Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009 (1)

Входное сопротивление ДУ определяется отдельно для диф­

ференциальной и синфазной составляющих. Для дифферен­

циальной составляющей входное сопротивление Rвх. д равно

удвоенному входному сопротивлению каждого плеча ДУ. По­ скольку каждое плечо ДУ является схемой с ОЭ; то согласно

представлению транзистора как четырехполюсника в схеме с

ОЭ входное сопротивление - это параметр h11э (см. гл. 4),

поэтому

(8.16)

При малых токах дифференциальное сопротивление эмит­ терного перехода rэ много больше, чем при больших, поэтому

для увеличения Rвх. д необходимо использовать ДУ в режиме

малых токов.

Для синфазной составляющей входное сопротивление Rвх. с

определяется сопротивлением Ri источника тока 10 • Тогда Rвх. с

можно вычислить по формуле

(8.17)

Динамический диапазон - отношение минимально возмож­

ного и максимального входных сигналов. Это отношение часто выражают в децибелах. Минимальный сигнал ограничивается

собственными шумами, а максимальный - искажениями фор­ мы сигнала (нелинейные искажения). Приближенно можно оце­

нить максимально допустимый сигнал, пользуясь Передаточной

характеристикой ДУ (см. рис. 8.9)

Для работы усилителя необход:Има нагрузка. В рассмотрен­

ных ДУ в качестве нагрузки выступали резисторы в коллектор­ ных цепях. Такая нагрузка называется пассивной. Однако на­ грузка может быть и активной (динамической), когда в качестве

нагрузки выступают транзисторы. Необходимость использова­

ния транзисторов в качестве нагрузки вызвана тем, что для полу­

чения большого коэффициента усиления следует использовать ре­ зисторы с большим номиналом. Однако использование большого сопротивления нагрузки в ИС приводит к ряду трудностей. В ИС

площадь, необходимая под резистор, пропорциональна его сопро­ тивлению, т. е. резистор с большим сопротивлением занимает слишком много места на кристалле. Помимо этого, резистор с большим номиналом имеет и значительную паразитную емкость.

В результате напряжение на

коллекторе будет много меньше напряжения источника пита-

ния, а это приводит к значительному уменьшению диапазона

изменения входного напряжения ДУ.

Из-за наличия указанных недостатков в ДУ ИС используют

активную (динамическую) нагрузку. Пример ДУ на биполяр­ ных транзисторах VT1 и VT2 с активной нагрузкой (также из би­

полярных транзисторов VT3 и VT4) приведен на рис. 8.10, где VT3 включен по диодной схеме. Такое сочетание VT3 и VT4 , как

отмечалось в п. 8.2, называется токовым зеркалом. Если тран­ зисторы VT3 и VT4 совершенно идентичны и напряжения база­

эмиттер у них равны, то в этом случае коллекторные токи обоих транзисторов одинаковы, т. е. 13 =14 • Следовательно, любой ток через VT4 будет «зеркальным отражением» тока через VT3 • Ана­

лиз такой схемы показывает, что коэффициент усиления пере­

менного напряжения такого каскада ДУ равен К = 2gRн, где Rн определяют транзисторы VT3 и VT4 , а g = 1112 /[(I1 + 12)q>т] - пе­ редаточная проводимость. Таким образом, К· в ДУ с активной нагрузкой вдвое больше, чем с постоянной резистивной.

8.3.2. ДУ на полевых транзисторах (ПТУП) и МДП (МОП)-транзис­

торах.

Этот тип ДУ принципиально работает так же, как и ДУ на ВТ, однако ДУ на ПТ обладает по сравнению с ДУ на ВТ гораздо

ской нагрузкой представлена на рис. 8.11, где нагрузочные транзисторы VT2 и VT4 представляют собой динамические нагрузки для VT1 и VT3 • Нагрузочные тран­

зисторы работают на участках насыщения БАХ, потому что в ма­ лосигнальном приближении их сопротивления одинаковы и оп­

ределяются формулой

(8.18)

где _индексы п = 2, 4 относятся к транзисторам VT2 и VT4 соот­

ветственно; Sn - крутизна характеристики соответствующего

транзистора, а Исп• Icn - напряжение и ток стока. Поскольку, как и в ДУ на ВТ, коэффициент усиления для дифференциальной составляющей в рассматриваемом случае равен коэффициенту

усиления отдельного плеча, то достаточно оценить значение К, например, для левого плеча, составленного из VT1 и VT2 • Выход-

ное напряжение Ивых определяется соотношением (см. гл. 6)

Ивых = -IcRc = -SRсИвх' откуда следует, что К= ИвыхlИвх =

=-SiRc.

Учитывая (8.18), получим

(8.19)

Коэффициент усиления ограничен значениями 5 ... 7, по­

скольку он определяется размерами каналов у активного и на­

грузочного транзисторов, прежде всего отношением толщин ка­

налов, которое лимитируете.я возможностями технологии.

Анализ показывает, что :коэффициент усиления для синфаз­

В МДП-транзисторных ДУ главная составляющая напряже­

ния смещения Исм обусловлена разбросом Пороговых напряже­

ний и удельных :крутизн активных транзисторов, поэтому зна­ чения Исм у МДП ДУ больше, чем у биполярных ДУ.

8.3.3. Дифференциальный усилитель на составных транзисторах. Составной транзистор - это :комбинация из нескольких тран­

зисторов в ИС, соединенных между собой так, что их можно

рассматривать как единое целое. Свойства составных транзис­ торов сильно отличаются от свойств обычных транзисторов. На­ ибольшее распространение получили составные транзисторы в виде так называемой пары Дарлингтона.

Схема ДУ с двумя парами транзисторов Дарлингтона

(рис. 8.12) позволяет получать очень высокое входное сопротив­ ление и очень низкий входной ток смещения по сравнению с·.

обычной схемой. Несколько большее напряжение смещения из-за наличия четырех транзисторов в ДУ с транзисторами Дар­

лингтона является одним из недостатков этого вида ДУ. Глав­

ная особенность пары Дарлингтона, например VT1 и VT2 , - это исключительно большой :коэффициент передачи базового тока,

который равен~= ~1~2, где ~1' ~2 - :коэффициенты передачи ба­

зового тока соответственно транзисторов VT1 и VT2 •

Поскольку :коэффициент передачи по току одиночного тран­

зистора равен по порядку величины 102 , то общий :коэффициент

передачи по току схемы Дарлинг-

тона есть величина порядка 104 •

Из-за большого коэффициента пе­ редачи по току входной ток сме­

щения (Iв> в ДУ со схемой Дарлинг­

тона очень мал, а входное сопротив­

ление, обратно пропорциональное

току смещения (базовому току), на-

инас =и-+ 1 в

Рис. 8.14

ше -0,5 В. Напряжение И0 на выходе ОУ не может превысить напряжения источника питания. При этом максимальное зна­ чение И0 всегда по крайней мере на 1 В меньше абсолютной ве­

личины питающего напряжени.Я. При низкоомной нагрузке И0

заметно меньше этой максимальной величины: большинство ОУ питаются от сдвоенного источника питания с отрицатель­

ным и положительным полюсами, подключенными к специаль­

ным выводам ОУ (см. рис. 8.13, в).

Идеальная передато';lная характеристика ОУ (рис. 8.14) пред­ ставляет собой ломаную линию, состоящую из линейно восходя­ щей (область усиления) и горизонтальной (область насыщения). В области насыщения выходное напряжение ограниченно напря­

жением питания и, как только что отмечено, ниже его на 1 ... 2 В (см. рис. 8.14). Коэффициент усиления К в ОУ очень велик, осо­ бенно при работе на низких частотах, где он достигает значе­

ний 105 ••• 106 , поэтому ширина линейной зоны (диапазон измене­

ния входных напряжений) весьма незначительна (см. рис. 8.14,

кривая 1). При напряжении питания ±10 В и указанных коэффи­

циентах усиления диапазон изменения входных напряжений, со­

ответствующий линейному участку, составляет 0,02 ...0,2 мВ,

т. е. достаточно малые входные сигналы < 1 мВ вызывают уже

насыщение усиления и при больших значениях входных сигна­

лов возникают нелинейные искажения. По этой причине и ряду

других на практике обычно применяют ОУ с обратной связью (ОС) (рис. 8.15, а). В этом случае часть выходного напряжения через элемент отрицательной обратной связи Z 2 подаете.я на ин­

вертирующий вход. Величина напряжения, поступающего на вход за счет ОС, определяется делителем напряжения Z1' Z 2 • Ко-

Рис. 8.15

эффициент, показывающий, какая часть напряжения посту­

пает с выхода на вход; называется коэффициентом обратной связи

(F). Для схемы простого делителя напряжения на рис. 8.15, а F = Z 1/(Z1 + Z 2 ), при этом дифференциальная составляющая на-

пряжения на входе ОУ Ui = И1 - (И§ + FU0 ), где И§ изменение

И2 из-за наличия ОС. Коэффициент усиления ОУ с отрицатель­ ной обратной связью К0с равен

где К - коэффициент усиления ОУ без обратной связи.

При FK » 1 соотношение (8.22) принимает вид К0с ~ K/FK ~ ~ 1/F, т. е. К0с не зависит от К, а определяется главным образом

параметрами ОС. Для схемы на рис. 8.15, а

(8.23)

Наличие отрицательной обратной связи значительно расши­ ряет динамический диапазон входных напряжений, при этом передаточная характеристика имеет вид кривой 2 на рис. 8.14.

Коэффициенты усиления ОУ без ОС обычно сильно отличают­ ся друг от друга (порой в десяток раз) даже в пределах партии од­ нотипных ОУ. Кроме того, К сильно зависит от частоты входного

сигнала и может изменяться от 106 на частоте 10 Гц до единицы и

менее на частотах в несколько МГц. Колебания напряжения пи­

тания и температуры также сильно влияют на величину К.

На практике достаточно часто применяют ОУ с ОС при отсутст­ вии делителя напряжений, когда инвертирующий вход закорачи­ вается на выход (рис. 8.15, б). Коэффициент усиления в данном

случае равен +1. Схема имеет наименование повторителя напряже­

ния, так как выходное напряжение ОУ повторяет входное. Повто­ ритель напряжения имеет очень большое входное сопротивление

и весьма малое выходное, поэтому он используется для согласова­

ния относительно низкоомной нагрузки с высокоомным источни­ ком сигнала без заметного уменьшения амплитуды сигнала.

Су~цествует достаточно много разновидностей включения ОУ,

которые позволяют получать стабильные параметры, устойчивые

в широком диапазоне изменения входных величин и окружающих

условий, что определяется конкретным функциональным назна­

чением ОУ. Они находят очень широкое применение в различных устройствах и схемах. Отметим только некоторые из них: преобра­

зователь ток - напряжение; преобразователь напряжение - ток; источник тока, управляемый напряжением; вычитающий усили­

тель; активный фильтр низких частот - интегратор; прецизион­

ный детектор или выпрямитель; логарифмический преобразова­

тель; стабилизатор положительного напряжения; фазовращатель с

высоким входным и низким выходным сопротивлениями, мульти­

плексор аналоговых сигналов, генератор импульсов и т. д.

--Q_S)-------ij Контрольные вопросы~-1--------

1.Особенности аналоговых ИС, применение, классификация.

2.Основные схемы, принципы работы, параметры источников стабильного тока, стабильного напряжения и опорного на­

пряжения.

3. Схемные разновидности, особенности, принципы работы, па­

раметры и характеристики дифференциальных усилителей.

4. Операционные усилители: схемы, коэффициенты усиления, характеристики, параметры, области применения.

Глава 9

ЦИФРОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

9.1. Особенности цифровых интегральных схем

Вцифровых интегральных схемах все транзисторы работают

включевом режиме, т. е. находятся либо в закрытом состоянии (режим отсечки), либо в открытом (режим насыщения). Состоя-

ния отсечки и насыщения имитируют логические единицу и

ноль (высокий и низкий логические уровни) соответственно. В процессе переключения транзисторы быстро переходят из од­ ного состояния в другое, минуя активный режим. С точки зре­

ния цифровой техники схема ключа выполняет функцию про­

стейшего логического элемента - инвертора и в статическом ре­ жиме может находиться в одном из указанных двух состояний.

Специфику и различия цифровых и аналоговых схем можно

понять на основе рассмотрения передаточных характеристик. На рис. 9.1 изображены две передаточные характеристики, где в ка­

честве входных и выходных величин приняты соответствующие

напряжения. Кривая 1 на этом рисунке относится к инвертирую­

щим схемам, у которых низким входным напряжениям соответ­

ствуют высокие выходные. Зависимость 2 является характерис­

тикой неинвертирующих схем, у которых малым входным на­ пряжениям соответствуют малые выходные. Характеристики 1 и 2 свойственны как простейшим цифровым, так и аналоговым

схемам, однако использование этих характеристик в обоих слу­

чаях различается принципиально.

Входные и выходные сигналы в транзисторном ключе (циф­ ровая схема) принимают два значения: ключ разомкнут, чему

соответствует точка А на рис. 9.1: ивых = ивыхА• ивх = ивхА;

ключ замкнут__:_ точка В: Uвых = Uвыхв• Uвх = Uвхв· Входные и

выходные напряжения имеют только два значения, соответст­

вующие разомкнутому и замкнутому состоянию. Форма передаточной характеристики между