Контрольные задания
1.Объяснить назначение дифференциальных усилителей.
2.Объяснить принцип действия дифференциальных усилите-
лей.
3.Объяснить назначение выводов смещения в дифференци-
альных усилителях.
4.Указать возможности усилителей с двухполярным питанием при подаче дифференциальных сигналов на их вход.
5.Объяснить возможности усилителей с двухполярным питанием при подаче на их вход однофазных сигналов.
6.Объяснить возможность использования дифференциальных усилителей в режиме однополярного питания.
4.РАЗНОСТНО-ТОКОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ – УСИЛИТЕЛИ
НОРТОНА
4.1. Общие сведения
Условное обозначение усилителей Нортона на электрических схемах представлено на рис.4.1.
Вх1 |
|
|
– |
Вых |
Вх1 |
|
|
– |
Вых |
||
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
Вх2 |
|
|
|
Вх2 |
|
+ |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Рис. 4.1
Изображение диода или стрелки, использованное в обозначении и направленное в сторону неинвертирующего входа, позволяет отличить усилитель Нортона от обычного операционного усилителя напряжения.
Упрощенная электрическая схема усилителя приведена на рис.
4.2.
Усилитель состоит из входного устройства (пунктирный прямоугольник), не усиливающего входной сигнал, а также из собственно усилителя напряжения – схема вне прямоугольника.
75
|
|
|
|
|
|
+Uп |
|
|
|
|
|
I1 |
|
|
|
С |
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
Выход |
Вх1 |
I(–) |
Б |
IБ3 |
3 |
5 |
I2 |
|
|
|
||||
|
|
I2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вх2 |
|
|
2 |
|
|
|
А |
1 |
|
|
|
|
|
|
I(+) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 4.2
Усилитель напряжения выполнен по традиционной схеме однополярного устройства с использованием источников тока I1 и I2.
Организация входа усилителя оригинальна. Именно она и определяет основные характеристики усилителя и схемы его использования. Как следует из рис. 4.2, входная часть усилителя выполнена по схеме токового зеркала. Это значит, что здесь всегда имеет место равенство I(+) = I2. С другой стороны, входной ток
I(–) = I2+ IБ3, отсюда I2 = I(–) – IБ3. Следовательно, в этой схеме I(+) =
=I2 = I(–) – IБ3 или IБ3 = I(–) – I(+).
Ток IБ3 поступает в базу транзистора 3, включенного по схеме усилителя напряжения. Таким образом, выходное напряжение в данной схеме регулируется током IБ3 = I(+) – I(–), т.е. разностью входных токов усилителя. Отсюда и название данного усилителя
разностно-токовый.
В отличие от обычных операционных усилителей напряжения, управляемых разностью входных напряжений, усилитель Нортона управляется разностью входных токов. Это обстоятельство обу-
76
словливает специфику использования данного усилителя для усиления входных сигналов.
Дополнительно, как следует из схемы рис. 4.2, входами данного усилителя являются прямосмещенные переходы "база – эмиттер" транзисторов 1 и 3. С одной стороны это означает, что UА =
= UБ ≈ 0,6 В, с другой, – что токи смещения переходов неизбежно ограничиваются. Так, они не должны быть излишне малы с тем, чтобы упомянутые переходы оставались прямосмещенными. В то же самое время они не должны превышать порядка 6 мА, чтобы не вызвать физического разрушения переходов – их сгорания.
Сигналы в электрических цепях и схемах представляются постоянными или переменными электрическими напряжениями. Это означает, что для преобразования входных напряжений в управляющие входные токи последовательно во входные выводы усилителя Нортона нужно обязательно включать резисторы.
4.2. Смещение рабочей точки
Усилители Нортона (рис. 4.2) питаются от однополярных источников, т.е. для усиления сигналов переменного тока здесь необходимо смещение рабочей точки усилителя. В данном случае это выполняется в соответствии со схемой рис.4.3.
|
|
|
|
I(+) |
|
+Uп |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
I(–) |
|
|
|
|
R2 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
R1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
– |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвых |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 4.3 |
||||||||||||||
Если пренебречь током базы IБ3 , то I(+) = I(–), (Uп – 0,6В)/R1 = |
||||||||||||||||||||||
= (Uвых0 |
– 0,6В)/Rос или |
|||||||||||||||||||||
|
Uвых0 = Rос(Uп – 0,6 В)/R1 = – 0,6В. |
|||||||||||||||||||||
77
Следовательно, по постоянному току выходное напряжение схемы Uвых0 можно устанавливать любым в пределах 0,6 В ... U п, выбирая соответственно сопротивления резисторов R1 и R2.
Если теперь пренебречь падение напряжения на переходах "ба-
за – эмиттер", т.е. полагать Uп >> 0,6 В и U вых0 >> 0,6 В, то пол у-
чим Uвых0 = Uп R2/R1.
Оптимальное смещение рабочей точки означает выполнение условия Uвых0 = 0,5Uп. Следовательно, в усилителях Нортона для оптимального смещения рабочей точки необходимо соединять выход усилителя с инвертирующим входом резисторомR2 = Rос с сопротивлением, вдвое меньшим сопротивления резистора, соединяющего Uп с неинвертирующим входом по постоянному току.
4.3. Инвертирующий усилитель
Схема такого усилителя приведена на рис. 4.4.
|
R1 |
|
+Uп |
|
|
С1 |
R |
|
Rос |
|
|
|
iс |
|
iос |
|
|
|
I(+) |
I(–) |
|
|
|
|
– |
|
B |
С2 |
|
Uс |
∆U |
|
|||
+ |
|
|
|
||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Uвых |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Rн |
Рис. 4.4
Если напряжение сигнала Uс ≠ 0, то в схеме наблюдаются токи
I(+) , I(–) , ic, iос. Поскольку Uс(t) ≠ 0, то при ∆U = 0 по переменному току мгновенное значение напряжения, наблюдаемое в точке В,
определится очевидным соотношением:
UВ(t) = iосRос = (I(–) – ic) Rос = (I(+) – ic) Rос = (Uп /R1) Rос – (Uс /R) Rос.
Выходное напряжение схемы состоит из постоянной составляющей Uвых0 = (Uп /R1) Rос и переменной составляющей UВ(t) =
78
= –(Uс /R) Rос. Переменная составляющая проходит через разделительный конденсатор С2 и на нагрузке наблюдается
Uн(t) = – (Uс /R) Rос.
Таким образом, коэффициент усиления рассматриваемой схемы Kuос = – Rос /R, как и в обычном операционном инвертирующем усилителе.
Переменная составляющая усиленного сигнала в точке В центрируется относительно уровня, определяемого смещением рабо-
чей точки, Uвых0 = (Uп /R1) Rос.
Разделительные конденсаторы С1 и С2 выполняют те же функции, что и в обычных операционных усилителях напряжения с однополярным питанием – обеспечивают режим работы схемы по переменному току.
Выходное сопротивление собственно усилителей Нортона высокое – оно много больше выходного сопротивления обычных операционных усилителей. Вместе с тем, поскольку усилитель охвачен отрицательной обратной связью, снимаемой по напряжению, то сопротивление инвертирующего усилителя будет много меньше собственного сопротивления исходной микросхемы.
Входное сопротивление данного инвертирующего усилителя
Rвх ≈ R.
Пример. Параметры схемы инвертирующего усилителя: Rос =
= 330 кОм, R1= 680 кОм, R = 15 кОм, Uс.р. = 100 мВ, Rн = ∞, Uп = = 6 В. Построить эпюру выходного напряжения, наблюдаемого в
точке В.
Решение. Напряжение смещения рабочей точки
Uвых0 = (Uп /R1) Rос = 6 В 330 кОм/680 кОм = 2,9 В.
Усиление сигнала переменного тока
Kuос = – Rос /R = –330 кОм/15 кОм = –22.
Амплитуда переменной составляющей выходного напряжения
UВ(t)m = –22×100 мВ/2 = 1,1 В,
поскольку в задании оговорен размах напряжения сигнала Uс.р. = = 100 мВ.
Размах переменной составляющей выходного напряжения
UВ(t)р = 2 UВ(t)m = 2,2 В.
79