Учебное пособие 800596

транзистор VT2, который усиливает сигнал. При этом фаза выходного сигнала совпадает с входным сигналом, такой вход является неинвертирующим. Коэффициент усиления сигнала каскадом по первому входу К1.

де изменяется на противоположную, такой вход называется инвертирующим. Сигнал с входа 2 усиливается каскадом с ОЭ, в эмиттерную цепь которого включен эмиттерный повторитель. В таком случае коэффициент усиления усилителя по второму входу К2.

Если о6а входа 1 и 2 дифференциального каскада с несимметричным выходом подаются одновременно синфазные сигналы

Формула показывает, что выходное напряжение в схеме пропорционально алгебраической разности входных напряжений в точках 1 и 2, т.е. каскад усиливает разность входных напряжений.

Коэффициент подавления синфазного сигнала (КОСС)

225

Коэффициент подавления синфазной составляющей в схеме с симметричным выходом в 1 раз выше, чем коэффициент подав-

-разброс параметров транзисторов.

Вдифференциальных усилителях часто для задания эмиттерного тока транзисторов используется схема «токового зеркала». «Токовым зеркалом» называется электронное устройство с одним входом и одним или несколькими выходами, выходной ток (или токи) которого повторяет как по величине, так и по направлению его входной ток. Простейшая схема токового зеркала на двух идентичных транзисторах VT1 и VT2 представлена на рисунке 2.97.

Транзистор VT1 используется в диодном включении.

активного режима и режима насыщения. При этом его коллектор- ный и базовый токи связаны соотношением IкVT1 IБVT1 h21э .

Так как параметры транзисторов полностью идентичны, то из усло-

откуда

226

следовательно, входной ток будет повторять выходной. Использование токовых зеркал в качестве динамической на-

грузки дифференциального каскада и в качестве источника тока в цепи эмиттеров позволяет получить коэффициент усиления входного дифференциального напряжения на одном каскаде свыше 5000 (при условии, что нагрузка на выходе усилителя отсутствует) и

КОСС свыше 100 000 (100 дБ).

Рис. 2.98

На рис. 2.98. показан дифференциальный усилительный каскад с динамической нагрузкой и источником тока в виде «токового зеркала».

Входное сопротивление дифференциального усилителя может быть существенно увеличено при использовании в каскаде полевых транзисторов. При построении таких схем предпочтение отдается полевым транзисторам с управляющим р-п переходом. Это обусловлено следующими причинами:

более высокой стабильностью их характеристик; большой электрической прочностью затвора (меньше боит-

ся пробоя статическим электричеством), большей допустимой разностью входных напряжений (до 20-З0В).

Типовая схема дифференциального каскада на транзисторе с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа приведена на рис. 2.99. Особенностью этой схемы является использование в качестве истокового токозадающего элемента источника тока на полевом транзисторе VT3 и резисторе Rи. Резисторы Rсм1 и Rсм2 предназна-

227

чены для задания начального смещения на затворах транзисторов

VT1 и VT2.

Рис. 2.99

Входное сопротивление дифференциального усилителя, выполненного на биполярных транзисторах, тоже может быть значительно увеличено при использовании в каскаде составных транзисторов (рис.2.100). Следствием этого является уменьшение входного тока усилителя, что крайне важно при его использовании в виде интегральной схемы.

Рис. 2.100

2.9. Операционные усилители (ОУ)

Операционные усилители представляют универсальные устройства, на основе которых возможно построение генераторов, активных фильтров, стабилизаторов напряжения и тока, источников эталонного напряжения, усилителей и др. ОУ — это высококачественный усилитель постоянного тока прямого усиления с дифференциальным входным каскадом, большим коэффициентом уси-

228

ления (Кус~100000), имеющий широкую полосу пропускания (fв=10100 МГц). ОУ обладает высоким входным сопротивлением (Rвх>10 кОм), низким выходным сопротивлением (Rвых<100 Ом), малым дрейфом нуля, высоким подавлением синфазных сигналов ОУ. Условные обозначения ОУ на электрических схемах приведены на рис 2.101а и рис. 2.101б. На схемах изображены два входа и один выход ОУ.

Рис. 2.101

Вход Uвх1, обозначенный знаком ―0‖, называют инвертирующим, т.к. при подаче на этот вход сигнала на выходе получаем сигнал противоположный полярности. Коэффициент усиления ОУ по 1 и 2 входам одинаков по величине и противоположен по знаку.

Вход Uвх2, необозначенный знаком называется неинвертирующим, так как полярность сигнала на входе при подаче на неинвертирующий вход совпадает с полярностью сигнала на входе.

Второй вывод общий для обоих входов в обозначении не показан. Это общая информативная шина, иногда на принципиальных схемах обозначается I. Для лучшего понимания выводов, допускается введение одного или двух полей с обеих сторон от основного поля в которых указываются метки с обозначением функции вывода. Особенностью ОУ является то, что входные сигналы подаются относительно общей шины, относительно которой снимается и выходной сигнал. При нулевых входных сигналах выходное

229

Uвых Кио (Uвх1 Uвх2 ) ,

где Кио - собственный коэффициент усиления ОУ по на-

пряжению.

Рис. 2.102

Из приведенного выражения следует, что ОУ воспринимает только разность входных напряжений (рис. 2.102), называемую дифференциальным входным сигналом, и чувствителен к синфазному входному сигналу. Кио в ОУ на практике достигает значений

105 106 или100 120дБ . В качестве источника питания ОУ используют двухполярный источник напряжения (+Еп, Еп). Средний вывод этого источника является общей шиной для входных и выходных сигналов и в большинстве случаев не подключается к ОУ. В реальных ОУ напряжение питания лежит в диапазоне

3В 18В .

Использование источника питания со средней точкой предполагает возможность изменения не только уровня, но и полярности как входного, так и выходного напряжения ОУ

По принципу действия и схемному исполнению ОУ делятся на два основных вида:

1.усилители с непосредственными связями (прямого усиления);

2.усилители с преобразованием сигнала:

а) усилители с преобразованием модулирующего сигнала постоянного тока в переменное напряжение;

б) усилители, в которых входной сигнал воздействует на параметры автоколебаний автогенератора: амплитуду, частоту или фазу (усилители с управляемыми автогенераторами УПТ-УГ — автогенераторные усилители).

В зависимости от назначения ОУ подразделяются на:

а) ОУ общего применения, используемые в схемах, где отсутствуют повышенные требования к усилителям;

230

б) прецизионные, имеющие малые дрейф и шумы, а также высокий коэффициент усиления ;

в) быстродействующие, которые обладают высокой скоростью изменения выхода его напряжения и используются для построения импульсных и широкополосных устройств.

В настоящее время в качестве УПТ с непосредственными связями в основном используют интегральные операционные усилители. По конструктивному выполнению они являются законченными высокостабильными широкополосными высококачественными УПТ, имеющими высокий коэффициент усиления, дифференциальный вход и несимметричный выход.

Успехи интегральной технологии позволили выполнять ОУ с заданными техническими параметрами в одном корпусе. Это дает возможность рассматривать его как самостоятельный компонент с определенными параметрами.

Характерной особенностью ОУ является то, что входные сигналы подаются относительно одной общей шины, относительно которой снимается выходной сигнал. При нулевых входных напряжениях выходной сигнал равен нулю. Благодаря этому свойству источники входного сигнала и нагрузку можно непосредственно подключать к выводам ОУ, не заботясь о разделении переменной и постоянной составляющих и не рискуя изменить статические режимы работы усилительных каскадов.

2.9.1. Параметры и характеристики ОУ

Подразделяются на входные, выходные и характеристики передачи.

К входным параметрам относятся: напряжение смещения нуля, входные токи, входные сопротивления, коэффициент ослабления синфазных входных напряжений, температурные дрейфы входных токов.

Напряжение смещения нуля Uсм — это потенциал на выходе усилителя при нулевом входном сигнале, который поделен на коэффициент усиления усилителя. Значение Uсм от 1мВ — 10мВ, Uсм показывает какой потенциал надо подать на вход, чтобы получить

Uвых=0.

231

Если ОУ включить так, чтобы его выход был соединен с инверсным входом (рис. 2.103), то его коэффициент усиления будет равен единице и выходное напряжение будет равно Uсм.

Рис. 2.103.

Измерение напряжения смещения осуществляется по схеме, изображенной на рис. 2.103а, измерение входных токов - по схеме на рис. 2.103б. При замкнутых ключах S1 и S2 выходное напряжение равно Uсм, а коэффициент усиления по напряжению равен 1, т.к. сохраняется 100% отрицательная обратная связь, а входное напряжение Uвх1 за счет падения напряжения на сопротивлении R изме-

может иметь любой знак.

Входное сопротивление для дифференциального сигнала — это полное сопротивление со стороны любого входа, в то время как другой вход соединен с общим выводом. Значения его находятся в интервале нескольких десятков кОм до сотен МОм.

232