Рис. 1.40. Простейшая схема усилителя класса D

Схема с аналоговой ШИМ устойчива при любых значениях выходного напряжения, но не позволяет добиться высокого качества воспроизведения звука, даже если охватить её обратной связью. Нелинейные искажения класса D имеют несколько причин: нелинейность генератора сигнала треугольной формы, нелинейность катушек индуктивности выходного фильтра, нелинейность из-за мёртвого времени между включениями верхнего и нижнего плеча усилителя. В отличие от традиционных усилителей, в той или иной мере подавляющих нестабильность питающих напряжений, в усилителях класса D низкочастотные помехи беспрепятственно проходят с питающих шин на выход усилителя. Эти помехи, шумы и дрейф не только накладываются на усиленный сигнал, но и модулируют его по амплитуде.

1.11. Построение схемы простейшего операционного усилителя

Первые промышленные ламповые операционные усилители (ОУ) появились в 1940-х гг. и выполнялись на паре двойных триодов. В 1963 г. Ро-

берт Видлар, выдающийся инженер фирмы «Fairchild Semiconductor», спро-

ектировал первый интегральный ОУ – μA702. При цене в 300 долларов прибор, содержавший девять транзисторов, использовался только в устройствах военного назначения. Первый широко доступный интегральный ОУ μA709, также спроектированный Бобом Видларом, был выпущен в 1965 г. Вскоре после выпуска его цена упала ниже 10 долларов, что было вполне доступно для применения в сфере гражданской электроники.

В 1967 г. фирма «National Semiconductor», куда перешёл работать Боб Видлар, выпустила ОУ LM101, а в 1968 г. фирма «Fairchild» выпустила практически идентичный ему μA741. Это был первый ОУ со встроенной частотной коррекцией. По сравнению с предшественниками он был более стабилен и прост в использовании. Многие производители до сих пор выпускают свои

54

версии этого классического операционного усилителя (их можно узнать по числу 741 в наименовании). Позднее были разработаны ОУ и на другой элементной базе: на полевых транзисторах с p–n-переходом (конец 1970-х гг.) и с изолированным затвором (начало 1980-х гг.), что позволило существенно улучшить ряд их характеристик.

Изначально операционный усилитель был спроектирован для выполнения математических операций (отсюда и его название). Значения напряжений использовались как аналоговые величины. Такой подход лежит в основе аналоговых компьютеров, в которых ОУ использовались для моделирования базовых математических операций (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т. д.). Помимо выполнения математических операций, операционные усилители получили самое широкое распространение в электронике. Операционный усилитель, вероятно, наиболее часто встречающийся элемент в аналоговой схемотехнике. Добавление нескольких внешних компонентов превращает ОУ в самостоятельную схему аналоговой обработки сигналов.

В настоящее время только номенклатурный перечень ОУ составляет более десятка наименований. Специализация ОУ идет в направлении значительного улучшения статических и динамических параметров, снижения уровня шумов, расширения диапазона выходной мощности, снижения потребляемой мощности (работа в микрорежиме). Поэтому оказывается важным получение представления о способах построения структурных и электрических принципиальных схем ОУ.

Операционный усилитель имеет два входа для подачи на него входного сигнала: инвертирующий (обозначенный знаком "–") и неинвертирующий (обозначенный знаком "+"). Входной сигнал Uвх–, поступающий на инвертирующий вход, подвергается инверсии, т. е. изменяет знак полярности, а входной сигнал Uвх+, поступающий на неинвертирующий вход, проходит на выход без изменения полярности, т. е. не инвертируется. Указанная разность напряжений формирует выходное напряжение Uвых.

В самом первом приближении одиночный усилительный каскад на транзисторе можно рассматривать как несовершенный операционный усилитель, а затем последующими осознанными итерациями получить работающую схему операционного усилителя (рис. 1.41). Следует отметить, что в приведенной схеме нет цепей питания, резисторов, цепей задания рабочей точки и многих других необходимых для работы ОУ элементов.

55

В рассматриваемой модели простейшего операционного усилителя усилительным элементом является одиночный NPN-транзистор. База транзистора является инвертирующим входом ОУ, а эмиттер служит неинвертирующим входом усилителя. Коллектор транзистора представляет собой выходной электрод ОУ. Для такого представления ОУ можно использовать транзисторы как NPN-, так и PNP-типа.

Что же позволяет считать приведенную схему операционным усилителем? Во-первых, наличие двух входов – инвертирующего и неинвертирующего, свидетельствующее о том, что по входу этот усилитель является дифференциальным, т. е. работающим на разности входных напряжений:

U = Uвх+ – Uвх–. = Uбэ

Усилительный элемент Q1 по инвертирующему входу ведет себя как каскад с общим эмиттером (ОЭ), а по неинвертирующему входу является включением транзистора по схеме каскада с общей базой (ОБ). Оба каскада обеспечивают усиление по напряжению (Ku) входных сигналов.

Рассмотрим недостатки простейшего операционного усилителя:

–недостаточное значение коэффициента усиления по напряжению (не более нескольких десятков, вызванная наличием только одного каскада усиления;

–разница во входных сопротивлениях по двум входам: инвертирующий вход каскада с ОЭ имеет большее входное сопротивление, чем неинвертирующий вход каскада с ОБ;

–выходное напряжение для рассматриваемой схемы имеет только одну

вполярность;

–между входами усилителя действует напряжение Uбэ транзистора Q1,

равное примерно 0,6 В;

– изменение напряжения Uбэ транзистора Q1 от воздействия температуры; температурный коэффициент напряжения (ТКН) составляет около

2 мВ/C°).

56

Для построения полноценного ОУ следует значительно уменьшить влияние перечисленных недостатков. Так, использование вместо одиночного транзистора балансного каскада (рис. 1.42) на двух одинаковых транзисторах Q1 и Q2 позволяет:

– уменьшить разницу между значениями сопротивлений по двум вхо-

дам;

–исключить влияние напряжения 0,6 В за счет взаимной компенсации потенциалов баз транзисторов, при этом разностное напряжение между входамиUбэ стремится к нулю;

–уменьшить влияние зависимости напряжения Uбэ от температуры за

счёт взаимной компенсации температурного дрейфа двух транзисторов, благодаря идентичности их характеристик.

Рис.1.42. Операционный усилитель: а) входной балансный каскад операционного усилителя; б) тот же каскад с источниками питания и резисторами

Выходной дополнительный транзистор PNP-типа, подключаемый к выходу балансного каскада, может быть включен по схеме ОЭ или ОБ. Воспользуемся включением Q3 по схеме ОЭ. Тогда схема простейшего ОУ будет иметь вид, представленный на рис. 1.43.

Рассмотрим подробно принцип работы схемы на рис. 1.43. В ней используются транзисторы общего назначения: NPN-типа серии 2N2222 (Q1 и

Q2) и PNP-типа серии 2N2605 (Q3).

57

Рис. 1.43. Рабочая схема простейшего операционного усилителя

Суммарный эмиттерный ток транзисторов Q1 и Q2 от двуполярного источника питания (+Uпит и –Uпит) задается с помощью резистора R2. Коллекторный ток транзистора Q1 (примерно равный его эмиттерному току), протекающий через резистор R1, образует напряжение, равное Uбэ транзистора Q3 и открывающее его для протекания коллекторного тока Iк через резистор R3. Падение напряжения на резисторе R3 формирует выходное напряжение операционного усилителя относительно общего провода. Наличие двуполярного напряжения питания позволяет получать выходное напряжение обеих полярностей относительно земли.

Найдем номиналы всех трех резисторов, при Uвых = 0. Зададим значения коллекторных токов Iк транзисторов Q1 и Q2 равными 250 мкА, а коллектор-

ный ток транзистора Q3 примем равным 3 мА, при напряжении питания обеих полярностей 10 В.

Тогда через резистор R2 проходит суммарный ток эмиттеров транзисторов Q1 и Q2, примерно равный 500 мкА. При входных напряжениях, равных нулю, т. е. заземленных входах (подключенных к общему проводу, Uвх+ =

= Uвх– = 0) напряжение на резисторе R2 будет равно напряжению источника отрицательной полярности –Uпит за вычетом Uбэ транзисторов Q1 и Q2. Теперь, зная напряжение Ur2 на резисторе R2, можно найти его номинальное

сопротивление:

58

R2 = Ur2/Ir2= (10 – 0,6) В / 500 мкА = 9,4 В / 0,5 мА = 18,8 кОм.

Ближайшее значение из ряда номинальных значений Е24 составляет 18 кОм. Следовательно, расчетное значение резистора R2 = 18кОм.

Поскольку резистор R1 шунтирован переходом БЭ транзистора Q3, то падение напряжения на резисторе R1 равно Uбэ транзистора Q3 и составляет

0,6 В. С учетом того, что коллекторный ток транзистора Q1 состоит из базового тока транзистора Q3 (30 мкА) и тока, протекающего через резистор R1, номинал резистора R1 должен быть немного больше расчетного значения, соответствующего формуле: R1 = Uбэq3/IR1. Найдем значения резисторовR1 и R3:

R1= 0,6 / (250 – 30) = 0,6В/ 220 мкА = 2,7 кОм,

R3 = V2 / IкQ3 = 10 В/ 3,3мА = 3,3 кОм.

Моделирование работы рассчитанной и спроектированной схемы в программе Microcap 12 в режиме анализа DynamicDC представлено на рис. 1.44.

Отметим следующие основные направления дальнейшего улучшения электрических параметров спроектированного операционного усилителя:

–для увеличения нагрузочной способности ОУ, т. е. обеспечения возможности работы с низким сопротивлением нагрузки, подключаемой к выходу усилителя (до сотен Ом), необходимо подключить третий каскад – эмиттерный повторитель напряжения (дополнительный транзистор в режиме ОК);

–для повышения входного сопротивления необходимо подключить на входы ОУ дополнительные эмиттерные повторители для каждого входного транзистора (Q1 и Q2) или использовать полевые транзисторы;

–для улучшения работы ОУ при широком изменении входных синфазных напряжений при неинвертирующем включении ОУ целесообразно заменить резистор R2 генератором постоянного тока Iгт;

–для симметрии напряжений на нагрузке при двух полярностях выходного напряжения необходимо использовать на выходе ОУ двухтактный повторитель напряжения на двух транзисторах (класс AB);

–для увеличения усиления по напряжению целесообразно использовать

вкачестве нагрузки первого и второго каскада усиления не резистивную нагрузку, а фиксированный или динамически управляемый генератор стабильного тока;

–для расширения частотной полосы пропускания желательно применять каскадную схему, т. е. каскад с последовательным включением транзисторов

врежимах ОЭ и ОБ.

59

Рис. 1.44. Принципиальная схема спроектированного операционного усилителя cо значениями рабочих токов в ветвях и напряжениях в узлах

Рис. 1.45. Схема интегрального ОУ типа 741 60