Проектирование аналоговых устройств

83

7 ДРУГИЕ КАСКАДЫ С РАВНОМЕРНЫМИ АЧХ

7.1 Фазоинверсный каскад

Каскад предназначен для перехода от несимметричного входа к симметричному выходу. Он состоит из объединенных по входу неинвертирующего и инвертирующего каскадов (рис. 7.1). На входе неинвертирующего каскада содержится пассивный делитель. Резисторы этого делителя идентичны резисторам, используемым в цепи обратных связей неинвертирующего и инвертирующего каскадов на одинаковых ОУ. На рисунке 7.1 одинаковые резисторы имеют одинаковые позиционные обозначения.

Рис. 7.1 — Схема фазоинверсного каскада каскада

Достоинством этого каскада является идентичность АЧХ неинвертирующего и инвертирующего плеч. Она обусловлена тем, что коэффициент передачи неинвертирующего плеча уменьшается входным делителем R1—R2 (6.8, 6.9, 6.41, 6.42) точно так же, как и в инвертирующем каскаде. Характеристики каскада и каждого из его плеч (неинвертирующего и инвертирующего) определяются соотношениями для инвертирующего

каскада. Резистор R, сопротивление которого R=R1 R2, ставится

в случае необходимости уменьшения смещения нуля на выходе каскада за счет входных токов (рис. 6.18). При отсутствии такой необходимости этот резистор заменяется коротким замыканием.

84

7.2Самобалансирующийся каскад с симметричным входом и симметричным выходом

Каскад используется в устройствах с высоким коэффициентом ослабления синфазной помехи. Он состоит из двух плеч на одинаковых неинвертирующих каскадах с общим резистором в цепях ОС R1 (рис. 7.2)

DA

+

–

R2

Uвх Uвых

Рис. 7.2 — Самобалансирующийся каскад с симметричным входом и симметричным выходом

Передаточные характеристики каскада и каждого из его плеч определяются соотношениями для неинвертирующего кас-

када (см. п. 6.2.1). Отличие заключается лишь в том, что нулевой потенциал по сигналу находится «в середине» резистора R1

(на рис. 7.2 показано штриховой линией). В этой связи коэффициент усиления дифференциального сигнала, равный коэффициентам усиления каждого из плеч, определяется равенством

Благодаря «плавающему» нулю каскад отличается высокой идентичностью коэффициентов передачи составляющих его плеч. Разбаланс коэффициентов передачи плеч каскада (например, за счет разброса номиналов резисторов R1) приводит к изменению «точки» нулевого потенциала цепи ОС так, что напряжение ОС плеча с большим коэффициентом передачи увеличивается, а напряжение ОС плеча с меньшим коэффициентом передачи уменьшается. В результате асимметрия плеч уменьшается в глубину ОС раз. Это приводит к тому, что разброс параметров элементов схемы практически не сказывается на асимметрии

85

плеч каскада, поскольку глубина ОС в дБ равна разности коэффициентов усиления ОУ Ko и каскада с ОС Koс (см. рис. 6.1, 6.6).

Принимая во внимание, что Ko ОУ обычно порядка 100—120 дБ, а Koс порядка 0—20 дБ, получаем разброс коэффициентов пере-

дачи плеч порядка 10–6—10–4 (т.е. порядка 0,001 % при работе каскада в режиме неинвертирующего повторителя и 0,01 % — в режиме усилителя с Kос ≈ 20 дБ).

Коэффициент усиления синфазной помехи каскада практически равен единице Kсфо =1 [7, 18, 19]. Физически такой эффект

объясняется тем, что симметричная схема одинаково усиливает синфазную помеху плечами каскада. Одинаковое усиление приводит к равным выходным напряжениям синфазной помехи на верхнем и нижнем плечах каскада. А это значит, что в любой точке цепи делителя R2 → R1 → R2 напряжение синфазной помехи одинаково, т.е. выходное напряжение синфазной помехи полностью подается на инвертирующие входы ОУ обоих плеч (100 % ООС по напряжению синфазной помехи). Другими словами, идеально симметричный входной каскад по синфазной помехе работает в режиме повторителя. При этом коэффициент ослабления синфазной помехи (КОСФП) каскада оказывается равным Kсо. Максимальная величина входного напряжения синфазной

помехи ограничивается динамическим диапазоном входного ОУ. Разброс номиналов пассивных элементов входного каскада практически не ухудшает эффекта подавления синфазных составляющих входным каскадом из-за глубокой обратной связи по синфазной помехе. Обычно такой каскад реализуется на прецизионных малошумящих ОУ.

7.3Каскад с симметричным входом

инесимметричным выходом

Каскад представляет собой разностный сумматор (рис. 7.3) [5]. Он передает напряжения с каждого из двух симметричных входов (в сумме они составляют входное напряжение Uвх) с рав-

86

при номинальных значениях R2 = R2* и R1 = R1* (т.е. коэффициент усиления каскада тоже равен Kсво , т.к. входное напряжение

каскада равно сумме входных напряжений плеч). Характеристики каскада аналогичны характеристикам инвертирующего каскада

(см. п. 6.2.2).

Рис. 7.3 — Каскад с симметричным входом и несимметричным выходом

Разброс номиналов резисторов R1- R2 и R1* - R2* в этом

каскаде непосредственно сказывается на подавлении синфазных помех из-за того, что с неинвертирующего и инвертирующего входов синфазные сигналы на выход передаются с разбросами коэффициентов передачи:

Другими словами: это приводит к неполной компенсации на выходе усиленных синфазных сигналов с разных входов сумматора, т.к. сигналы с неинвертирующего и инвертирующего входов (из-за неодинаковости коэффициентов передачи делителей

R1 - R2 и R1* - R2* неинвертирующего и инвертирующего плеч) на выход каскада передаются с разными коэффициентами усиле-

ется выбранным рядом номиналов (Приложения 4, 5). Неодинаковость коэффициентов передачи каналов эквивалентна пред-

87

ставлению входного синфазного сигнала разбитым на 2 составляющие:

Uвх сф =Uвх сф1 +Uвх сф2 ,

где Uвх сф1 — синфазная составляющая, соответствующая номи-

нальным значениям сопротивлений,

Uвх сф2 — дифференциальная составляющая, за счет разба-

ланса входных делителей из-за разброса реальных значений сопротивлений резисторов относительно их номинальных значений.

Синфазная составляющая Uвх сф1 ≈ Uвх сф передается на выход с коэффициентом усиления синфазного сигнала Ko сф, а диф-

ференциальная составляющая (за счет разбаланса делителей плеч) Uвх сф2 — с коэффициентом усиления дифференциального

сигнала Ko диф = Ko = R2 . В результате максимально-возможный

R1

коэффициент передачи синфазной помехи (со входа на выход сумматора) определится равенством

резисторов будет определяться практически только допусками на разброс сопротивлений резисторов

В большинстве практических случаев выбором допусков на номиналы резисторов удается обеспечить допустимые требования по минимуму КОСФП. Так для ряда сопротивлений с 1 % точностью

88

Для повышения КОСФП сумматора на одном из его входов может быть использован подстроечный резистор, нивелирующий

разброс сопротивлений делителей R1 - R2 и R1* - R2* на каждом из входов каскада. Пример схемы включения подстроечного резистора показан на рис. 7.3 штриховыми линиями. Сопротивление подстроечного резистора должно обеспечивать подстройку идентичности плеч разностного сумматора по коэффициентам деления на каждом из входов при разбросе сопротивлений резисторов, приводящем к максимальному разбросу коэффициентов усиления плеч. Сопротивление подстроечного резистора зависит от выбранного ряда номиналов резисторов

Здесь, как и ранее, δR — допуск на разброс сопротивлений

R

выбранного стандартного ряда номиналов резисторов R1 и R2 (Приложения 4,5). Для обеспечения высокой точности подстройки, необходимой при балансировке схемы для получения максимального КОСФП, ряды номиналов для резисторов R1 и R2 выбирают с допусками не более 1—2 %. Тогда номинал подстроечного резистора окажется малым по сравнению с номиналами

R1 - R2 и R1* - R2* , что обеспечивает плавность подстройки ко-

эффициента передачи делителя одного из каналов под коэффициент передачи второго канала сумматора.

Балансировка каскада при помощи подстроечного резистора обеспечивает коэффициент ослабления синфазной помехи, стремящийся к КОСФП используемого ОУ, т.е. к максимально возможному в соответствии с (7.2а). Однако применение подстроечного резистора усложняет схему и требует настройки сумматора на максимум КОСФП (балансировки плеч делителей), что при серийном производстве повышает себестоимость устройства.

Дополнительная подстроечная цепь (резистор с конденса-

тором), показанная на рисунке пунктирными линиями, обеспечивают нивелировку разброса входных емкостей плеч, приводящих к неидентичности АЧХ плеч на верхних частотах рабочего диапазона и к понижению КОСФП на этих частотах. Для усилителей

89

звукового диапазона частот обычно используют сопротивление подстроечного резистора 100 кОм и емкость конденсатора 100 пФ. При этом остается целесообразным применение прецизионных резисторов R1 и R2 для повышения КОСФП [7].

Дополнительный резистор R на выходе ОУ ставят в случаях работы каскада на значительную емкостную нагрузку, т.е. когда емкость нагрузки превышает максимально-допустимую емкость нагрузки используемого ОУ. Примером такого случая может быть работа выходного каскада микрофонного усилителя на длинный кабель, нагруженный на высокоомное сопротивление нагрузки. В этом случае включением резистора устраняется неравномерность АЧХ на верхних частотах и возможность самовозбуждения каскада, обусловленная последовательным резонансом индуктивного выходного сопротивления каскада на ВЧ и емкости нагрузки [7]. Обычно номинал этого резистора выбирают в пределах 100—200 Ом. Такое сопротивление практически не сказывается на изменении коэффициента передачи в области рабочих частот, но существенно увеличивает активную составляющую выходного сопротивления каскада на операционном усилителе с глубокой ОС, исключая возможность проявления резонансных эффектов в выходной цепи и нагрузке усилителя.

7.4 Взвешенный многовходовый сумматор

Взвешенный многовходовый сумматор представляет собой суммо-разностное устройство на ОУ с внутренней коррекцией АЧХ (рис. 7.4), выходное напряжение которого определяется выражением

Дополнительный резистор Rд или Rд′ ставится только на один из входов ОУ для обеспечения равенства сопротивлений R1 на неинвертирующем и инвертирующем входах ОУ.