Кроме отсутствия инверсии знака входного сигнала, у данной схемы нет других преимуществ. Более того, она проигрывает инвертирующему усилителю по количеству элементов. Конденсатор С3 необходим для обеспечения единичной отрицательной обратной связи в схемепо постоянному току.

2.2.4. Повторитель напряжения

Такое устройство может быть выполнено по схеме, пр иведенной на рис. 2.14. Усиление такой схемы по переменному току равно единице, так как схема охвачена единичной отрицательной обратной связью, т.е. Ku ЛУ = 1. Выходное сопротивление схемы практически равно нулю. Входное же ее сопротивление не столь

Рис. 2.14

2.3. Операционные усилители с малыми потерями напряжения питания (Rail-to-Rail) с однополярным питанием

Поиски путей уменьшения массогабаритных характеристик электронных устройств привели к созданию семейства операционных усилителей с малыми потерями напряжения в них.

Вместо 2 В потерь, как в обычных усилителях, в современных Rail-to-Rail (R-t-R) микросхемах потери напряжения составляют от сотни до десятков милливольт при максимальном выходном

52

токе. При двухполярном питании максимальное выходное напряжение может достигать практически значений напряжения источ-

ников питания, т.е. Uвых ≈ ± Uп. Выходное напряжение меняется практически в пределах от напряжения минусовой шины до напряжения плюсовой шины. Отсюда и название усилителей "от шины до шины" (Rail-to-Rail).

Малые падения напряжения при максимальном выходном токе означают малое тепловыделение в R-t-R усилителях, с одной стороны, с другой – это позволяет успешно использовать их при пониженных напряжениях питания, поскольку в силу малых потерь напряжения обеспечивается приемлемый динамический диапазон выходных сигналов.

В семействе R-t-R усилителей имеется подсемейство микросхем, рассчитанных на однополярное питание. Такие микросхемы могут использоваться для усиления однополярных сигналов (постоянного тока и переменных), а при смещении рабочей точки – и для усиления сигналов переменного тока.

Как и обычные операционные усилители, R-t-R микросхемы имеют инвертирующий и неинвертирующий входы. Начинаются они с дифференциального входного каскада, гарантирующего подавление синфазного сигнала на 90...100 дБ с приблизительно таким же ослаблением пульсаций напряжения питания. Усиление же по напряжению составляет 105...106 раз.

Схемы усилителей с однополярным питанием начинаются с дифференциального входного каскада (рис. 2.15, транзисторы 1-2-

3-4).

Транзисторы 1 и 4 каскада работают в активной области их вольт-амперных характеристик, поскольку при закорачивании входов 1 и 2 на общую точку их переходы "коллектор – база" остаются обратносмещенными соответствующими потенциальными барьерами. Тем самым переходы сохраняют функции "электронных насосов" по перекачке носителей из области базы в коллекторную область. Работает каскад в режиме класса А.

Рабочие точки транзисторов смещаются источником тока Iсм. При закорачивании входных зажимов каскада на общую точку (при подсоединении их к общей точке через резисторы) в эмиттерах всех четырех транзисторов и в их базах появляю тся токи смещения.

53

та напряжений обычно принимается отрицательный зажим источника питания.

Максимальное выходное напряжение меньше положительного напряжения на соответствующем зажиме источника питания из-за потерь напряжения в усилителе. Обычно потери не превышают сотни милливольт. По мере приближения выходного сигнала к максимальному выходному напряжению его форма все более искажается.

С уменьшением напряжения питания отношение сигнал/шум в усилителе увеличивается. Уменьшается при этом и скорость нарастания сигнала. Быстродействие же усилителя при этом существенно не изменяется из-за уменьшающегося диапазона выходных напряжений.

Схемы применения однополярных усилителей R-t-R подобны схемам обычных ОУ, переводимых в режим однополярного питания.

На рис. 2.16, а представлена схема неинвертирующего усилителя положительных напряжений сигналов. Усиление схемы составляет 100, поскольку Ku ос = 1 + Rос/R = (1 + 99 кОм/1 кОм) =

=100.

Если отбор тока в нагрузку в этой схеме мал, а остаточноев ы-

ходное напряжение усилителя Uост = 5 мВ, то при U с = 1 мВ погрешность усиления, приведенная к выходу, составит

55

∆ = [5мВ/(1 мВ×100)] 100% = 5%.

Гораздо хуже окажется ситуация в случае попытки использования данного усилителя в режиме повторителя напряжения, где Ku ос = 1 (рис. 2 .16, б). Здесь сигнал неразличим на фоне остаточного напряжения ОУ.

Поскольку на выходе таких усилителей может наблюдаться только положительное напряжение, то однополярные усилители R-t-R можно использовать в качестве одно- и двухполупериодных выпрямителей (рис. 2.17, а и б).

б

Рис. 2.17

56

В случае рис. 2.17, а на инвертирующий вход ОУ поступает переменное напряжение Uвх. Его отрицательная полуволна обусловливает появление на выходе усилителя положительной полуволны напряжения, равной по модулю входной полуволне, так как

Ku ЛУ = –Rос/R = –200 кОм/200 кОм = –1.

Положительная полуволна входного сигнала не проходит на выход схемы, следовательно, данная схема является однополупериодным выпрямителем.

В схеме двухполупериодного выпрямителя (рис. 2.17, б) отри-

цательные полуволны Uвх наблюдаются в виде положительных полуволн в точке А схемы. Поскольку усилитель 2 – повторитель напряжения, то и на выходе всей схемы отрицательные полувол-

ны входного сигнала возбуждают выходное напряжение с Uвх m =

= Uвых m.

Положительные полуволны Uвх не проходят через усилитель 1,

но проходят через два последовательно соединенных резистора R1 и Rос , они поступают на неинвертирующий вход усилителя 2.

В эти полупериоды UА = Uвх Rвх2 (R1 + Rос + Rвх2). Поскольку

Rвх2 >> R1 и Rос, то UА m = Uвх m = Uвых m.

Рассмотренная схема работает в режиме двухполупериодного выпрямителя.

В той и другой схемах для уменьшения влияния входных токов усилителей предусмотрены компенсирующие резисторы Rк =

= R1 Rос.

На основе однополярных ОУ можно строить и разностные усилители (рис. 2.18), в которых Uвых = Rос /R (Uс1 –Uс2).

57

При построении рассмотренных схем нельзя забывать, что максимальное выходное напряжение в них не может превышать

Uвых max = Uп – (0,05...0,5) В.

Минимальное напряжение, наблюдаемое на выходных зажимах,никогда не бывает равным нулю . У хороших усилителей оно отличается от нуля на первые десятки милливольт. В результате в схемах на рис. 2.17 выпрямленное напряжение оказывается установленным на своеобразный "пьедестал". Использование усилителей в режиме повторителей напряжения гарантирует их коэф-

фициент передачи Ku ос = 1 + 1/ Ku = 1+ ε, где ε – погрешность коэффициента передачи, обусловленная изменчивостью Ku из-за температуры, а также при замене микросхемы в выпрямителе.

При этом выходное сопротивление Zвых ос = Zвых ОУ/Ku ≈ 0. Это позволяет нагружать такой выпрямитель на низкоомную нагрузку.

Очевидно, что усилители с однополярным питанием удобны для усиления импульсных сигналов, в которых информация содержится в перепаде амплитуд импульсов от минимальной до максимальной. Однако не следует забывать об особенностях р а- боты повторителя напряжения, если нагрузки характеризуются емкостью. Даже при емкостях С2 порядка десятков нанофарад (рис. 2.19) здесь неизбежны переходные процессы, обусловленные передним и задним фронтами импульсов. Для их парирования приходится включать на выходе демпфирующую цепочку R1C1 (рис. 2.19), которая вносит нуль в передаточную функцию петлевого усиления, что увеличивает запас по фазе в повторителе напряжения.

+Uп

Рис. 2.19

58

Всем рассмотренным схемам на основе усилителя с однополярным питанием присуще ненулевое остаточное выходное напряжение при нулевых сигналах на их входах. Частично оно привносится собственно усилителем, и его величина оговаривается в соответствующей технической документации, а частично обусловливается внешними пассивными элементами, в основном внешними резисторами. На рис. 2.20 представлена обобщенная схема включения R-t-R усилителя с учетом входных токов смещения Iсм(–) и Iсм(+), а также входного напряжения сдвига Uвх сд.

Rос Iсм(–)

Рис. 2.20

Назовем выходное напряжение схемы при входных сигналах, равных нулю, выходным остаточным напряжением. Тогда сумма составляющих выходного остаточного напряжения, обусловленных внешними резисторами,

Uвых ост = Uвх сд (1+ Rос /R1) + Iсм(+)R2 (1+ Rос /R1) – Iсм(–)Rос.

Естественно, что, как и у обычных ОУ, это напряжение зависит

от температурного дрейфа Iсм(+), Iсм(–) и Uвх сд.

Составляющую выходного остаточного напряжения, обусловленную входными токами смещения, можно уменьшить, приняв

R2 = Rос R1 /(Rос + R1), тогда

Uвых ост = Uвх сд (1+ Rос /R1) + Iвх сдRос,

где Iвх сд = Iсм(+) – Iсм(–) – входной ток сдвига.

Рассмотренные схемы на основе усилителей с однополярным питанием рассчитаны на работу с однополярными импульсами.

Вместе с тем, возможно их использование и в качестве усилителей разнополярных импульсов или сигналов переменного тока.

59

Для этого, как известно, необходимо сместить рабочую точку в них так, чтобы их выходные напряжения устанавливались на уровне, приближенно равном половине напряжения питания. Как и раньше, это достигается с использованием либо резистивного делителя, либо от специального источника напряжения. При этом усилитель по постоянному току охватывается единичной обратной связью. Подробно процедура организации усилителей сигналов переменного тока на основе однополярных усилителей рассмотрена в подразд. 2.2.

2.4.Некоторые схемы применения R-t-R усилителей

соднополярным питанием

Иногда для обеспечения устойчивой работы усилителя приходится сужать его полосу пропускания, т.е. вводить дополнительный полюс в его передаточную функцию на низкой частоте. В неинвертирующих усилителях с их высокоомным входом это можно сделать в соответствии со схемой рис. 2.21.

R2

Uс +

С

Рис. 2.21

Поскольку входное дифференциальное сопротивление делителя много большеR2, то частота среза импульса равна

fср = 1/2π R2С.

Выходное же напряжение, если полагать усилитель безынерционным звеном, окажется равным

Uвых (р) = U с (1+ Rос /R1) [1/(1+ pR2С)].

60

На основе двух R-t-R усилителей можно построить разностный усилитель с практически бесконечно большим сопротивлением по одному и другому входам (рис. 2.22).

Рис. 2.22

При равенстве сопротивлений одинаково обозначенных резисторов выходное напряжение схемы

Uвых = U вх2 (1+ R1 /R2) – Uвх1 (1+ R2 /R1) R1 /R2 =

= (U вх2 – Uвх1)(1+ R1 /R2).

На рис. 2.23 приведена схема для измерения токов в нагрузке.

Iн

Рис. 2.23

Поскольку, как известно, ∆U = 0 и ток I1 = 0 из-за большого входного сопротивления усилителя, то

61

UR2 = IнR1 + I1R2 = IнR1 + 0 R2 = IнR1.

Это значит, что Iк = IнR1 /R2. Поскольку ток эмиттера равен току коллектора, то

Uвых = I3R3 = IкR3 = IнR1R3 /R2 = k Iн.

Наличие усилителя позволяет выбрать R1 очень малым, практически не влияющим на ток нагрузки.

Пример. Определить выходное напряжение в схеме на рис. 2.23 в функции тока, если R1 = 0,1 Ом, R2 = 30 0Ом и R3 = = 3000 Ом.

Решение.

Uвых = Iн (0,1 Ом 3000 Ом/300 Ом) = 1 Ом Iн.

На основе усилителей с однополярным питанием можно построить масштабируемый источник тока (рис. 2.24).

Рис. 2.24

Как и в предыдущей схеме, усилитель здесь включен в цепь отрицательной обратной связи. Из-за большого его усиления по-

прежнему ∆U = 0. Это значит, что на резисторе R 1 выделяется напряжение, наблюдаемое на стабилитроне, т.е. UR1 = Uст. В силу равенства Iн = Iэ = Iк, ток нагрузки окажется равным Iн = Uст / R1. Подбором R1 можно регулировать (масштабировать) ток нагрузки. Поскольку Iн зависит только от R1 и не зависит от сопротивления нагрузки, то эта схема является источником тока.

62