Литература / (тоже супер) физосновы для экз
.pdf
Р А З Д Е Л 4
внутреннего сопротивления выходные каскады ОУ легко перегружаются и могут выйти из строя.
Для защиты от перегрузок максимальную величину тока нагрузки приходится ограничивать. Один из способов защиты от перегрузки выхода ОУ, использованный в схеме, представлен на рисунке 4.95.
Транзисторы защиты T4, T5 при малых токах нагрузки заперты и открываются только при достижении напряжений на резисторах RЭ1 , RЭ2 порядка 0,6 В (напряжение отпирания крем-
ниевого диода — эмиттерного перехода T4, T5).
Когда ток нагрузки увеличивается настолько, что транзисторы защиты отпираются падением напряжения на RЭ1 , RЭ2 , дальнейшее увеличение токов транзисторов T1, T2 ограничивается за счет шунтирования эмиттерных переходов T1 и T2 транзисторами защиты. Максимальное значение выходного тока не превосходит значения
Iвых max = 0,6 В/RЭ.
Для увеличения максимальной амплитуды выходного тока иногда используют вместо одиночных транзисторов T1, T2 составные транзисторы, включенные по схеме Дарлингтона.
4.5.8. Схемы сдвига уровня
В ОУ, как и в любых усилителях, не имеющих разделительных конденсаторов, постоянная составляющая выходного напряжения каждого каскада должна иметь такое значение, которое диктуется требуемым режимом транзистора следующего каскада. Согласование каскадов по постоянным составляющим может быть выполне-
Б А З О В Ы Е С Х Е М Ы Т Р А Н З И С Т О Р Н Ы Х К А С К А Д О В И У С И Л И Т Е Л Е Й |
531 |
но с помощью схем сдвига уровня (трансляторов уровня), входящих в цепи межкаскадной связи. При этом желательно, чтобы схемы сдвига уровня не снижали коэффициент усиления усилителя.
Обычно схемы сдвига уровня выполняются на основе эмиттерных повторителей. Некоторые варианты схем сдвига уровня приведены на рисунке 4.96.
Схема на рисунке 4.96а является эмиттерным повторителем с разделенной нагрузкой (R1, R2). В ней u1 — имеющийся уровень постоянного напряжения на выходе усилителя, u2 — требуемый уровень постоянного напряжения.
Очевидно, можно записать:
u2 |
= u1 − uбэ − IR1 |
= u1 |
− uбэ − |
u1 − uбэ |
R1 = (u1 − uбэ ) |
R2 |
. |
|
|
||||||
|
|
|
|
R1 + R2 |
R1 + R2 |
||
а |
б |
в |
г |
д |
е |
Рис. 4.96
Варианты схем сдвига уровня
Б А З О В Ы Е С Х Е М Ы Т Р А Н З И С Т О Р Н Ы Х К А С К А Д О В И У С И Л И Т Е Л Е Й |
533 |
||||||||
u2 = u1 − uбэT − IT R1 |
= u1 − uбэ |
− Iд |
R4 |
R1. |
|
||||
|
|
||||||||
1 |
|
2 |
|
|
|
|
R3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
В свою очередь, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Iд = |
E − uд |
= |
E − uбэ |
|
. |
|
|
|
|
R2 |
+ R4 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
R2 + R4 |
|
|
|
||||
Схема работоспособна и при R3 = R4 = 0.
Схема на рисунке 4.96е также является эмиттерным повторителем на T1, нагруженным на цепочку R1 — генератор стабильного тока на T2, R2. Коэффициент передачи по напряжению близок к единице. В этом случае можем записать
|
|
|
|
|
U2 = U1 − UбэT1 |
− IT1 R1, |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
Uб2 − UбэT2 |
− E1 |
|
E1 |
R4 |
|
− UбэT2 − E1 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
IT |
= IT |
= |
= |
|
|
R3 + R4 |
|
. |
||||||||
|
|
R2 |
|
|
|
|
|
|
R2 |
|
||||||
1 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= u1 |
− uбэT − |
R |
|
−E1 |
|
R |
− uбэT |
|
||||||
|
u2 |
1 |
|
|
3 |
. |
||||||||||
|
|
R3 + R4 |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
R2 |
|
|
|
2 |
|
|||||
При uбэT1 = uбэT2 = uбэ, получаем
|
|
|
R |
|
|
R |
|
R |
|
u2 |
= u1 |
− uбэ |
1 |
− 1 |
+ E1 |
1 |
|
3 |
. |
|
|
|
|||||||
|
|
R2 |
|
|
R2 R3 + R4 |
||||
Как видим, при отрицательном E1 требуемый уровень u2 может принимать и положительные, и отрицательные значения, а также быть равными нулю, что необходимо для выходного каскада ОУ. Величина и знак u2 могут определяться соотношением резисторов R3, R4. Все ранее рассмотренные схемы сдвига уровня могут иметь двухполярное питание и, следовательно, создавать на выходе положительный, отрицательный или нулевой потенциал.
534 |
Р А З Д Е Л 4 |
ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ |
|
Задача 4.24. Частотонезависимые |
схемы |
с операционным усилителем. В схеме на рисун- |
|
ке 4.97 используется операционный усилитель со |
|
следующими данными: коэффициент усиления |
|
KОУ = 50 103; входное сопротивление RвхОУ = 1 МОм; |
|
выходное сопротивление RвыхОУ = 100 Ом. Параме- |
|
тры схемы: R0 = 5,1 КОм; Rо.с = 100 КОм; Rн = 10 КОм. |
|
Найти усилительные параметры схемы — коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления.
Р е ш е н и е.
1. Общие соображения. В схеме используется последовательная отрицательная связь по
напряжению: напряжение обратной связи Uо.с, пропорциональное выходному напряжению Uвых, включено встречно усиливаемому сигналу Eг. В практике схема называется неинвертирующим усилителем. Сопротивление Rн = 10 КОм на расчете не отразится, так как оно существенно больше (на несколько порядков) выходного сопротивления схемы.
2. Коэффициент усиления находим по формуле для данной схемы:
KU = Uвых/Eг = 1 + Rо.с/R0 = 1 + 100/5,1 = 20,6.
3. Входное сопротивление для схемы с последовательной ООС по напряжению
Rвх = RвхОУ(1 + KОУχ),
где χ = R0/(R0 + Rо.с) = 5,1/(100 + 5,1) ≈ 0,05 МОм.
Отсюда
Rвх = 106 (1 + 50 103 0,05) = 2,5 103 МОм.
Б А З О В Ы Е С Х Е М Ы Т Р А Н З И С Т О Р Н Ы Х К А С К А Д О В И У С И Л И Т Е Л Е Й |
535 |
4. Выходное сопротивление
Rвых = RвыхОУ/(1 + KОУχ) = 100/(1 + 50 103 0,05) = = 100/(2,5 103) = 0,04 Ом.
Задача 4.25. Частотонезависимые схемы с операционным усилителем. В схеме на рисунке 4.98 значения всех параметров схемы те же, что и в схеме на рисунке 4.97. Найти коэффициент усиления
|
схемы, ее входное |
|
и выходное сопротив- |
|
ления, а также вход- |
|
ное сопротивление |
|
R′вх в точке суммиро- |
|
вания токов. |
|
Р е ш е н и е. |
Рис. 4.98 |
1. Общие сообра- |
жения. Используется |
|
Схема инвертирующего |
параллельная ООС по |
усилителя |
|
|
напряжению: в точке |
суммирования токов в инвертирующем входе из входного тока Iвх вычитается ток обратной связи Iо.с, пропорциональный выходному напряжению Uвых. В практической схемотехнике такая схема называется инвертирующим усилителем. Напомним, что, так как входное сопротивление со стороны инвертирующего входа велико и этот вход тока не потребляет, то практически весь ток Iвх течет через сопротивление Rо.с, т. е. Iо.с = Iвх.
2. Коэффициент усиления по напряжению
KU = Uвых/Eг = –Rо.с/R0 = –100/5,1 = –19,6.
Знак «минус» показывает, что полярность выходного сигнала обратная полярности входного.
3. Входное сопротивление схемы
Rвх = R0 = 5,1 КОм
(как показано ниже, последовательно включенное сопротивление R′вх пренебрежимо мало).
536 |
Р А З Д Е Л 4 |
4. Выходное сопротивление схемы
Rвых = RвыхОУ/[1 + KОУR0/(R0 + Rо.с)] =
=100/[(50 103 5,1)/(100 + 5,1)] ≈ 0,04 Ом.
5.Входное сопротивление в точке суммирования токов находится как сопротивление, образуемое двумя параллельно включенными цепями: входным сопротивлением операционного усилителя и цепью сопротивления Rо.с:
R′вх = RвхОУ || Rо.с/(1 + KОУ) =
= 106 || 105/(5 104) = 106 || 10/5 = 2 Ом.
Таким образом, сопротивление R′вх = 2 Ом, включенное последовательно с сопротивлением R0 = 5,1 КОм, на величине входного сопротивления не сказывается.
Задача 4.26. Частотонезависимые схемы с операционным усилителем. В схеме на рисунке 4.99 используется операционный усилитель со следующими дан-
ными: |
коэффици- |
|
ент усиления |
KОУ = |
|
= 50 103; |
входное со- |
|
противление |
RвхОУ = |
|
= 1 МОм; выходное сопротивление RвыхОУ = = 100 Ом. Параметры схемы: Rн = 4,3 КОм; R1 = 0,1 КОм. Найти усилительные пара-
метры схемы — коэффициент усиления по напряжению, входное и выходное сопротивления.
Р е ш е н и е.
1. Общие соображения. В схеме, часто называемой преобразователем напряжение — ток, используется последовательная ООС по току: напряжение обратной связи Uо.с, пропорциональное выходному току Iвых, включено встречно усиливаемому сигналу Eг. Естественным усилительным параметром
538 |
Р А З Д Е Л 4 |
ООС по току: в точке суммирования токов (в инвертирующем входе) из входного тока Iвх вычитается ток обратной связи Iо.с, пропорциональный выходному току Iвых, при этом Iо.с = Iвх, так как вход операционного усилителя тока не потребляет.
Покажем, что схема работает как усилитель тока. В самом деле, так как Rг R′вх, где R′вх — сопротивление в точке суммирования токов, то ток Iвх задается внешней по отношению к усилителю цепью; с другой стороны, схема с ООС по току обладает, как известно, большим выходным сопротивлением, т. е. Rвых Rн, и ток Iвых практически от сопротивления Rн не зависит. Поэтому разумно в качестве усилительного параметра принять коэффициент усиления по току KI = Iвых/Iвх.
2. Коэффициент усиления по току
KI = Iвых/Iвх = –(1 + R1/R2) = –(1 + 30/0,3) = –101.
Знак минус означает, что при втекающем токе Iвх ток Iвых также втекающий, а не вытекающий, как можно было бы предположить.
3. Входное сопротивление
Rвх = Rг = 0,5 МОм.
4. Выходное сопротивление
Rвых = (RвыхОУ + R2)[1+KОУR2Rг/(RвыхОУ + R2)(Rг +R1)]=
=(100 + 300) [1 + 50 103 300 0,5 :
:(100 + 300)(0,5 + 0,03)] = 400 50 103 (3/4) =
=100 150 000 = 15 106 Ом = 15 МОм.
5. Входное сопротивление в точке суммирования
|
R′ |
= R |
|
|
|
|
|
R1 |
|
≈ |
|
|
|
+ K |
R |
|
|
|
|||||||
|
вх |
вхОУ 1 |
/(R + R ) |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ОУ |
2 |
н |
2 |
|
|
≈ |
|
R1 |
|
= |
|
|
|
30 103 |
|
|
= |
|
KОУ R2 /(Rн + R2 ) |
|
50 103 0,3/(1+ 0,3) |
||||||||||
= 3 1,3/(5 0,3) = 2 1,3 = 2,6 Ом.
Б А З О В Ы Е С Х Е М Ы Т Р А Н З И С Т О Р Н Ы Х К А С К А Д О В И У С И Л И Т Е Л Е Й |
539 |
||||
Задача |
4.28. Частотонезависимые |
схемы |
|||
с операционным усилителем. В схеме на рисун- |
|||||
ке 4.101 Eг1 = Eг2 = 1 В; R1 = R2 = 10 КОм; R0 = 20 КОм; |
|||||
Rо.с = 100 КОм. Чему |
|
|
|||
равны |
напряжения |
|
|
||
на |
инвертирующем |
|
|
||
входе |
U− |
и выходе |
|
|
|
|
|
вх |
|
|
|
Uвых? Чему равен ток |
|
|
|||
в цепи обратной свя- |
|
|
|||
зи Iо.с? Считать опера- |
|
|
|||
ционный усилитель |
|
|
|||
идеальным. |
|
|
|
||
Р е ш е н и е. |
Рис. 4.101 |
|
|||
1. Схема представ- |
|
||||
ляет |
собой |
неинвер- |
Схема неинвертирующего |
||
сумматора |
|
||||
тирующий сумматор. |
|
|
|||
Так как неинвертирующий вход тока не потребля- |
|||||
ет, то сумма токов, отбираемых от источников Eг1 |
|||||
и Eг2, равна нулю: |
|
|
|||
|
I1 + I2 = (Eг1 − Uвх+ ) / R1 + (Eг2 − Uвх+ ) / R2 = 0. |
||||
С учетом равенства напряжений Eг1, Eг2 и сопротивлений R1, R2 от этих источников отбираются одинаковые токи I1, I2. Это может быть лишь при условии I1 = I2 = 0 или Uвх+ = Eг1 = Eг2 = 1 В.
2.Так как операционный усилитель находится
влинейном режиме (это предположение подтвердится в п. 3), то напряжение Uвх+ = Uвх− = 1 В.
3.Напряжение на выходе
Uвых = Uвх+ (1+ Rо.с / R0 ) = 1 (1+ 100 /20) = 6 В.
4. Ток в цепи обратной связи
Iо.с = (Uвых − Uвх− ) / Rо.с =
= (6 − 1) /100 = 5/100 = 0,05 мА=50 мкА.
Задача 4.29. Частотонезависимые схемы с операционным усилителем. В схеме на рисунке 4.102 Eг1 =1 В; Eг2 =2 В; R1 =10КОм; R2 =10КОм;