§4.6 Дифференциальные каскады /дк/

Каскад имеет несимметричный вход, если одна из баз по переменному току заземлена; симметричный – если ни одна из баз не заземлена. То же для выходного сигнала.

и не обязательно равны

Принцип действия основан на симметрии.

Схема симметрична:

1. R_K1=R_K2=R_K

2. Равенство параметров транзисторов

(1) Пусть U_ВХ1=U_ВХ2=0 эмиттерные переходы включены параллельно.

I_RЭ=(E₂-U_БЭ)/R_Э, U_БЭ1=U_БЭ2=U_БЭ.

I_Э1=I_Э2=(E₂-U_БЭ)/2R_Э; I_K1=I_K2=[(E₂-U_БЭ)/2R_Э];

R_K[(E₂-U_БЭ)/2R_Э]=E₁/2;

;

Если E₁=E₂, то R_KR_Э,

U_ВЫХ= U_ВЫХ.1- U_ВЫХ.2=0

Усилитель представляет собой сбалансированный мост.

Изменение выход. напряжения в усилители с течением времени или под действием стабилизирующих факторов при U_ВХОД=0 называется дрейфом нуля.

(2) Подадим на вход усилителя равные по величине и одного знака напряжения /синфазны/.

I_Б – увеличится; I_K – увеличится; напряжение на коллекторе уменьшится; U_ВХОД=0  дифференциальный каскад на синфазные напряжения не реагирует.

Подадим на вход дифференциального каскада равные по модулю, но противоположные по знаку напряжения. (U_ВХ1>0, U_BX2>0, |U_BX1|=|U_BX2|).

I_Б1>0, I_Б2<0; I_K1>0, I_K2<0; U_КЭ.1<0, U_КЭ2>0.

U_ВЫХ=U_ВЫХ.1-U_ВЫХ.2=-R_KI_K1-R_KI_K2=-2I_K2R_K;

Дифференциальный каскад реагирует на разное входное напряжение.

Если источник подключен между базами, а его средняя точка заземлена, то каскад имеет симметричный вход.

Переменный ток. По проводу ни чего не протекает. Провод можно убрать.

Постоянный ток. При убирании провода режим работы будет нарушен. Нужно применить дополнит. меры.

Если источник сигнала подключить между базами транзистора и одна из них соединена с общим проводом – схема имеет не симметричный вход.

Выход так же м.б. симметричным или нет.

Если выходное напряжение снимаем с одного из коллекторов транзистора, то выход несимметричен.

Качества дифференциального каскада оценивают коэффициентом ослабления синфазного сигнала:

К_ООС=К_Д/К_С; К_ООС>>1.

K_OOCR_Э/r_ВХ.ОБ.(ОБ –в схеме с общей базой)

§4.7 Источники тока

В качестве источника тока в электронике обычно используются токовые зеркала.

Транзисторы должны быть с одинаковыми параметрами.

-

Входные каскады работают в режиме микротоков.

Токовые зеркала используются в ЦАП:

Используются двоично взвешенные токи, формируемые токовыми зеркалами.

Эта схема имеет симметричный выход. Зеркало с VT5, VT6 включается для увеличения

§4.8 Операционные усилители: характеристики и параметры

Под операционным усилителем в микроэлектронике понима­ют реализованный в виде микросхемы усилитель постоянного тока, имеющий:

• высокий коэффициент усиления по напряжению

• высокое входное сопротивление;

• низкое выходное сопротивление.

Операционный усилитель имеет дифференциальный вход и не­симметричный выход (рис. 1). Входные и выходные сигналы отсчиты­ваются относительно общего провода, который на схемах иногда не показывают. Операционные усилители предназначены для работы с глубокой отрицательной обратной связью и вначале применялись в

аналоговых ЭВМ, где в зави­симости от цепей обратной связи они выполняли разно­образные математические операции (сложение, вычи­тание, умножение, деление, логарифмирование, диффе­ренцирование, интегрирова­ние и т.д.), откуда и произо­шел термин "операционный усилитель".

Первые операционные усилители были ламповыми и представля­ли собой весьма громоздкие и дорогие устройства. В настоящее время высококачественные операционные усилители выпускают в виде мик­росхем, цена которых соизмерима с ценой отдельного транзистора, что существенно расширило их область применения. Сочетание высо­ких электрических параметров с малыми габаритами, высокой надеж­ностью и низкой ценой сделало операционный усилитель основным активным элементом аналоговой схемотехники.

Операционные усилители содержат обычно два или три каскада усиления (рис. 2). Первый каскад (ДУ) обязательно собран по схеме дифференциального усилителя, чем обеспечивается подавление син­фазной помехи и уменьшение дрейфа нуля. С целью повышения вход­ного сопротивления во входном каскаде используют режим микрото­ков, составные транзисторы (схема Дарлингтона), супербетатранзисторы со статическим коэффициентом передачи тока базы β=10³÷10⁴, полевые транзисторы. Входной каскад, как правило, содержит цепи балансировки усилителя, предназначенные для устранения смещения нуля. Второй каскад (УН) обеспечивает основное усиление по напря­жению и представляет собой обычно дифференциальный усилитель с

несимметричным вы­ ходом. Усилитель мощности (УМ) чаще всего содержит схему сдвига уровня напря­жения и выходной каскад, собранный по двухтактной бестрансформаторной схеме. Недостатком трехкаскадных операционных усилителей являет­ся склонность к самовозбуждению и невысокая скорость нарастания выходного сигнала.

Операционные усилители более поздних разработок, как правило, выполнены по двухкаскадной схеме (отсутствует усилитель напряже­ния УН). Для увеличения коэффициента усиления во входном каскаде используется динамическая нагрузка в виде токового зеркала, а в вы­ходном - каскад сдвига уровня напряжения, в котором транзистор включен по схеме с общим эмиттером.

Рассмотрим передаточную характеристику операционного усили­теля (рис. 3), которая представляет собой зависимость выходного на­пряжения U_ВЫХ от входного напряжения U_ВХ при несимметричном входе. В зависимости от того, какой вход соединяется с общим прово­дом, а на какой вход подается входное напряжение, различают пере­даточную характеристику при инвертирующем включении операци­онного усилителя и пере­даточную характеристику при неинвертирующем включении операционно­го усилителя.

При малых входных напряжениях U_BX переда­точные характеристики линейны, затем рост вы­ходного напряжения U_ВЫХ замедляется, а потом и вовсе прекращается. Мак­симальное положительное напряжение +U_{ВЫХ.МАКС} и максимальное отрицательное напряжение –U_{ВЫХ.МАКС} обычно несколько меньше соответствующих напряжений питания (E₁, и E₂).

Напряжения +_{UВЫХ.МАКС} и –U_{ВЫХ.МАКС} зависят от сопротивления нагрузки операционного усилителя: чем меньше со­противление нагрузки, тем ниже будут указанные напряжения. Пере­даточные характеристики проходят через начало координат, если опе­рационный усилитель сбалансирован (см. рис. 3). Если балансировка не проводилась, то передаточные характеристики будут пересекаться при ненулевом напряжении на выходе (рис. 4).

Основные параметры операционных усилителей:

• коэффициент усиления по напряжению К_U.

Определяется наклоном линейного участка переда­точной характеристики и равен от­ношению приращения выходного напряжения к вызвавшему это при­ращение входному напряжению. На практике К_и лежит в пределах от не­скольких тысяч до нескольких мил­лионов;

• напряжение смещения U_CM -напряжение, которое необходимо подать на вход операционного усилителя, чтобы его выходное на­пряжение стало равным нулю (рис. 4). На практике U_СМ лежит в пределах от нескольких микровольт до десятков милливольт;

• максимальное выходное напряжение U_{ВЫХ.МАКС} - Различают максимальное положительное напряжение +U_{ВЫХ.МАКС} и макси­мальное отрицательное напряжение –U_{ВЫХ.МАКС}, которые в общем случае не равны (см. рис.3). Напряжения + U_{ВЫХ.МАКС} и – U_{ВЫХ.МАКС} нормируются при оговоренных значениях напряжения питания, сопротивлении нагрузки и входного напряжения;

• коэффициент ослабления синфазного сигнала K_ОС.СФ - от­ношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту передачи синфазного сигнала. Обычно выражается в децибелах;

• входной ток I_ВХ - для дифференциального операционного усилителя определяется как среднее арифметическое значение токов ин­вертирующего входа I_ВХ.И и неинвертирующего входа I_ВХ.Н;

• разность входных токов ∆I_ВХ = I_ВН.Н – I_ВХ.И;

• предельный выходной ток I_{ВЫХ.МАКС} - максимальное значение выходного тока при оговоренном выходном напряжении, не вызы­вающее необратимых изменений в операционном усилителе;

• предельное входное напряжение U_{ВХ.МАКС} - максимальное зна­чение входного напряжения, не вызывающее необратимых измене­ний в операционном усилителе;

• предельное синфазное входное напряжение U_{ВХ.СФ.МАКС} – мак­симальное значение синфазного входного напряжения, не вызы­вающее необратимых изменений в операционном усилителе;

• частота единичного усиления f₁ - частота, на которой модуль коэффициента усиления операционного усилителя падает до еди­ницы. Частота единичного усиления f₁ характеризует быстродейст­вие операционного усилителя в режиме малого сигнала;

• скорость нарастания выходного напряжения V_{Uвых.макс} – от­ношение изменения выходного напряжения U_ВЫХ от 10 до 90 % от установившегося значения ко времени, за которое это изменение произошло. Характеризует быстродействие операционного усили­теля в режиме большого сигнала. Измеряется при отрицательной обратной связи с общим коэффициентом усиления по напряжению от 1 до 10.

При анализе схем реальные операционные усилители заменяют их идеализированными моделями, в частности, идеальным опера­ционным усилителем, под которым понимают усилитель, отве­чающий следующим требованиям:

• коэффициент усиления по напряжению K_U = ∞;

• входное сопротивление r_ВХ = ∞;

• выходное сопротивление r_ВЫХ = 0;

• напряжение смещения U_СМ = 0;

• коэффициент ослабления синфазного сигнала K_ОС.СФ = ∞;

• входные токи I_ВХ = 0;

• коэффициент усиления по напряжению не зависит от частоты, т.е. полоса пропускания простирается от 0 до ∞;

• времена задержки, нарастания и спада равны нулю;

• диапазон входных напряжений неограничен;

• диапазон выходных напряжений неограничен;

• выходной ток неограничен;

• нелинейные искажения отсутствуют;

• внутри усилителя нет источников шума.