3.1.2 Разновидности схем дифференциальных усилителей

Основными задачами разработки разновидностей схем ДУ является увеличение коэффициента усиления усилителя и увеличение входного сопротивления.

а) используется пара Дарлингтона, т.е. на входах ДУ ставятся составные транзисторы, у которых гораздо выше входное сопротивление и коэффициент передачи тока равен произведению коэффициентов передачи тока обоих транзисторов;

б) используются на входах ДУ эмиттерные повторители, у которых входное сопротивление сотни килоомов;

в) ставятся полевые транзисторы на входах ДУ;

г) используются ДУ с динамической нагрузкой.

3.1.3 Дифференциальный усилитель с динамической нагрузкой

Для увеличения коэффициента усиления необходимо увеличить коллекторную нагрузку , но тогда потребуется увеличить напряжение источника питания Е_К. В интегральных схемах увеличение ведет к увеличению площади и габаритов микросхемы. Поэтому в ИС используется динамическая нагрузка, т.е. вместо резисторов и ставятся транзисторы VТ₃ и VТ₄, которые имеют низкое сопротивление по постоянному току и высокое ‑ по переменному. Транзисторы VТ₃ и VТ₄ имеют полярность, противоположную к основным (рисунок 3.4).

Т ранзисторы VT₁ и VT₂ (n-p-n-типа)– основные, транзисторы VТ₃ и VТ₄ (p-n-p-типа) – коллекторная нагрузка. Эти транзисторы соединены коллекторами. VТ₃ в диодном включении.В эмиттерной цепи ставится генератор стабильного тока (ГСТ) для уменьшения влияния синфазного сигнала на схему.

На входе дифференциальный сигнал.. Выход ДУ однотактный.

Транзисторы VТ₃ и VТ₄ включены по схеме токового зеркала ‑ отражателя токов. Ток I_К1, протекая через VТ₃, создает одинаковое смещение на базах транзисторов . Поэтому , а является током . Следовательно . VТ₄ повторяет изменения токов VT₁, т.е. полностью повторяет , поэтому VТ₃ и VТ₄ называется токовым зеркалом.

Найдем , U_вых и К_u.Допустим на вход подан сигнал . Приращение токов базы и . Тогда токи коллекторов и . Так как , то

. Ток на выходе ДУ усилился в  раз и удвоился

Выходное напряжение ДУ , где

Коэффициент усиления ДУ . При .

- входное сопротивление последующего каскада и может быть обеспечено в несколько сотен килом, т.е. коэффициент усиления по напряжению может достигать нескольких сотен и тысяч.

Таким образом, отражатель токов позволяет получить высокий коэффициент усиления по напряжению и удвоить сигнал на однотактном выходе.

3.2 Интегральные операционные усилители

3.2.1 Назначение и основные параметры операционных усилителей

Операционный усилитель (ОУ) – универсальный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом.

Идеальный ОУ имеет следующие свойства:

• коэффициент усиления по напряжению ;

• входное сопротивление ;

• выходное сопротивление .

Такие характеристики позволяют применять глубокую обратную связь (ОС), и свойства ОУ определяются только параметрами элементов цепи ОС. Используя различные ОС можно осуществлять различные математические операции. Поэтому усилители были названы операционными.

Условное обозначение ОУ приведено на рисунке 3.5. Здесь:

вход 1 ‑ неинвертирующий вход, т.е. выходной сигнал совпадает по фазе со входным;

вход 2 – инвертирующий вход, т.е. выходной сигнал в противофазе со входным;

выход – однотактный;

выводы двух источников питания Е_п или двуполярного источника.

Реальные ОУ обычно имеют большое число выводов для подключения внешних цепей частотной коррекции, формирующих требуемый вид амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) усилителя.

Х арактеристики реальных ОУ отличаются от идеальных.

Основные параметры реальных ОУ:

а) коэффициент усиления дифференциального сигнала

;

б) коэффициент усиления синфазного сигнала ;

в) коэффициент ослабления синфазного сигнала ;

г) входное сопротивление R_вх обычно порядка 400 кОм (может достигать от десятков кОм до десятков МОм);

д) выходное сопротивление R_вых = 20 2000 Ом;

е ) АЧХ – ‑ зависимость коэффициента усиления от частоты (линеаризованная характеристика в логарифмическом масштабе ‑ диаграмма Боде) приведена на рисунке 3.6,а. АЧХ ОУ представляет суммарную АЧХ отдельных каскадов. Изменение частоты в десять раз (на декаду) приводит к уменьшению коэффициента усиления по напряжению в 10 раз, (т.е. на минус 20 дБ). Двухкаскадный ОУ имеет два излома.

ж) на рисунке 3.6,б приведена фазочастотная характеристика ФЧХ ОУ – зависимость фазы сигнала от частоты

Каждый каскад на высоких частотах вносит фазовый сдвиг. ФЧХ запаздывает на , где n – число каскадов ОУ.

Для стабилизации работы ОУ требуется коррекция АЧХ и ФЧХ.

и ) частота единичного усиления , т.е. частота, при которой коэффициент усиления равен единице;

к) амплитудная характеристика или характеристика передачи – зависимость выходного напряжения от входного приведена на рисунке 3.7.

Обычно .

л ) если при U_вх = 0 U_вых = 0, имеет место баланс ОУ.

В реальных ОУ внутри схемы может быть разбаланс, из-за которого появляется при U_вх = 0.

м) U _{вх смещ нуля} или начальное смещение ‑ это постоянное напряжение, подаваемое на один из входов, чтобы выходное напряжение стало равным нулю, примерно равно 1...3 мВ.

н) разность входных токов ‑ 5…50 нА;

п) диапазон допустимых синфазных напряжений – это максимальное напряжение на обоих входах, чтобы ОУ не вошел в насыщение или отсечку – 3…13В;

р) скорость нарастания выходного напряжения при подаче на вход перепада – 0,1…10 В/мкс.

3.2.2 Структурная схема трехкаскадного ОУ

Схема включает в себя входной, согласующий и выходной каскады усиления (рисунок 3.9).

Входной каскад ОУ состоит из дифференциального усилителя с дифференциальным входом и симметричным выходом. Имеет генератор стабильного тока. Служит для обеспечения входных характеристик:

• минимальной величины дрейфа;

• высокого коэффициента усиления по напряжению;

• максимально высокого входного сопротивления;

• подавления ,действующих на входе синфазных составляющих, обусловленных изменением температуры окружающей среды, напряжения питания и т.п.

Согласующий каскад состоит из дифференциального усилителя с симметричным входом и однотактным выходом и схемы сдвига уровня. Служит для обеспечения нужной величины коэффициента усиления, обеспечения перехода от симметричного выхода входного каскада к одиночному входу выходного каскада. Сдвиг уровня рабочей точки необходим, чтобы получить нулевой уровень на выходе ОУ при нулевом входном напряжении.

Выходной каскад является усилителем мощности и необходим для получения нужных выходных параметров – требуемое усиление сигнала по мощности и низкое выходное сопротивление.

В ранних разработках ОУ технология изготовления ИС не позволяла получать высокоомные резисторы и качественные транзисторы p-n-p-типа. С совершенствованием технологии стало возможным изготовление ОУ с использованием комплементарных пар транзисторов и динамических нагрузок вместо резистивных.

3.2.3 Схема двухкаскадного операционного усилителя

Схема-модель двухкаскадного операционного усилителя представлена на рисунке 3.10.

Входной дифференциальный усилитель построен на транзисторах VT₁  VT₄. Основные транзисторы VT₁ и VT₂ ‑ p-n-p-типа, динамическая нагрузка ‑ транзисторы VT₃ и VT₄ ‑ n-p-n-типа представляет собой токовое зеркало или отражатель токов (см. п. 3.1.3). ДУ с токовым зеркалом имеет дифференциальный вхо д и однотактный выход. ГСТ₁ в эмиттерной цепи служит для стабилизации эмиттерного тока и уменьшения дрейфа напряжения. Каскад обеспечивает требуемые входные параметры ОУ.

Второй каскад, построенный на составном транзисторе VT₅ и VT₆ по схеме с общим эмиттером, является усилителем амплитуд. Обеспечивает необходимый коэффициент усиления по напряжению ОУ. В качестве нагрузочного сопротивления каскада служит источник тока ГСТ₂. Емкость С_К 30π ‑ для коррекции частотной характеристики. Диоды VD₁ и VD₂ для создания смещения рабочей точки в выходном каскаде.

В выходной каскад входят VT₇ и VT₈, диоды VD₁ и VD₂, ГСТ₂, VT_6..Он является двухтактным усилителем мощности класса АВ. Делитель напряжения: ГСТ₂, VD₁ и VD₂, VT₆ создает смещение рабочей точки транзисторов VT₇ и VT₈. Причем . Необходимое начальное смещение задается диодами VD₁ и VD₂. Эти же диоды обеспечивают температурную стабилизацию режима покоя выходного усилителя.

Усилитель мощности построен на комплементарной паре VT₇ (n-p-n-типа) и VT₈ (p-n-p-типа). При отсутствии сигнала на входе ОУ U_ВХ = 0 ток через нагрузку I_Н = 0. Через транзисторы VT₇ и VT₈ течет небольшой начальный ток , обусловленный смещением плюс U_VD1 на транзистор VT₇ и минус U_VD2 – на транзистор VT₈. Диоды включены в прямом направлении и всегда открыты. Базы обоих транзисторов соединены по переменному току. Транзисторы VT₇ и VT₈ открыты поочередно. При подаче с коллектора VT₆ положительного перепада напряжения транзистор VT₈ запирается, а VT₇ – отпирается. Ток течет по цепи: плюс Е_п1, кэ_VT7, R_н, минус Е_п1. При подаче с коллектора VT₆ отрицательного перепада напряжения транзистор VT₇ запирается, а VT₈ – отпирается. Ток течет по цепи: плюс Е_п2, R_н, кэ _VT8, минус Е_п2.