Лекции / СТКУ_какие_то_лекции

Т1 и Т2 – полевые транзисторы с р-каналом. Т4 и Т5 – ак-

тивная нагрузка для Т1 иТ2 (ГСТ); Rвх 109Ом; Iвх - несколько пикоампер.

Недостатки - плохое согласование характеристик транзисторов Т1 и Т2.

9.2.5. Промежуточные каскады

- такие же, как и входные, по схемам ДУ.

Отличие: отсутствие ГСТ; симметричный вход и несимметричный выход; их задача - обеспечение уровней сдвига предыдущих каскадов к уровням последующих; дать необходимое усиление.

9.2.6 Выходные каскады

Квыходным каскадам предъявляются требования:

-большой выходной ток Iвых;

-большое выходное напряжение Uвых;

-низкое выходное сопротивление Rвых;

-малая рассеиваемая мощность в режиме покоя. Кроме того, выходной каскад должен иметь защиту от короткого замыкания любого из зажимов питания ЕП (выходных транзисторов).

Выходные каскады первого поколения - однотактные; второго и третьего поколения - двухтактные, в режиме В. Схема выходного каскада широкого применения приведена на рис.9-9:

В режиме покоя ток I2 протекает через оба транзистора Т1 и Т2 (АВ).

При положительной полуволне входного сигнала ток IН

протекает от источника -ЕП через транзистор Т2.

При обратном направлении входного сигнала транзистор Т2 закрыт, и ток IН протекает от источника +ЕП через транзистор Т1. Схема не защищена от короткого замыкания транзисторов Т1 или Т2.

рис.9-9

Схема выходного каскада широкого применения с защитой от короткого замыкания транзисторов Т1 или Т2 приведена на рис.9-10.

При нормальной работе транзисторы Т4 и Т5 закрыты: они открываются только при коротком замыкании транзисторов Т1 или Т2 (за счет увеличения их токов и увеличения напряжения на резисторах RЭ1 или RЭ2).

При этом часть базового тока транзисторов Т1 или Т2 ответвляется через транзисторы Т4 или Т5 до безопасной величины.

рис.9-10

9.3. Основные параметры ОУ

ОУ имеют десятки параметров. Основные:

1) Коэффициент усиления дифференциального напряжения:

Д UвыхUвх Д

где Uвх Д=Uвх1-Uвх2 - изменение (разность) входных напряжений (между двумя входами).

Коэффициент усиления дифференциального напряжения идентичен коэффициенту усиления по напряжению ОУ без обратной связи. Это объясняется тем, что при усилении дифференциальных сигналов ООС за счет резистора эмиттерной связи в дифференциальном каскаде (ДК) не возникает (т.к. переменная составляющая эмиттеров протекает по RЭС в противоположных направлениях).

2)Коэффициент усиления синфазного напряжения:

Uвх1=Uвх2.

Ксф обычно невелик, так как токи эмиттеров входных транзисторов протекают по RЭ в одном направлении (для синфазных сигналов) и возникает глубокая ООС, снижающая Ксф во много раз.

3) Коэффициент относительного ослабления синфазных сигналов (КОСС):

Коос (дБ) = 20 lg(КД/Ксф)

– основной параметр ДК, входящего в состав ОУ, характеризующий способность ослаблять (не усиливать) сигналы, приложенные к обоим входам одновременно (синфазные).

Для коэффициента усиления синфазного напряжения Ксф условие Uвх1 = Uвх2 в абсолютном значении не выполняется, так как резисторы, транзисторы не подогнаны точно, и

появляется разность коллекторных напряжений Uk1-Uk2. Этот эффект минимизируется, но никогда не устраняется. Соответственно, при несимметричном выходе всегда будет

Uвых 0 при

Uвх1 = Uвх2 (даже при симметричном входе). Усиленная разность и характеризуется Ксф, который должен быть минимален (а Коос , соответственно, должен быть максимален).

4) Входное напряжение сдвига Uсдв - следствие неточного согласования напряжений базы – эмиттер входных транзисторов. В результате появляется напряжение на выходе (при Uвх1 = Uвх2). Обычно Uсдв составляет несколько милливольт.

5)Входной ток смещения Iсм – это требуемый ток базы, который должен быть обеспечен для работы входного транзистора.

6)Входной ток сдвига Iсдв -это разность токов смещения из-за не идентичности входных транзисторов. Iсдв =

Iсм1 - Iсм2

(обычно 1 10 наноампер) или Iсдв = (Iсм1+Iсм2)/2.

б) синфазное сопротивление Rвх – это сопротивление между входом «вх1» (или «вх2») и корпусом (землей):

коэффициент усиления по напряжению ОУ уменьшается на 3дБ (0,707) по отношению к коэффициенту по постоян-

ному току. Различается ширина полосы: с ООС и без ООС (вторая значительно меньше первой).

10)Частота единичного усиления fu - это частота, на которой КД = 1 (без ООС). Обычно fu т 1 10 МГц.

11)Переходная характеристика выражается через время установления tу от 0,1 до 0,9 при подаче на вход единичного сигнала (или время нарастания, или время установления выходного сигнала).

12)Коэффициент нестабильности источника питания; величина потребляемого тока; рабочий диапазон температур; температурные коэффициенты и т.д.

Параметры разделяют:

точностные (определяются входными каскадами); входные и выходные параметры; энергетические (токи, мощность); частотные; предельно допустимые.

9.4. Схемы сдвига уровней

Схемы сдвига уровней (рис.9-11) применяют для межкаскадных связей. Так как ИМС выполняются без разделительных конденсаторов, то в цепях межкаскадных связей иногда требуется гасить уровень напряжения на некоторую величину (для согласования). В то же время, эта цепь должна передавать полезный сигнал (переменную составляющую).

Простая схема сдвига - стабилитрон. Однако он приводит к уменьшению входного сопротивления, а его фиксированное напряжение Uпорог нарушает работоспособность при изменении напряжения питания ЕП.

рис.9-11

Наиболее распространенная схема - рис.9-11: транзистор Т1 - эмиттерный повторитель, который обеспечивает большое увеличение входного сопротивления. В его эмиттерную цепь включен делитель R, T2; транзистор Т2 - это ГСТ; его внутреннее сопротивление Ri >> R, т.е. делитель незначительно ослабляет напряжение Uвых, , зато получается необходимое согласование уровней «вход - выход».

Выводы по теме

1. Операционный усилитель – модульный многокаскадный усилитель с дифференциальным входом, по своим характеристикам приближающейся к идеальному усилителю со свойствами: бесконечно большой коэффициент усиления по напряжению (КU = ); бесконечно большое входное сопротивление (Zвх = ); бесконечно малое выходное сопротивление (Zвых = 0);

равенство Uвы х= 0 при Uвх1 = Uвх2; бесконечно большая полоса пропускания частот (отсутствие задержки прохожде-

ния сигнала). Практически можно получить достаточно близкое приближение к идеальным параметрам.

2.Первый каскад – всегда дифференциальный усилитель - им определяется входное сопротивление и другие точностные параметры.

3.Промежуточные каскады строятся по тем же схемам, что

и

входные, по схемам ДУ. Отличие: отсутствие ГСТ; симметричный вход и несимметричный выход; их задача - обеспечение уровней сдвига предыдущих каскадов к уровням последующих; дать необходимое усиление.

4.Выходной каскад строится обычно по схеме мощного усилителя в режиме В, обеспечивающей заданную мощность на заданной нагрузке.

5.Для увеличения входного сопротивления и улучшения стабильности показателей ОУ разработаны схемы второго поколения, где входные транзисторы заменяют составными, включенными по схеме Дарлингтона.

6.К выходным каскадам предъявляются требования: большой выходной ток; большое выходное напряжение; низкое выходное сопротивление; малая рассеиваемая мощность в режиме покоя. Кроме того, выходной каскад должен иметь защиту от короткого замыкания любого из зажимов питания ЕП (выходных транзисторов).

Выходные каскады первого поколения - однотактные; второго и третьего поколения - двухтактные, в режиме В.

7.Схемы сдвига уровней применяют для межкаскадных связей. Так как ИМС выполняются без разделительных конденсаторов, то в цепях межкаскадных связей иногда требуется гасить уровень напряжения на некоторую величину (для согласования).

Задания и вопросы для самоконтроля по теме

1. Приведите два варианта определения операционного усилителя;

2.Приведите варианты условного обозначения операционного усилителя;

3.Приведите структурную схему ОУ;

4.Чем отличаются структурные схемы ОУ? Какие требования предъявляются к каскадам ОУ?

5.Приведите упрощенную схему ОУ;

6.Какие «исторические» периоды» различают в развитии схемотехники ОУ и дайте им характеристику;

7.Приведите элементарную (упрощенную) схему входного каскада;

8.Приведите упрощенную типовую схему входного каскада ОУ первого поколения;

9.Приведите схему входного каскада ОУ второго поколения;

10.Приведите схему входного каскада ОУ третьего поколения;

11.Чем отличаются схемы промежуточных каскадов?

12.Какие требования предъявляются к выходным каскадам ОУ?

13.Приведите схему выходного каскада широкого применения;

14.Приведите схему выходного каскада широкого применения с защитой от короткого замыкания;

15.Приведите основные параметры ОУ;

16.Приведите схему сдвига уровней; ее назначение?

Лекция 10

Тема: схемотехника аналоговых устройств на основе операционных усилителей

Как уже отмечалось /1/, операционные усилители в настоящее время используются в самых различных электронных устройствах. Их широко применяют как в аналоговых, так и в импульсных устройствах электроники. В то же время существуют и часто используются типовые линейные схемы на основе операционных усилителей. Такие типовые схемы должен знать каждый инженер, использующий электронные устройства. Именно такие схемы рассматриваются ниже.

Очень полезно овладеть достаточно простыми приемами ручного анализа электронных схем на основе операционных усилителей. Это значительно облегчит понимание принципа действия конкретных устройств электроники и будет способствовать получению достоверных результатов машинного анализа. Указанные приемы анализа основаны на ряде допущений, принимаемых в предположении, что используемые операционные усилители достаточно близки к идеальным. Практика расчетов показывает, что результаты, получаемые на основе допущений, имеют вполне приемлемую погрешность.

Примем следующие допущения:

1.Входное сопротивление операционного усилителя равно бесконечности, токи входных электродов равны нулю. Выходное сопротивление операционного усилителя равно нулю, т. е. операционный усилитель со стороны выхода является идеальным источником напряжения.

3.Коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усиления дифференциального сигнала) равен бесконечности.

4.В режиме насыщения напряжение на выходе равно по модулю напряжению питания, а знак определяется полярностью входного напряжения.