_д /К_с). ( 1.64 )

Типичное значение КОСС = 70…100 дБ. Этот параметр харак­теризует способность ОУ подавлять синфазные помехи.

Многие из перечисленных параметров ОУ (входные токи, со­противления, коэффициент передачи по постоянному току, на­пряжения смещения нуля и т. д.) в сильной степени зависят от температуры, напряжения питания и других дестабилизирую­щих факторов.

148

Зависимость параметров ОУ от температуры.

1. Величина К_Д. в температурном диапазоне ∆T может изменяться в 3-5 раз. Например, если в ТУ указано, что К_Д > 10⁵ , то реально К_Д может изменяться в диапазоне (1…5) • 10⁵ .

2. Изменение величины U_см0 в температурном диапазоне ап­проксимируется линейной зависимостью

U_MС (T) = U_смо + ТК( U_см0) • ∆T, (1.65)

где ТК(U_см0) = ∆U_см0/∆Т — температурный коэффициент напря­жения U_см0. Типичная величина ТК(U_см0) = (0,5…20) мкВ/°С. Например, если ∆T = 50 °С, то при ТК(U_см0) = 20 мкВ/°С допол­нительное изменение ∆U_см0 = 1 мВ.

3. Аналогичную температурную зависимость имеет ∆I_вх. Ти­пичное значение ТК(∆I_ВХ) = (10…100) нА/°С.

Зависимость параметров ОУ от напряжения питания.

Из­менение напряжения питания Е наиболее значительно влияет на U_см0. Это влияние в инженерных расчетах аппроксимируется линейной зависимостью

U_cm0(E) = U_см0 + КВИП • Е. ( 1.66 )

где КВИП = ∆U_См0/∆Е — коэффициент влияния источников пи­тания на U_cm0. Типичные величины КВИП ≈ (50…150) мкВ/В. Например, если Е = ±(15 В ± 10%) и КВИП = 100 мкВ/В, то U_см0(Е) = 1,5 • 100 • 10^-6 = ±0,15 мВ. Величина КВИП в силь­ной степени уменьшается с частотой, что вызывает необходи­мость дополнительной фильтрации импульсных помех по це­пям питания. Обычно это достигается установкой керамических конденсаторов на шины питания в непосредст­венной близости от микросхем ОУ.

Средний временной дрейф U_См0.

Этот параметр характеризует долговременную стабильность, нормируется только для преци­зионных ОУ и составляет единицы мкВ/месяц.

Из обобщения рассмотренных параметров ОУ может быть со­ставлена его эквивалентная схема, которая отражает основные статические параметры ОУ и систему его ошибок. Эк­вивалентная схема включает выходной идеальный усилитель К₂ с усилением на постоянном токе К_Д = К₀ и выходным сопро­тивлением г_вых0, входные цепи с сопротивлениями г_д = г_вх, г_с и источниками входных токов I_вх, цепи формирования ошибок с U_см0, источником КВИП и цепь передачи синфазного сигнала на идеальном усилителе К₁.

Таким образом, на входе выходного каскада К₂ присутствует и усиливается сигнал

U_с1 = U_C + U_см0 + (КВИП • ∆ Е) + ∆I_вх г_с + E_с К_C, , ( 1.67)

где только U_c — полезный сигнал, а все остальные термы выра­жения отражают погрешности ОУ, R_c - выходное сопротивле­ние источника сигнала (по умолчанию R_с< г_д = г_вх· r_с).

Предельные эксплуатационные режимы.

ОУ характеризует­ся также системой предельных эксплуатационных режимов,

149

в которых гарантируется соответствие ОУ параметрам, записан­ным в ТУ.

1. Рабочий температурный диапазон окружающей среды Т_окр. По температурному диапазону различают три основные катего­рии операционных усилителей с индексами С, I, М (США):

С — коммерческая аппаратура, Т_окр = (-10… +55) °С.

I — промышленная аппаратура, Т_окр = (-40… +85) °С.

М — военная аппаратура, Т_окр = (-55… +125) °С.

Примерно такие же температурные диапазоны существуют и в России.

2. Температурный диапазон хранения Т_хр. Обычно Т_хр>Т_окр (Т_{хр макс}<150°С). '

3. Предельно допустимые входные напряжения: дифферен­циальное U_дмакс и синфазное Е_{с макс}. Обычно эти величины не превышают напряжения питания ОУ.

3. Максимальной ток нагрузки I_{н макс}. Типичные величины I_{н макс} =10…20 мA.

5. Максимально допустимая температура кристалла ( Т_{кр max} < 150 °С для кремния).

6. Тепловое сопротивление «кристалл — корпус» R_θ1, позво­ляющее оценить температуру кристалла при потребляемой мощности Р.

Т_кр ⁼ Т_окР + (R_θ1 + R_θ2) Р, ( 1.68 )

где R_θ2 — тепловое сопротивление «корпус — среда».

7. Допустимые механические нагрузки (вибрация, удары, ускорения, акустический шум и др.).

Динамические свойства ОУ.

Все параметры ОУ в той или иной степени зависят от частоты входного сигнала. Различают два режима работы ОУ:

1. Режим малого сигнала, когда все каскады операционного усилителя работают в линейной области.

2. Режим большого сигнала, когда некоторые каскады ухо­дят в насыщение и работают на пределе своих возможностей. Этому режиму соответствует, например, работа ОУ в режиме компаратора, когда весь ток источника I₀ переключается в одно из плеч дифкаскада и заряжает емкость нагрузки С_н. При этом скорость нарастания напряжения на емкости будет ограничива­ться величиной |dC/dt| < I₀ /С_н.

В простейшем случае ОУ в линейной области моделируется в виде звена первого порядка (рисунок 1.70), т. е. представляется в виде последовательности: идеальный (безынерционный) ОУ и .RC-цепочка, где R характеризует выходное сопротивление ОУ, а С — паразитные емкости внутри операционного усилителя.

150

Эта схема соответствует фильтру низких частот (ФНЧ) с пе­редаточной функцией

W = К [ 1 /(1 + pτ )] ( 1.69 )

где τ = RC, р = jw. Представляя передаточную функцию в комп­лексном виде и разделяя действительную а₁ и мнимую а₂ части, можно найти амплитудно-частотную (АЧХ) и фазо-частотную (ФЧХ) характеристики звена:

|W| = √ а²₁ +а²₂ = К / √ 1 +[w/w_ср]² , ( 1.70 )

φ = arctg a₂ /a₁ = - arctg (w/w_ср)² , ( 1.71 )

где w _ср = 1/τ — частота среза, на которой модуль коэффициента передачи уменьшается в √ 2 раз (на 3 дБ), а фаза достигает -45° . За частотой среза АЧХ убывает с наклоном -20 дБ/дек, а фаза достигает -90°. На этой же диаграмме отме­чена f_Т — частота единичного усиления. Она характеризует пре­дельные частотные возможности по усилению ОУ. Типичная величина f_т = 1…100 МГц.

Рисунок 1.70 - Динамическая модель ОУ в области малого сигнала

В области большого сигнала используется понятие крутизны р = |dU/dt|_макс, характеризующей максимальную скорость изме­нения выходного сигнала при подаче на вход ОУ ступенчатого сигнала U_c. Крутизна определяется на линейном участке пере­ходной характеристики, как р = ∆U_BbIX/∆t. Типичная величина

р ≈ 1…50 В/мкс.

Между областями большого и малого сигналов существует простая связь. Пусть на входе и выходе ОУ сигнал гармониче­ский: U_вых = U₀ • sin wt. Тогда максимальная крутизна сигнала ( dU_вых /dt ) = U₀ w она не может превысить крутизну уси­лителя, т. е.

U₀ w < р , ( 1.72 )

Так как w = 2π • f, то неравенство ( 1.72 ) может быть записано в виде

U₀ 2π f < p. (1.73)

Неравенства (1.72) и (1.73) позволяют установить связь между ам­плитудой неискаженной передачи сигнала на данной частоте и крутизной ОУ, а также определить так называемую мощностную полосу f_р пропускания ОУ, в которой реализуется полный динамический диапазон ОУ по выходу.

151

Вторым параметром, характеризующим быстродействие ОУ в режиме большого сигнала, является время установления вы­ходного сигнала.

Время установления (t_уст) выходного сигнала — максималь­ное время, за которое выходной сигнал входит в так называе­мую «трубку» допустимых отклонений ∆_доп от установившегося значения U_уст . Время установления зависит от ∆_доп и характера переходного процесса. Для экспоненциального пере­ходного процесса

U_вых = U_уст • (1 – e^-t/τ), ( 1.74 )

t_yст = τ • ln (1/δ), (1.75 )

где τ — постоянная времени, δ — относительная погрешность установления выходного сигнала. Для δ = 0,1% типичное значе­ние t_yCT ≈ 0,1…0,5 мкс. Этот параметр особенно важен для техники ЦАП/АЦП.

Время установления (крутизна ОУ) в общем случае обратно пропорционально частоте единичного усиления f_т. В инженерной практике полезно также пользоваться приближенным соотноше­нием для оценки времени установления по уровню 0,9 • U_вых,_уст:

t_ycT < 0,3/f_Т . ( 1.76 )

Вопросы для самопроверки

1. Перечислите основные достоинства дифференциальных каскадов.

2. Приведите схему дифференциального каскада и поясните её работу.

3. Что называется коэффициентом подавления синфазного сигна­ла.

4. Нарисуйте схему дифференциального каскада с генератором стабильного тока и поясните её работу.

5. Нарисуйте схему балансного усилителя постоянного тока и поясните её работу.

6. Нарисуйте вольтамперную характеристику генератора стабильного тока и поясните на ней как определяется сопротивления .

7. Перечислите недостатки несимметричного дифференциального каскада.

8. Для чего применяются в дифференциальных каскадах стабили-­ заторы тока?

9. Перечислите основные характеристики идеального операционного усилителя.

10. Нарисуйте передаточную характеристику операционного усилителя.

11. Какая разница между инвертирующим и неинвертирующим усилителем ?

12 Какую функцию выполняют транзисторы в дифференциальном каскаде

включенные по схеме « токового зеркала» ?

13 Нарисуйте структурную схему операционного усилителя .

14 Напишите формулу определения коэффициента усиления в инвертирующем

усилителе.

152

Примеры задач до темы лекции 10

Задача 1

Определить коэффициент усиления неинвертирующего усилителя на баз операционного усилителя (ОУ), если напряжение на входе усилителя U_вх = 100 мВ, а на выходе ОП— U_вых = 10,0 В.

Решение: Коэффициент усиления неінвертувального усилителя на базе ОП вычисляем за выражением

К_U = U_вых / U_вх ,

К_U = 10 / 0.1 = 100

Задача 2

На вход інвертирующего усилителя на базе операционного усилителя (ОУ) подано входное напряжение U_вх = 100мВ. Вычислить сопротивление резистора в цепи обратной связи ОУ, если U_вых = -9,2 В ,сопротивление резистора на інвертувальному входе ОУ R ₁= 15кОм.

Решение:

1 Коэффициент усиления інвертирующего усилителя на ОУ равняется

К_U = U_вых / U_вх ,

К_U = -9,1/0,1 = -92.

2 Коэффициент усиления ОУ также можно определить по формуле

К_U = R₂ /R₁,

Откуда

R₂ = К_U· R₁ ,

R₂ = 92· 15 ·10³ = 1,38 ·10⁶ Ом

Задача 3

На вход неинвертирующего усилителя на базе ОУ подано входное напряжение U_вх = 120мВ. Вычислить напряжение на выходе усилителя, если резистор в цепи обратной связи ОУ R₂ = 1,0 Мом, а сопротивление резистора на инвертирующем входе ОУ R ₁ = 20 кОм.

Решение:

1 Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя на ОУ равен

К_U = 1 + R₂ /R₁ ,

К_U = 1 + 1 ·10⁶ / 20 ·10³ = 51,

153

где R₁ — резистор на инвертирующем входе ОУ; R₂ — резистор в цепи обратной связи ОУ.

2 Напряжение на выходе ОП равна

U_вых =К_U · U_вх

U_вых = 51 · 0,12 = 6,12 В.

Задача 4

В дифференциальном каскаде ( рисунок 1.61 ) использованы транзисторы с сопротивлением эмиттера r_э = 250 Ом и с емкостью С_КБ = 5 пФ. Резисторы

R₄=R₅ = R₄ = 75 кОм. Динамическое сопротивление нагрузки каскада за счет применения токового зеркала составляет

R_н = 500 кОм. Определить полосу пропускания каскада f_п .

Решение :

1 Коэффициент усиления дифференциального каскада равен

К_диф. ≈ R₄ / 2· r_э ,

К_диф. ≈ 75 10³ /2· 250 ≈ 150

2 Постоянная времени дифференциального каскада равна

τ_ду = ( 1 + К_диф )· R_н ·С_КБ ,

τ_ду = ( 1 + 150)· 500· 10^3· 5· 10^-12 =0,38 мс.

3 Полоса пропускания каскада равна

f_п = 1 / ( 1· π ·τ_ду ) ,

f_п = 1 / ( 1· 3,14 ·0,38 ·10^-3 ) = 840 Гц.

т.е. довольна узкая.

Задача 5

Определить мощностную полосу и амплитуду неискаженной передачи сигнала для ОУ с параметрами : U_н = ±10 В , f_Т = 1 МГц - частота единичного усиления ,

p= 1 В/мкс – крутизна ОУ, если частота входного сигнала f = 100 кГц.

154

Решение :

1 Максимальная амплитуда входного сигнала равна

U_м ≈ p / (2π · f),

U_м ≈ 1 / 2 3,14 100 10³ = 1.5 В

2 Мощностная полоса пропускания f_р операционного усилителя равна

f_р ≈ p / (2π · U_м),

f_р ≈ 1 / ( 2 ·3.14· 1.5 ) ≈16 кГц

таким образом, несмотря на то, что ОУ имеет диапазон сигнала по выходу ±10 В и полосу пропускания в 1 МГц, крутизна ограничивает амплитуду неискаженной передачи сигнала на частоте в 100 кГц на уровне 1,5 В, а мощностная полоса составляет всего 16 кГц.

Задачи для самостоятельной работы

1 В неинвертирующем усилителе на базе ОУ сопротивление в цепи обратной связи

820 кОм, а сопротивление резистора на входе ОУ 20 кОм. Определить его коэффициент усиления.

2 Напряжение на входе инвертирующего усилителя на базе ОУ U_вх =60 мВ, а на выходе ОП - U_вых = -9,0 В.Определите коэффициент усиления.

3 Вычислить сопротивление резистора в цепи обратной связи инвертирущего усилителя на базе ОУ, в котором сопротивление резистора в инвертирующем усилителе входе ОУ 18кОм. Входное напряжение усилителя U_вх = 50 мВ, а напряжение на выходе U_вых = -8,0 В.

4 Входное напряжение инвертирующего усилителя на базе ОУ U_вх=20мВ. Вычислить напряжение на выходе усилителя, если резистор в цепи обратной связи ОУ 910 кОм, а сопротивление резистора на инвертирующем входе ОУ 20 кОм.

5 Определить напряжение обратной связи U_зв.з усилителя на базе ОУ, если его исходное напряжение U_вых =8 В. Сопротивление резисторов на инвертирующем входе и в цепи обратной связи ОУ соответственно равняются R₁ = 30 кОм, R₂ = 1,2 Мом.

6 Определить максимальную амплитуду входного напряжения усилителя на базе ОУ 140УД10, которая будет вызывать изменение исходного напряжения, если коэффициент усиления К_U = 80.

7 В дифференциальном каскаде ( рисунок 1.61 ) использованы транзисторы с сопротивлением эмиттера r_э = 350 Ом и с емкостью С_КБ = 10 пФ. Резисторы

R₄=R₅ = R₄ = 100 кОм. Динамическое сопротивление нагрузки каскада за счет применения токового зеркала составляет

R_н = 800 кОм. Определить полосу пропускания каскада f_п .

155

8 Определить мощностную полосу и амплитуду неискаженной передачи сигнала для ОУ с параметрами : U_н = ±12 В , f_Т = 2 МГц - частота единичного усиления ,

p= 2 В/мкс – крутизна ОУ, если частота входного сигнала f = 200 кГц.

Литература

Основная

1 Гольцев В.Р., Богун В.Д. , Хиленко В.И. Электронные усилители Стандарты,1990. с.123... 150.

2 Цыкина А.В. Электронные усилители. М.: Радио и связь, 1982 с. 227...237. '

3 Федосеева Е.О. Усилительные усилители киноустанок.-М.: Искуство,1979. с.199...203.

4 Колонтаевський Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та

мікросхематехніка : теорія i практикум.-К.: Каравела,2003.с.108 …119

5 Топильский В.Б. Схемотехника измерительных устройств / В.Б.

Топильский.- М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. 232с – с.37…52.

Дополнительная

1 Криштанович А.К., Трифонюк В.В. Основы промышленной электроники.-М.: Высшая школа, 1985.С. 124...142

2 Джонс М.Х. Электроника – практический курс.М.: Постмаркет, 1999.

с.181... 199.

3 Прянишников В.А. Электроника : Полный курс лекций. – 4-е мзд.- СПб.:

КОРОНА принт, 2004. – 416 с . – 193 ...196.

4 Стахів П.Г., Коруд В.І. , Гамола О Є. Основи електроніки : функціональні

елементи та їх застосування. Підручник для студентів неелектротехнічних

спеціальностей вищих навчальних закладів. – Львів: : « Новий Світ – 2000»; «

Магнолія плюс». – 2003. – 208 с.-83...94.

5 Волович Г.И. Схемотехника аналоговіх и аналого-цифровіх єлектронніх

устройств. 2-е изд., испр. – М .: Издательский дом « Додєка- ХХ1», 2007,-

528с. - с. 13 - 75.

6 Дуглас Селф Пректирование усилителей мощности звуковой частоты.

Третье издание. – М.: ДИК Пресс, 2009.-536с: -с 87...107

7 Долженко О.В., Королев Г.В. Сборник задач и упражнений по

Радиоэлектронике : Учеб. пособие для сред. ПТУ.- 2-е изд., перераб. и доп.

М.: Высш.шк., 1986. – с.44...48.

156

Лекция 11

Экспресс - проверка знаний пройденного материал :

1 Нарисуйте схему дифференциального каскада с симметричным выходом

2 Нарисуйте схему транзисторного генератора стабильного тока (ГСТ).

3 Нарисуйте условное обозначение операционного усилителя на схемах.

4 Нарисуйте структурную схему операционного усилителя (а) и его

передаточную характеристику (б).

5 Нарисуйте схему принципиальную неинвертирующего усилителя выполненного на

ОУ.

6 Нарисуйте схему принципиальную инвертирующего усилителя выполненного на ОУ.

После изучения лекции 11 студент должен знать : работу широкополосных усилителей и их характеристики.

Уметь: пояснить работу широкополосных усилителей, а также уметь нарисовать схемы широкополосных усилителей.

План ( логика ) изложения материала

1.5.3 Широкополосные усилители

1.5.3.1 Особенности широкополосных усилителей

1.5.3.2 Выбор усилительных элементов и способов включения

1.5.3.3 Специальные схематические решения

1.5.3.4 Схема коррекции с обратной связью

Дополнительный материал к лекции 11 для самостоятельной работы

1.5.3 Широкополосные усилители

1.5.3.1 Особенности широкополосных усилителей

Широкополосные усилители предназначены для усиления сигна­лов в диапазоне частот, составляющих от десятков герц до сотен мегагерц. При усилении импульсных сигналов широкополосные усилители называются импульсными. Так как в широкополосных усили­телях требуется усиливать электрические сигналы в очень широком частотном диапазоне, то в них используются резисторные каскады (имеющие наилучшие частотные, фазовые и переходные характерис­тики), дополненные для расширения полосы пропускания усиливае­мых частот специальными корректирующими цепями. Широкополос­ные каскады с коррекцией для усиления как гармонических, так и импульсных сигналов, для широкополосного усиления. используются специальные транзисторы, называемые высокочастотными, имеющие высокую предельную частоту коэффициента передачи тока. Транзис­торы в широкополосных каскадах обычно включают по схеме с общим эмит­тером или истоком.

Для увеличения полосы пропускания частот надо уменьшить величину коллекторного сопротивления R_k. Но с уменьшением R_k снижается коэффициент усиления каскада, поэтому широкополосные каскады имеют сравнительно небольшой коэффициент усиления, тем меньший, чем выше верхняя рабочая

157

частота f_в. Малое значение К_ср иметь невыгодно, так как это заставляет увеличивать число каскадов усилителя, что усложняет и удорожает усилитель и уменьшает на­дёжность его работы. Поэтому важным показателем

широкополос­ного каскада, характеризующим его качество, является, произведение коэффициента усиления напряжения в области средних частот Кср на верхнию частоту fв.г.(rpaничная чатота при допустимом частот­ном искажении 3 дБ), пропорциональное площади частотной характеристики: обозначим это произведение через П и назовём площадью усиления каскада:

П=K_cp·f_в.г , ( 1.77 )

К методам увеличения площади усиления относятся: рациональ­ный выбор усилительных элементов и способов их включения; специальные схемотехнические решения ; введения частотно-зависи­мой обратной связи.