30. Операционный усилитель с обратной связью в дифференциальном включении Дифференциальное включение оу

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. Входное сопротивление усилителей сигналов на основе операционных усилителей

Входное сопротивление R_вх. Сопротивление усилителя по отношению к входному сигналу. В зависимости от типа используемых транзисторов во входном ДУ R_вх лежит в диапазоне 10⁴ – 10⁷ Ом.

Выходное сопротивление R_вых. Обычно R_вых не превышает нескольких сотен Ом.

30. Регулировка коэффициента усиления в усилителях сигналов на основе операционных усилителей. Коэффициент усиления синфазного сигнала

В реальном ДУ, в котором оба плеча неидентичны, а источник тока имеет конечное сопротивление, наблюдается влияние синфазной составляющей входного сигнала на дифференциальную составляющую выходного сигнала. Следовательно, при U_{вх с} = U_вх1 = U_вх2

U_{вых с} = U_вых1 – U_вых2  0.

Отношение называется коэффициентом усиления синфазного сигнала. Так как этот параметр характеризует степень не-идеальности ДУ он должен быть минимизирован. Для случая синфазного сигнала схему ДУ можно представить как показано на рис. 10.2.

Рис. 10.2. Схема ДУ для случая синфазного входного сигнала

Коэффициент усиления такой схемы ориентировочно равен:

.

Из приведенного выражения видно, что уменьшения А_с можно добиться увеличением R_i. Значительной величины R_i в случае пассивного резистора без сущест-венного ухудшения других пара-метров схемы достичь невозможно.

Один из возможных вариантов источников тока приведен на рис. 10.3.

A

Рис. 10.3. Источник тока на транзисторе

На схеме U_A – падение напря-жения на части схемы находящейся выше точки А (рис. 10.2). У такой схемы большое лишь дифферен-циальное сопротивление , тогда как статическое внутреннее сопротивление мало. Этой особен- ностью обладает выходная характеристика транзистора. Например, если составляет (1…5)10³ Ом, то составит (1…5)10⁵ Ом. За счет последовательной обратной связи (R_э) это сопротивление может быть увеличено на несколько порядков.

Коэффициент усиления дифференциального сигнала

Если U_вх1 – U_вх2 = U_{вх д}  0, то происходит перераспределение токов между плечами ДУ, но сумма токов остается постоянной. Усиление ДУ пропорционально крутизне его вольт-амперной характеристики и сопротивлению нагрузки (R_к) т. е. А_д = SR_к. Максимальное значение крутизны равно , где _т – температурный потенциал ( 0,026 В при комнатной температуре). В ДУ значение S близко к максимальному при U_{вх д}  2_т, а уже при U_{вх д} > 4_т усиление практически отсутствует, так как в этом случае перераспределения токов в плечах практически не происходит (рис.10.4).

Рис. 10.4. Вольт-амперная характеристика ДУ

Как видно из ранее приведенного выражения, А_д можно увеличить, увеличив ток I₀ и сопротивление нагрузки R_к. Однако в первом случае увеличивается входной ток ДУ , где h_21э – коэффициент передачи базового тока транзистора (коэффициент усиления по току транзистора). Это нежелательно, так как уменьшается входное сопротивление ДУ. Во втором случае увеличивается площадь резисторов на подложке микросхемы и возрастает требуемое напряжение питания +E_n для сохранения активного режима работы транзисторов Т1, Т2, что также недопустимо. Проблема увеличения А_д решается заменой резисторной нагрузки транзисторной.

Широко распространенная в схемах ДУ, структура транзисторной нагрузки показана на рис. 10.5.

Рис. 10.5. Отражатель тока

Эта схема называется отражателем тока или токовым зеркалом. Если транзисторы идентичны то U_бэ4 = U_бэ5 при I_к1= I_к2. Отражатель тока обладает всеми достоинствами источника тока (рис. 10.3). Выходной ток ДУ

I_вых = I_к1 – I_к2.

Кроме высокого дифферен-циального сопротивления Т4 и Т5, благодаря тому, что выходным сигналом является разностный ток, синфазные изменения коллекторных токов Т1 и Т2 взаимно компенсируются, что значительно ослабляет синфазные входные сигналы.

Коэффициент усиления без обратной связи (А). Коэффициент усиления усилителя в отсутствие обратной связи обычно равен 10³ – 10⁷.

Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений К_о.сн.. Этот коэффициент определяется как отношение коэффициента усиления для дифференциального сигнала А_д к коэффициенту усиления синфазного сигнала А_с и равен обычно 60…120 дБ (К_о.сн..= 20 lg А_д/ А_c).

Указанные выше параметры заданы для случая входных сигналов нулевой частоты и называются статическими параметрами.