Электроника и схемотехника, учебное пособие, Щ.А.С., О.А.Г

202

1. Коэффициент усиления без обратной связи ( А ) . Коэффициент усиления усили-

теля в отсутствие обратной связи обычно равен нескольким тысячам, который называется также полным коэффициентом усиления по напряжению.

кающие внутри усилителя, служат причиной появления на его выходе некоторого ненулевого напряжения при нулевом напряжении на обоих входах. Является следствием неточ-

(/см). Ток на входах усилителя, необходимый для работы входного каскада операционного усилителя; ток базы, который должен быть обеспечен для входного транзистора.

4. Входной ток сдвига (Iсдв). Разность токов смещения, необходимых для двух входных транзисторов операционного усилителя. Появляется вследствие неточного согласования коэффициентов усиления по току (β) входных транзисторов. Если Iсм1- ток, необходи-

мый для питания базы входного транзистора на инвертирующем входе, а Iсм2 - ток, необходимый для питания базы входного транзистора на неинвертирующем входе, то Iсдв = Iсм1-Iсм2 (рис. 6.13). Входной ток сдвига меняется приблизительно так же, как входное напряжение, поэтому ток сдвига является переменной величиной. Обычно Iсдв лежит в диапазоне от нескольких единиц до нескольких сотен наноампер.

5. Входное сопротивление Rвх. Сопротивление усилителя по отношению ко входному

сигналу. Как правило, Rвх превышает один мегаом, но может достигать и нескольких сотен мегомов.

Рис. 6.13

Следует различать дифференциальное входное сопротивление, т. е. сопротивление между двумя входными выводами, и синфазное входное сопротивление, т. е. сопротивление между объединѐнными обоими выводами входов и землей. В описаниях микросхем обычно

204

используются 6 резисторов. Необходимо определить номиналы этих резисторов, используя следующие параметры операционного усилителя: 1) напряжение сдвига UСДВ, 2) ток смещения iСМ, 3) коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи А, 4) напряжение источника питания ±U.

Рис. 6.14

Пусть β является коэффициентом усиления обратной связи и показывает, какая часть выходного сигнала Uвых попадает обратно на вход. После замыкания обратной связи операционного усилителя его входной сигнал станет Uвх - β·Uвых. При замыкании обратной

связи выходное напряжение операционного усилителя станет Uвых=А·(Uвх - β· Uвых).

Отсюда коэффициент усиления с замкнутой обратной связью инвертирующего усилителя будет КОС = Uвых/Uвх=(ROC + R1)/R1. Аналогичная формула будет для неинвертирующего усилителя. Если А·β>> 1, то можно принять КОС = 1/β.

205

Эффективный коэффициент усиления операционного усилителя с замкнутой обратной связью определяется как Аэфф = А·RО.С/(R1 + RО.С). Тогда выражение для коэффициента

Номинал резистора R1 обычно выбирают по собственному усмотрению. В результа-

те параметры элементов компенсации входного напряжение сдвига операционного уси-

лителя (рис. 6.14) определены полностью.

При этом, если известны для операционного усилителя без обратной связи входное Rin и выходное Rout сопротивления, то при наличии обратной связи они примут следующие значения:

В типовом случае, когда Rin= 1 Мом, Rout = 100 Ом, β = 0,1 и А = 1000, входное и выходное сопротивления будут равны 100 Мом и 1 Ом соответственно.

6.2. Аналоговые ключи

Необходимость выполнять коммутационные функции в кристаллах интегральных схем, а также необходимость в ключах, совместимых с интегральной технологией, привели к развитию интегральных схем ключей. Интегральные' схемы аналоговых ключей имеются как в виде отдельных кристаллов, так и в виде непосредственно встроенных во многие аналого-цифровые; н цифро-аналоговые интегральные схемы. Коммутирующими элементами служат диффузионные или МОП-транзисторы. Эти элементы отличаются значительно большим быстродействием по сравнению с электромеханическими ключами, но в отличие от последних они не предназначены для коммутации больших токов или напряжений.

Типичный аналоговый ключ на диффузионном полевом транзисторе фирмы National

206

Semiconductor АНО 140 показан на рис. 6.15.

Рис. 6.15

Особенности этой серии заключаются в том, что время включения (замыкания) доведено до 0,4 мкс, а время выключения (размыкания) - до 1 мкс. Сопротивление во вклю-

207

ченном состоянии может иметь пять значений в диапазоне между 10 и 80 Ом (в зависимости от типа ключа). В серии предусмотрена работа с высоким (±10 В) и низким (±7,5 В) входными напряжениями. Ключи работают с напряжением питания управления ±15 В, но могут переключаться с помощью ТТЛ-логики. Для переключения ключа схема его управления требует перепада только 2,5 В при 0,1 мА. Ключи могут коммутировать токи вплоть до 30 мА. Для того чтобы обеспечить замыкание ключа, выполненного на диффузионных полевых транзисторах, необходимо иметь напряжение стока выше напряжения остальных электродов, что может рассматриваться как недостаток.

Схема, приведенная на рис. 6.15, а работает следующим образом: ключ приводится в действие заземлением разрешающего входа. Если этот вход имеет высокий потенциал,

равный нулю, принятому для логической единицы, то входные транзисторы T1 не могут открыться и ключ лишен возможности включиться. Если разрешающий вход имеет низ-

кий потенциал, то при Uвх > 2,5 В транзисторы T1 отпираются, что в свою очередь приво-

дит к отпиранию транзисторов Т2, Т3 и запиранию транзистора Т4. Напряжение затвора диффузионного полевого транзистора теперь равно напряжению в канале полевого тран-

зистора и остается выше напряжения источника сигнала. Когда Uвх 0,8 В, то T1 и Т2 за-

крываются и открывается Т4. Транзистор Т4 через прямо смещенный коллекторный пере-

ход Т3 присоединяет затвор канального полевого транзистора к -U и тем самым удержива-

ет его в закрытом состоянии. Эмиттерный neреход Т3 при этом закрыт.

Интегральные схемы ключей на МОП-транзисторах могут быть построены так, что при этом будет безразлично, какой из контактов присоединен к напряжению высокого уровня. Как показано на рис. 6.16, аналоговый ключ на МОП-транзисторах состоит из па-

раллельного соединения транзисторов с р- и n-каналами. Два усилителя обеспечивают надлежащее согласование полярности управляющего напряжения и напряжений, прикладываемых к затворам.

208

Рис. 6.16

Когда Uвх< Uon, в схеме рис. 6.16 затвор n-канального МОПтранзистора T1 находится

под напряжением -U, а затвор р-канального транзистора Т2 - под напряжением +U. При этом ключ разомкнут при любых напряжениях на его контактах в пределах напряжения

источника питания. Когда Uвх> Uon, затвор n-канального МОП-транзистора получает на-

пряжение +U, а затвор р-канала получает -U. Ключ теперь замкнут при любых напряжениях на контактах, лежащих в пределах от напряжения положительного источника питания минус пороговое напряжение n-канального МОП-транзистора и до напряжения

отрицательного источника питания минус (отрицательное) пороговое напряжение р-ка- нального МОП-транзистора. Интегральные схемы ключей выпускаются различными производителями полупроводниковых приборов.

Появление надежных аналоговых ключей на МОП-транзисторах, изготовляемых в виде интегральных схем, позволяет конструкторам интегральных схем использовать малые и точные по величине отношения емкостей МОП-конденсаторов в сочетании с аналоговыми ключами для выполнения функций, которые прежде требовали резисторов, МОПконденсаторы и меньше по размерам, и значение их емкости более точно устанавливается по сравнению со значениями сопротивлений резисторов в монолитных интегральных схемах. Два применения коммутируемых конденсаторов составляют компараторы и устройства установки коэффициента. усиления.

На рис. 6.17 показан компаратор с коммутируемым конденсатором, или, как его иначе называют, компаратор, балансирующий заряд. Он используется в монолитных интеграль-

209

ных МОП-транзисторах фирмы National Semiconductor. Схема работает за счет поочередной выборки опорного и входного напряжений. Когда Кл1 замкнут, С1 и С2 заряжаются до

Uon. Во время заряда конденсаторов усилитель шунтирован ключом. Затем ключ размыка-

ется и Кл2 замыкается. Если Uвх = Uon, никакого изменения зарядов на конденсаторах не происходит. Если Uвх< Uon, то выходное напряжение усилителя получит положительное отклонение, при Uвх> Uon - отрицательное.

Рис. 6.17

Отклонение выходного напряжения передается с помощью связи по переменному то-

ку через конденсатор Сc к триггеру с импульсной установкой. Отклонение выходного напряжения определяется произведением изменения напряжения на конденсаторе С2 и коэффициентом усиления по напряжению.

Ключи Кл1 и Кл2 являются аналоговыми МОПтранзисторными ключами. Установка коэффициента усиления может производиться с помощью коммутируемых конденсаторов. Конденсаторы могут быть использованы для установки коэффициента усиления операци-

онного усилителя, как это показано на рис. 6.18, а. Коль Uвх скоро есть напряжение переменного тока, то

K=Zo.c/Z1 = (1/2πf Co.c )/(1/2πf С1) = С1 /Сo.c.

210

Рис. 6.18

Модуль коэффициента усиления сохраняется при изменении частоты. Однако легче построить МОП-конденсаторы с одной заземленной пластиной. Схема на рис. 6.18, а не способна усиливать напряжение постоянного тока.

Как показано на рис. 6.18, б, заземленный конденсатор может действовать как резистор, если частота его переключения ключом fкл выше, чем наивысшая частота, содержащаяся во входном сигнале. Если ключ разомкнут столько же времени, сколько замкнут, то

можно найти эффективное сопротивление конденсатора Rэфф следующим образом:

.

Rэфф=Uc/Ic,

где Uc=Q/C, Q – заряд конденсатора; C – ѐмкость конденсатора.