Экзамен микроэлектроника / Лекции / xx. Схемотехника операционых усилителей

Схемотехника операционных усилителей

Структурная схема ОУ:

Поясним назначение каждого из блоков в структуре ОУ

• В качестве входного каскада ОУ, как правило, используется известный нам дифференциальный усилитель, свойства которого были рассмотрены выше.

• Усилитель напряжения УН служит для получения необходимого наиболее полного коэффициента усиления.

• Сигнал с его выхода через схему сдвига уровня (СД) и усилитель мощности (УМ) поступает в цепь нагрузки.

• Схема СД служит для компенсации постоянной составляющей на выходе УН.

Дифференциальный каскад был подробно рассмотрен ранее.

В качестве усилителя напряжения также может выступать дифференциальный каскад.

Схемы сдвига уровня (ССУ) для ОУ.

Основой любой ССУ для ОУ служит, как правило, эмиттерный повторитель, у которого выходное напряжение всегда на меньше чем на входе. При этом ССУ выполняют также роль промежуточного буфера, который не дает влиять следующему каскаду усиления на предыдущий. Другими словами, выполняют согласование между каскадами в многокаскадных усилителях.

Варианты простейших ССУ приведены на рисунках:

Все схемы, как видно из рисунка представляют собой эмиттерные повторители.

Схема на рис. (а) является наиболее простым вариантом, однако не позволяет получить нулевого выходного напряжения на выходе, т.к. резистивный делитель напряжения подключен одним концом к земле. Схемы на рис. (б-г) лишены данного недостатка, но требуют использования двуполярного источника. Схема на рис. в использует стабилитрон для того, чтобы понизить входное напряжение на величину . Схема на рис. (г) использует один или несколько прямосмещенных диодов для задания уровня смещения, кратного величине .

Схема сдвига уровня с генератором тока, применяемая в ОУ, изображена на рисунке ниже:

Схема работает следующим образом. На базу транзистора поступает постоянный сигнал и полезный сигнал . Этот сигнал с коэффициентом передачи, близким к единице, передается в эмиттер и через резистор и эмиттерный повторитель в нагрузку. Транзистор играет роль источника тока, величина которого задается напряжением смещения и резистором . Этот ток создает падение напряжение на резисторе , которое в достаточной степени компенсирует постоянный уровень . Полезный сигнал при этом незначительно ослабляется, поскольку, выходное сопротивление транзистора переменному току, а также входное сопротивление эмиттерного повторителя достаточно велики.

Источники стабильного тока

Простой вариант источника тока основан на использовании транзистора в диодном включении, см. рис.

Оба транзистора находятся под одним и тем же напряжением база-эмиттер, создаваемым с помощью резистора R₁ и источника Е_П. Падение напряжения зависит от температурного потенциала и отношения тока , к обратному току, , зависящему от площади эмиттера:

Из приведенных формул следует, что при равенстве площадей эмиттеров обоих транзисторов, токи эмиттеров и близкие к ним токи коллекторов будут одинаковы:

Более точно выражение для тока , учитывающее конечное значение коэффициента передачи по току, можно получить из следующих соотношений:

Несложно убедиться, что при реальных значениях в пределах 100 и выше разница между токами и не превышает единиц процентов.

Уменьшить влияние коэффициентов на отношение токов позволяет следующая схема:

В этом варианте дополнительно включен транзистор отрицательной обратной связи по току .

В ней отношение токов будет выглядеть следующим образом:

.

Выходной каскад ОУ

Один из вариантов выходного каскада ОУ представляет собой двухтактную схему с диодным смещением и защитой от короткого замыкания.

Требования к выходному каскаду ОУ:

1. Низкое выходное сопротивление;

2. Большой диапазон напряжения и тока на выходе;

3. Малое значение рассеиваемой мощности в режиме покоя;

4. Защита от тока короткого замыкания на выходе.

Наиболее эффективно эти задачи решаются с использованием эмиттерных повторителей, работающих в режиме класса А, что является не самым экономичным решением. Схема с ОК обладает наименьшим выходным сопротивлением, которое равно:

При этом, входные каскады ОУ, как правило, строятся по двухтактным схема, работающем в режимах класса В или АВ.

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

Немного о классах усиления:

Класс усиления А. Транзистор работает в активном режиме на близких к линейным участках характеристик, поэтому искажения усиливаемого сигнала здесь минимальны. Однако из-за большого значения начального коллекторного тока КПД такого усилителя низкий (теоретически не более 50%, а реальные значения и того ниже), поэтому такой режим применяют в маломощных каскадах предварительного усиления.

Класс усиления В. Этот режим характеризуется тем, что начальная рабочая точка находится в начале переходной характеристики. Ток нагрузки протекает по коллекторной цепи транзистора только в течение одного полупериода входного сигнала, а в течение второго полупериода транзистор закрыт, так как его рабочая точка будет находиться в зоне отсечки. КПД усилителя в режиме класса В значительно выше (до 70 %), чем режиме класса А, так как начальный коллекторный ток здесь значительно меньше. Для того, чтобы усилить входной сигнал в течение обоих полупериодов, используют двухтактные схемы усилителей, когда в течение одного полупериода работает один транзистор, а в течение другого полупериода – второй транзистор в этом же режиме. Режим класса В обычно используют в мощных усилителях. Однако у усилителей класса В есть и существенный недостаток – большой уровень нелинейных искажений, вызванных повышенной нелинейностью усиления транзистора, когда он находится вблизи режима отсечки.

Класс усиления АВ. Режиму усиления класса АВ соответствует режим работы усилительного каскада, при котором ток в выходной цепи протекает больше половины периода изменения напряжения входного сигнала. Этот режим используется для уменьшения нелинейных искажений усиливаемого сигнала, которые возникают из-за нелинейности начальных участков входных вольт-амперных характеристик транзисторов.

При отсутствии входного сигнала в режиме покоя транзистор немного приоткрыт и через него протекает ток, составляющий 10-15% от максимального тока при заданном входном сигнале. При работе двухтактных усилительных каскадов в режиме класса АВ происходит перекрытие положительной и отрицательной полуволн тока плеч двухтактного каскада, что приводит к компенсации нелинейных искажений, возникающих за счет нелинейности начальных участков вольт-амперных характеристик транзистора.

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

Вернемся к нашей схеме выходного каскада.

• Сам двухтактный выходной каскад собран на транзисторах VT1 и VT2. Транзисторы работают в режиме класса АВ, исключающем нелинейные искажения в области малых токов. Положительный уровень полезного сигнала передается транзистором VT1, отрицательный – транзистором VT2. При этом сигнал усиливается по мощности.

• Диоды VD1 и VD2 обеспечивают начальное смещение для транзисторов двухтактного каскада;

• Управляющее напряжение для выходных транзисторов формируется с помощью предварительного каскада усиления на транзисторе VT3, нагруженного на источник тока на транзисторе VT0 (ток коллектора задается током базы, который в свою очередь определяется опорным напряжением).

• Транзисторы VT4 и VT5 защищают основные транзисторы VT1 и VT2 от токов короткого замыкания. Если ток нагрузки ниже тока КЗ, то оба защитных транзистора закрыты. Как только ток превышает допустимый уровень, напряжения на резисторах R1 и R2 возрастает и становится достаточным для их отпирания и ограничения тока базы основных транзисторов.

8