Электроника Ч2

61

4.ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Рассмотренный усилитель по схеме с общим эмиттером широко распространен, но имеет ряд недостатков: малое входное и большое выходное сопротивления, зависимость коэффициента усиления от параметров нагрузки. Эти недостатки частично или полностью исключены в дифференциальном усилителе.

Простейшая схема дифференциального каскада приведена на рис.21.7, б. Транзисторы Т1 и Т2, а также резисторы Rк1 и Rк2 образуют мост. В диагональ 1 - 1' моста включены источники питания + Ек и -Ек, а также Rэ. В диагональ 2 - 2' включена нагрузка - RH. Для нормальной работы каскада мост должен быть строго сбалансирован, т.е. Rк1 = Rк2, а транзисторы должны иметь одинаковые параметры, т.е. должны быть изготовлены по одной технологии, на одном кристалле. Поэтому дифференциальные каскады изготовляют в заводских условиях в виде микросхем.

Пусть Uвх1 = Uвх2 = 0 . Токи транзисторов Т1 и Т2 создают на сопротив-

лении Rэ падение напряжения URэ, причем,

62

Это напряжение является напряжением смещения для обоих транзисторов. Так как параметры транзисторов одинаковы, то и токи транзисторов

Резистор Rэ образует цепь ООС по току, обеспечивает температурную стабилизацию и устраняет дрейф нуля (отклонение Uвых от нуля за счет нестабильности Ек).

Источник сигнала может подключаться к входу одного из транзисторов (при этом вход другого транзистора заземляется) либо между базами двух транзисторов. Рассмотрим первый вариант включения. Пусть источник сигнала е(t) включен к входу транзистора Т1, т.е. Uвх1 = е. Вход транзистора

Т2 заземлен. Пусть также е > 0. Под воздействием входного сигнала увели-

чиваются ток базы Iб1 > 0 ; ток коллектора Iк1 = β Iб1 и ток эмиттера

Iэ1 = (β + 1) Iб1 первого транзистора. Приращение тока эмиттера Iэ1 вы-

зывает приращение падения напряжения URэ (см.8.5), т.е. напряжения ООС на участке база-эмиттер транзистора Т2. Это приводит к уменьшению тока Iэ2 так, что

Таким образом, благодаря ООС по току воздействие сигнала на вход одного из транзисторов вызывает равные по величине и противоположные по знаку изменения токов и напряжений в обоих транзисторах.

63

Отметим, что при подаче сигнала на вход транзистора Т2 физические процессы каскада не изменятся. Однако полярность выходного сигнала будет противоположной входному, всвязи с этим, вход транзистора Т1 называют прямым, а вход транзистора Т2 – инверсным. Кроме того, к входам транзисторов можно подключать независимые источники сигналов Uвх1 и Uвх2. В этом случае выходной сигнал (в классе А) может быть найден методом суперпозиции от воздействия каждого из сигналов.

Оценим основные параметры каскада. Для этого учтем, что за счет ООС всегда Uвх1 = −Uвх2 , а приращения тока базы протекают через входные цепи (участки база - эмиттер) двух транзисторов. Значит

Из (21.11) следует, что ООС не влияет на коэффициент усиления каскада. Следовательно, Rэ может быть достаточно большим.

Входное сопротивление каскада определим с учетом (21.10)

Аналогично найдем, что и Rвых = 2Rк .

Таким образом, дифференциальный каскад при его сравнении с усилителем по схеме с общим эмиттером имеет в два раза большие сопротивления Rвх и Rвых, а его коэффициент усиления не зависит от значения Rэ.

64

5. УНЧ НА ИМС

Современные разработчики электронной аппаратуры стремятся использовать готовые функциональные узлы в виде ИМС. Схемные решения ИМС тщательно проработаны и обеспечивают высокое качество аппаратуры. Предприятия, выпускающие микросхемы, заинтересованы в их сбыте. Поэтому они стремятся разработать универсальные микросхемы, которые можно применять в качестве различных функциональных узлов. Это повышает их спрос. Одной из таких ИМС является операционный усилитель

(ОУ).

ОУ имеет чрезвычайно высокий коэффициент усиления по напряжению (десятки и даже сотни тысяч), большое входное сопротивление (сотни кОм), малое выходное сопротивление (десятки - сотни Ом). Он усиливает широкий спектр частот, вплоть до постоянной составляющей.

Схемное обозначение ОУ приведено на рис. 21.8, а. В обозначении треугольник символизирует усиление и показывает направление со входа на выход. У ОУ пять основных выводов: два для подключения питания, два для подачи входных сигналов и один для снятия выходного сигнала. Один из входов называют неинвертирующим. При подаче сигнала на этот вход выходной сигнал имеет ту же фазу, что и входной. Второй вход ОУ инверти- рующий. Полярность выходного сигнала противоположна полярности сигнала, поданного на этот вход. Инвертирующий вход обозначается кружком или знаком «-». Входная цепь, обеспечивающая независимую подачу двух входных сигналов, называется дифференциальной. Дифференциальным на-

зывается и ОУ с двумя независимыми входами.

В последние годы часто применяют схемное обозначение ОУ анало-

гично символам элементов цифровой техники (см. рис. 21.8, б). Знак >

65

обозначает усиление, а ∞ – достаточно большое значение коэффициента усиления. Выводы ±Е предназначены для подключения симметричного источника питания, выводы FC – для подсоединения элементов частотной коррекции, а выводы NC – элементов балансировки усилителя.

На рис. 21.8, в приведена упрощенная структурная схема ОУ. Схема включает симметричный дифференциальный каскад (по схеме рис.21.7, а), несимметричный дифференциальный каскад (у него сигнал снимается с коллектора Т2) и эмиттерный повторитель. Первый каскад обеспечивает высокое входное сопротивление ОУ. Для этого он переводится в режим малых токов. Коэффициент усиления этого каскада обычно не превышает десяти единиц. Второй каскад предназначен для перехода к несимметричному выходу и обеспечивает основное усиление (КU ≈ 100). Оконечный каскад представляет собой усилитель мощности. Его коэффициент усиления лежит в пределах нескольких единиц, но этот каскад обеспечивает малое выходное сопротивление ОУ и высокую нагрузочную способность. Общий коэффициент усиления ОУ определяется произведением коэффициентов усиления отдельных каскадов, а потому достигает больших величин.

Рис. 21.8. Условные обозначения а) и б), упрощенная структурная схема операционного усилителя в)

Схема включения дифференциального ОУ для усиления сигналов приведена на рис. 21.9, а. Для этой схемы выходное напряжение ОУ определяется по формуле

66

где КU – коэффициент усиления ОУ.

Если один из входов ОУ соединить с общим выводом (заземлить), то можно реализовать два варианта усилителей с одним входом, один из кото-

Если оба входа ОУ соединить вместе, то получим схему с синфазным входом. Сигнал, поступающий на вход такой схемы, также называют синфазным. Для синфазного сигнала в соответствии с (21.15) выходное напряжение должно быть равно нулю. В реальных ОУ выходное напряжение отлично от нуля, хотя имеет малое значение, поэтому ОУ снабжаются схемами балансировки.

Динамические свойства ОУ определяются двумя параметрами: час-

тотой единичного усиления f1 и максимальной скоростью нарастания вы-

ходного напряжения vUвых макс.

В предыдущей лекции было показано, что с ростом частоты модуль коэффициента передачи тока базы транзистора |β| уменьшается и появляется запаздывающий фазовый сдвиг. Это приводит к зависимости КU ОУ от частоты, а именно: с ростом частоты КU также уменьшается. Частота, на кото-

67

рой коэффициент усиления ОУ уменьшается до единицы, называется частотой единичного усиления f1. Значение f1 определяет частотную полосу ОУ. У большинства ОУ f1 лежит в диапазоне от десятых долей мегагерца до нескольких десятков мегагерц.

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения vUвых макс – это отношение изменения Uвых от 10 до 90% номинального значения ко времени, за которое произошло это изменение, если на вход подан идеальный скачок напряжения

vUвых макс = dUвых/dt [В/мкС].

Ограниченное значение vUвых макс может приводить к искажению сигнала на выходе ОУ, если его частота больше максимально допустимой fмакс, причем,

где νн – номинальное значение скорости нарастания выходного напряжения, Um вых – максимальное значение выходного сигнала.

Недостатки операционного усилителя:

1.Коэффициент усиления ОУ КU меняется от экземпляра к экземпляру

вочень широких пределах. Например, для ОУ серии К153УД1 КU = 20000 ÷

80000.

2. Коэффициент усиления КU сильно зависит от температуры окружающей среды. Это обусловлено зависимостью от температуры коэффици-

ента передачи тока базы транзисторов -β.

3. Большое значение КU ограничивает линейный участок передаточной характеристики ОУ очень малыми напряжениями по входу.

Приведенные недостатки сильно затрудняют применение ОУ непосредственно в качестве усилителя. Рассмотрим влияние третьего пункта

68

более подробно.

График передаточной характеристики приведен на рис. 21.10, а. За счет симметричного питания передаточная характеристика ОУ симметрична. В области линейного участка напряжение на выходе пропорционально входному и может изменяться от – Uвых макс до + Uвых макс. Коэффициентом пропорциональности является КU. Величина Uвых макс = (0,9 ÷ 0,95)·Еп. Напряжение на входе Uвх = (Uвх1-Uвх2).

Если напряжение питания Еп и КU известны, то легко определить границы линейного участка по входу ± !Uгр. Например, если КU =20000, а максимальное напряжение на выходе ОУ - ± 10 В, то !Uгр = ± 0,5 мВ. При увеличении входного напряжения за эти границы напряжение на выходе будет оставаться неизменным и равным Uвых макс. Появляются нелинейные искажения сигнала. Таким образом, малый диапазон изменений амплитуды входного сигнала не позволяет применять ОУ для усиления сигналов в большом числе практических случаев.

Значительно уменьшить недостатки ОУ позволяет применение ОС. Схема ОУ с ОС приведена на рис. 21.10, б. Входной сигнал подается на прямой вход ИМС. С выхода ОУ напряжение ОС через делитель R1R2 поступает на инвертирующий вход ОУ

Выходное напряжение ОУ определяется разностью Uвх - UОС. Такая ОС называется отрицательной (ООС). Учитывая это, запишем ряд последовательных преобразований:

69

U вых (1 + КU γ ) = КU U вх .

Теперь очевидно, что

При КU → ∞ коэффициент усиления схемы с ООС определяется простым отношением

Видим, что КUoc определяется лишь отношением сопротивлений (R1 + R2)/R1 и не зависит от КU, т.е. все дестабилизирующие факторы ликвидированы. В практических схемах значения сопротивлений следует выбирать в пределах 103 106 Ом. Например, при R1 = 2 103 Ом и R2 = 2 105 Ом. КUос = 101. Теперь передаточная характеристика ОУ с ОС будет иметь достаточно большую область линейного участка. Для наших примеров диапазон вход-

ного сигнала расширяется до значения ±0,1В (пунктир на рис. 21.10, а). Схема инвертирующего ОУ с ООС приведена на рис. 21.10, в. В схеме

входной сигнал и сигнал ООС поступают на инвертирующий вход ОУ. При этом происходит сложение токов Iвх и Ioc. Коэффициент усиления схемы определяется отношением

Знак минус указывает, что фазы входного и выходного сигналов противоположны.

Таким образом, введение ООС в схему ОУ позволяет повысить стабильность коэффициента усиления и расширить линейный участок передаточной характеристики.

70

Полоса пропускания ОУ с ОС лежит в диапазоне от 0 до fмакс, причем,

КUос

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

21.1.На какие классы разделяют усилители сигналов по их частотным свойствам?

21.2.В чем заключается отличие УПТ от УНЧ и можно ли считать их взаимозаме-

няемыми?

21.3.Чем отличаются резистивные усилители от резонансных?

21.4.Будет ли изменяться передаточная характеристика усилительного каскада по схеме с общим эмиттером, если изменять коэффициент передачи тока базы?

21.5.Используя графики рис. 21.2 проверьте, как изменяется коэффициент усиления каскада при изменении Ек и Rк.

21.6.Определите сопротивление Rб в схеме смещения с фиксацией тока базы, если Ек = 10 В, ток коллектора в режиме покоя Iк = 5,0 мА, коэффициент передачи тока базы β

=100, а обратный ток коллектора Iкэо = 50 мкА.

21.7.Определите значение сопротивлений делителя в схеме смещения с фиксацией напряжения базы Uб, если Ек = 10 В, Iбп = 49,5 мкА, а Uбп = 0,13 В.

21.8.В усилителе по схеме рис. 21.3, б известны Ек = 10 В, Rк = 1000 Ом, Rн = 200 Ом, Iбп = 49,5 мкА, Uбп = 0,13 В. Определите Rвх, Rвых и КU, полагая β = 100. (Обратным током коллектора пренебречь).

21.9.В усилителе по схеме с общим коллектором (рис. 21.7, а) известны Rн = Rэ = 200