Основы радиосхемотехники / Учебник по САЭУ(2005) / САЭУ кн.2 / Гл.5-3

26

насыщение последующего каскада. Чтобы исключить это явление между каскадами помещают схемы сдвига (трансляторы) уровня постоянной составляющей. Их назначение заключается в том, чтобы на вход последующего каскада передавать без ослабления переменную составляющую предыдущей ступени и обеспечивать необходимое понижение(сдвиг) постоянного потенциала.. На рис.5.9 приведена схема сдвига уровня, представляющая собой вариант ТЗ. Выбором величин сопротивлений R₃,R₄,R₂ устанавливаются токи I₁,I_O и необходимое напряжение смещения U_CМ==

Рис.5.9

I₀ R₂. Поэтому постоянное напряжение на выходе схемы оказывается ниже постоянного напряжения на входе в величину U_СМ. Сопротивление переменному току на участке коллектор VT2- шина питания –Е_П будет существенно больше сопротивления резистора R₂, что обеспечивается наличием последовательной обратной связи по току в правом плече ТЗ. В качестве схем сдвига уровня могут применяться диоды, у которых в открытом состоянии сопротивление постоянному току всегда существенно больше дифференциального сопротивления для переменной составляющей входного сигнала. Такая схема приведена на рис.5.10.

Постоянный ток I₀ создает на последовательно включенных диодах VD1,VD2 напряжение смещения:

U_СМ=U₁₀(VT1)+U₁₀(VT2)+U₁₀(VT3)+U₁₀(VT4),

необходимое для работы выходного двухтактного каскада, изображенного на этом рисунке. Переменная составляющая входного сигнала на базах транзисторов VT1,VT3 оказывается при этом практически одинаковой. Диоды VD1,VD2 обеспечивают также термостабилизацию каскада вследствие того, что входные ВАХ открытых переходов транзисторов VT1,VT2,VT3 изменяются при вариации температуры примерно также, как и вольтамперные характеристики диодов.

На рис.5.11а и 5.11б приведены две схемы сдвига уровня со стабилитронами. Первая из них производит сдвиг постоянной составляющей сигнала U_ВЫХ по отношению к сигналу U_ВХ на величину U_СД=U_СТ+U₁₀,где U_СТ -опорное напряжение стабилитрона,U₁₀-стационарное напряжение открытого перехода транзистора. Вторая схема позволяет увеличить постоянную составляющую выходного сигнала. В качестве стабилитронов используется переход база-эмиттер транзистора, работающего в режиме обратного смещения в области пробоя с напряжением 6-7 В. Схемы сдвига со стабилитронами достаточно просты, но режим близкий к области пробоя вызывает заметный уровень их собственных шумов. Н

Рис.5.12

а рис.5.12 приведена схема, позволяющая получить сдвиг уровня в довольно широких и регулируемых интервалах за счет изменения отношения резисторов R₁, R₂. Из схемы следует, что ток I=I₀+I_Д.

Рис.5.11а Рис.5.11б

Ток делителя I_Д выбирается меньше тока I₀, но на порядок больше стационарного тока базы.. На резисторе R₂ выделяется напряжение U_БЭ=U₁₀= I_ДR₂. Считая ток базы транзистора существенно меньше тока I_Д запишем:

(R₁+R₂)/R₂=U_КЭ/U_БЭ.,

где U_КЭ- напряжение смещения.

Отсюда U_КЭ=(1+R₁/R₂) U_БЭ. Эту схему иногда называют «умножителем напряжения U_БЭ» или « переменным стабилитроном». Схема « переменного стабилитрона» часто применяется в оконечных каскадах усиления мощности для установки необходимого напряжения смещения в предмощных транзисторах (драйверах), входящих в составные транзисторы.

.

Рис.5.12

.

5.4.Операционные усилители

Линейные интегральные усилители могут использоваться для усиления входного сигнала, а также для выполнения различных преобразований аналоговых сигналов. В последнем случае к ним предъявляются особые требования относительно входного и выходного сопротивлений, коэффициента усиления, полосы частот и относительно других показателей. Линейные интегральные усилители удовлетворяющие этим специфическим требованиям принято называть операционными усилителями (ОУ) . Структура ОУ приведена на рис.5.13, из которой следует, что операционный усилитель содержит на входе дифференциальный каскад, схему сдвига уровня и выходной каскад Название «операционный усилитель» первоначально было дано усилителям с большим коэффициентом усиления, разработан­ным для выполнения математических операций сложения, вычитания умножения и деления аналоговых сигналов. Идеальный ОУ должен иметь бесконечно большой коэффициент передачи напряжения, бесконечно большое входное и равное нулю выходное сопротивление. Кроме того, его АЧХ должна быть равномерной начиная от нулевой частоты(постоянная составляющая) до достаточно высоких частот. Невозможность создания идеального ОУ привело к появлению различных типов (семейств) подобных устройств. В пределах физической реализации, каждый тип ОУ стремиться приблизить определенный комплекс своих параметров к идеальному. Схемные решения дифференциальных каскадов, схем сдвига уровней и выходных каскадов ЛИУ и ОУ практически одинаковые. Однако к техническим показателям ОУ предъявляются повышенные требования к ослаблению синфазного сигнала в дифференциальном каскаде, которое составляет 80-100 и выше дБ. Коэффициент усиления дифференциального сигнала К₀ также должен быть достаточно высоким порядка 10⁺⁵-10⁺⁶.

Для обеспечения высокого входного сопротивления и коэффициента усиления ОУ применяются интегральные схемы ДК с использованием в них полевых и биполярных транзисторов ( с применением совмещенной биполярно-полевой технологии). Полевые транзисторы с p-n-переходами используются в ДК для получения высокого входного сопротивления, а также в качестве активных нагрузок дифференциальных каскадов и в устройствах сдвига уровня. Входное сопротивление для дифференциального сигнала в операционном усилителе обычно составляет десятки и сотни мегом. Для получения малого выходного сопротивления часто используется вариант оконечного каскада, приведенного на рис. 5.10, с введением в него дополнительных элементов, обеспечивающих его повышенную стабильность к изменению напряжения питания, защиту от перегрузок и для других целей. Поскольку в таких каскадах имеется глубокая ООС по напряжению, то выходное сопротивление ОУ оказывается достаточно малым и может принимать значения от долей до единиц Ом. Малые нелинейные искажения выходного сигнала обеспечиваются также компенсацией четных гармоник в этом каскаде. Поскольку в ОУ связи между каскадами непосредственные (потенциометрические), то нижняя граничная частота операционных усилителей равна нулю. Верхняя рабочая частота ОУ ограничивается в основном инерционностью транзисторов, входящих в ДК и схему сдвига уровня.

Важным показателем ОУ является также напряжение смещения нуля и входной ток смещения. Напряжение смещения нуля- это напряжение, которое надо приложить между входами ОУ или одним входом, если второй заземляется), чтобы выходное напряжение усилителя стало равным нулю. Напряжение смещения нуля зависит от значения напряжения питания и температуры и составляет в среднем единицы и десятки микровольт (соответственно ток смещения-единицы и десятки наноампер). Чувствительность ОУ оценивается коэффициентом влияния нестабильности источника питания на его напряжение смещения нуля. Способность ОУ реагировать на быстрые изменения входного сигнала оценивается скоростью нарастания его выходного напряжения при подключении ко входу ступенчатого напряжения с максимальной амплитудой величине напряжения питания.

Скорость нарастания выходного напряжения в зависимости от типа ОУ колеблется от долей до десятков, сотен и тысяч В/ мкс. Имеются и иные показатели ОУ, которые связаны с их целевым назначением: прецизионные, быстродействующие, универсальные, малошумящие, многоканальные, с преобразованием сигнала и другие. Микросхемы современных операционных усилителей отличаются малой стоимостью, гибкостью в применении и высокой надежностью. В большинстве случаев схемотехника интегральных ОУ выполняется на хорошо согласованных транзисторах. Согласование достигается за счет размещения элементов схемы с большой плотностью упаковки на одном кристалле и с формированием устройства за один технологический цикл.

В табл. 5.1 приведены для справки параметры некоторых отечественных и зарубежных линейных интегральных усилителей

Таблица 5.1

Параметр	К140УД5Б	К140УД7	μ741	ОРА644- UB
Напряжение смещения,UСМ, мкВ	5	4	1	5
Температурный дрейф, мкВ/0С	10	4	1-5	-
Ток смещения IСМ, мкА	1,5	0,05	0,03	40
Коэффициент усиления дифференциального сигнала	17000	50000	50000	60000
Коэффициент ослабления синфазного сигнала, дБ	-	70	70	85
Частота единичного усиления, МГц	-	-	-	500
Скорость нарастания выходного сигнала, В/мкс	-	0,3	0,5	2500
Входное сопротивление, кОм	10	400	400	500
Выходное сопротивление, кОм	1	1,5	0,75	2 10-3

Обширная справочная литература по отечественным и зарубежным операционным усилителям приведена в [3].

Контрольные вопросы

1.С помощью каких мер повышается плотность упаковки пассивных элементов в линейных интегральных усилителях?

2.Изобразите схему токового зеркала, приведите соотношение для расчета сопротивления, которое обеспечивает заданное отношение токов в этой схеме.

3.Объясните наличие последовательной обратной связи по току в той ветви токового зеркала, где включено добавочное сопротивление. Почему эта ветвь можно использовать в качестве генератора стабильного тока в дифференциальных каскадах?

4. Поясните работу токового зеркала в качестве активной нагрузки дифференциальных каскадов и при переходе от симметричного к несимметричному выходу ДК.

5. Объясните, почему в одном из плеч ДК с активной нагрузкой не происходит усиление дифференциального сигнала?

6. Приведите схему типового выходного каскада линейного интегрального усилителя. Для чего в выходных каскадах ЛИУ используется глубокая последовательная отрицательная обратная связь по напряжению?

7.Приведите схему сдвига уровня с использованием последовательно включенных диодов. Покажите, как будет изменяться сопротивление постоянному и переменному току в этой схеме при увеличении числа диодов. Положите при этом, что вольтамперные характеристики диодов одинаковые.

8. С какой целью в составных транзисторах используется схема токового зеркала, которая включается между эмиттером первого транзистора и базой второго?

9.Перечислите основные показатели операционных усилителей, приведите количественные данные этих показателей в отношении входного и выходного сопротивлений, коэффициента усиления дифференциального сигнала и коэффициента ослабления синфазного сигнала.

10.Объясните, операционный усилитель в устройствах усиления сигнала применяется чаще всего при введения в него внешней глубокой отрицательной обратной связи?

11. Какими способами обеспечивается устойчивость операционного усилителя при наличии в нем большого коэффициента усиления дифференциального сигнала?