30. Диф усилитель

Дифференциальный усилитель (ДУ) является основным узлом важнейшего элемента аналоговой интегральной электроники – операционного усилителя (ОУ). Схема ДУ показана на рис. 10.1. Он состоит из двух одинаковых (симметричных) плеч, каждое из которых содержит транзистор и резистор. Выходным напряжением является разность коллекторных потенциалов, а входным – разность базовых потенциалов.

Рис. 10.1. Дифференциальный усилитель

В общую эмиттерную цепь включен источник тока I₀ (генератор тока). Он обеспечивает постоянство суммы

I_э1 + I_э2 = I₀ = const

и стабильность рабочей точки токов I_э0 и напряжений U_к0.

Принцип действия

В основу ДУ положена идеальная симметрия его плеч, т. е. идентичность параметров транзис-торов Т1, Т2 и равенство сопротивлений R_к1, R_к2. При этом в отсутствии сигнала токи через транзисторы и коллекторные потенциалы будут одинаковы, а выходное напряжение будет равно нулю. Нулевое значение U_вых так же сохраняется при одновременном и одинаковом изменении токов в обоих плечах. Таким образом, в идеальном ДУ дрейф выходного напряжения отсутствует, хотя в каждом из плеч он может быть сравнительно большим.

Подадим на базы транзисторов одинаковые по величине и совпадающие по фазе напряжения U_б1 = U_б2 (синфазные сигналы). Если источник тока I₀ идеальный (т. е. R_i = ), то токи в обеих ветвях и коллекторные потенциалы останутся неизменными и выходное напряжение U_вых останется равным нулю. Если R_i  , то появится приращение тока I₀, но оно распределится поровну между обеими ветвями ДУ и коллекторные потенциалы изменятся одинаково и сохранится U_вых = 0.

Если подать на базы напряжения равной величины, но противо-

положных знаков (U_б1 и U_б2 = – U_б1), т. е. дифференциальные сигналы, то их разность по определению будет входным сигналом ДУ:

U_вх = U_б1 – U_б2.

Вследствие этого приращения токов и коллекторных потенциалов в плечах ДУ будут одинаковыми по величине, но разного знака. В результате появится выходное напряжение U_вых = U_к1 – U_к2  0.

Следовательно, идеальный ДУ реагирует только на дифферен-циальный или разностный сигнал. Отсюда вытекает название этого типа усилителей.

Дифференциальный усилитель (рис. 10.11) представляет собой комбинацию инвертирующей и неинвертирующей схем.

Рис. 10.11. Дифференциальный усилитель

С учетом I_см  0 и U_д  0 составим систему уравнений

, при и

, при

, при U_д  0

и, решая их относительно выходного напряжения, получим:

.

Обычно в такой схеме , , поэтому можно записать

.

На основе рассмотренных типовых включений ОУ реализуется большое количество схем различного назначения.

30. Статистические и динамические параметры ацп

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – устройство, преобразующее значение непрерывной аналоговой величины в эквивалентный ей цифровой код.

Характеристика преобразования (ХП). При подаче на вход

Рис. 11.3. Характеристика преобразования ЦАП

ЦАП цифровых двоичных комбинаций, управляющих состояниями ключей и меняющихся от 0 до, 2^N – 1 , на его выходе появится ступенчато нарастающее напряжение (рис.11.3). Высота каждой ступени соответствует шагу кван- тования U_кв. На харак- теристике преобразования можно выделить две характерные точки, это начальная и конечная точки ХП, которые определяются начальным и конечным значениями входного кода. Так как U_кв определяет минимальное значение выходное напряжения аналогового сигнала U_{вых min} = U_кв , то при выборе его значения необходимо учитывать также шумовые факторы и погрешности усиления масштабирующих усилителей.

Разрядность – число двоичных разрядов входного кода (N).

Диапазон выходной величины – интервал значений выходной аналоговой величины от начальной до конечной точки ХП.

Относительная разрешающая способность определяется как величина обратная числу уровней квантования

.

Абсолютная разрешающая способность – численно равна шагу квантования

,

где U_пш – напряжение полной шкалы, соответствующее максимальному выходному напряжению, 2^N – 1 – количество ступеней квантования.

Абсолютная погрешность преобразования d_пш показывает максимальное отклонение выходного напряжения в конечной точке реальной характеристики преобразования от выходного напряжения в конечной точке идеальной характеристики преобразования (рис. 11.4).

Рис. 11.4. Погрешности преобразования ЦАП

Абсолютная погрешность преобразования оценивается в процентах или долях единицы младшего разряда (ЕМР). ЕМР – среднее значение ступени квантования по всей характеристике преобразования.

Интегральная нелинейность преобразования ЦАП – d_лн определяет максимальное отклонение реальной ХП от идеальной и оценивается также в долях ЕМР.

Дифференциальная нелинейность преобразования ЦАП – d_диф.лн численно равна максимальной разности двух соседних шагов квантования.

d_диф.лн = U_{кв 2} – U_{кв 1}

Дифференциальная нелинейность также оценивается в долях ЕМР.

Время установления t_уст выходного напряжения или тока – интервал времени от начала изменения выходного двоичного кода от минимального до максимального значения до момента когда выходной аналоговый сигнал достигнет заданной величины.

Максимальная частота преобразования f_пр – наибольшая частота смены входных кодовых наборов.

Статические параметры АЦП во многом по смыслу аналогичны статическим параметрам ЦАП и рассмотрены в предыдущих параграфах.

Среди динамических параметров АЦП основными являются:

• максимальная частота преобразования –ретизации входного сигнала;

• апертурное время – время, в течение которого сохраняется неопределенность между значением выборки и временем, к которому оно относится;

• апертурная неопределенность – случайное изменение апертурного времени в конкретной точке характеристики преобразования;

• время кодирования – время, в течение которого осуществляется непосредственное преобразование установившегося значения входного сигнала (время от начала импульса запуска до появления выходного кода).