Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лекции / Лекции по АИС до ОУ.doc
Скачиваний:
127
Добавлен:
16.04.2013
Размер:
1.11 Mб
Скачать

0 U

UКЭ=0,2 В ВUКЭ  50 В U0

Рабочий диапазон ИТ по графику - около 50 В, g0  n*1 нСм

Обозначения ИТ в схемах: Пример ИТ на p-n-p- транзисторах:

- 50 В

I0 g0

Если необходим симметричный диапазонU:

+15 I2 I2

U0

-14.8 0.2 35 50 U0

-15 -15

Токовое зеркало Уилсона. Меньшая зависимость от коэффициента .

I1 = I2. I2 = I0 = I3 - IБ = IK3 +2IБ - IБ =IK3 + IБ = IK1 + IБ I1 I2=I0

IK1=IK3 ; I2= I0 =I1, I0 I2 I3 IK3.

I2  IK3 IБ1  IБ2  IБ3

g0=I0/U0=gКЭ/(1+)=(I0/U0)/(1+), g00.4 нСм T2 gКЭ

IK1 I3 U0

(I1-IБ2)=>(IK1+IБ1), т.е. произошла компенсация (I1+IБ)

T1 T3

1/I0(dI0/dU0)=1/[UA(1+)]=4*10-3%

-UИП -UИП

I1 I2

Токоотвод с резистивным смещением. Uсм T1 T2

Напряжение смещения Uсм=I1R1+UБЭ1=I2R2+UБЭ2 R1 R2

при R1=0, RK=R0 - это схема для источников тока

в схемах с малыми токами:

U2 = U2R2 = UБЭ1-UБЭ2, R2 = (T/I2)ln(I1/I2).

Генератор пропорциональных токов (ГПТ).

Идентичные источники Т2-Т6 - источники отрицательных токов для p-n-p- транзисторов:

UБЭi = const +UИП

UR2 = UR3 = UR4 = UR5 = UR6

Задают токи в соответствующих цепях, R1 I3 I4 I5 I6

вычисляют сопротивления.

T1

R2 I2 R3 R4 R5 R6

-UИП

ГПТ на расщепленном коллекторе.UИП

IK2/IK1 = A2/A1

IБ IK2

I1 IK1

Источники тока на МДПТ +U

1/I0(dI0/dU0)  2% I1 I2=I0 I2

gСИ = IC/UA

UПИ = 0 !!

Uси=UЗИ-Uпор UСИ

I2/I1 = W2/W1 Uпробоя

I1 I0 +U I0

-U

-U I0 U0 -U

1/I0(dI0/dU0) = 0.002%. g0 = gСИ 1 мкСм

Формирователи тока на стандартных элементах:

ФТ вытекающего +U (3 B) ФТ втекающего

3.5

0.4

ТТЛ I0 ТТЛ I0

RН

-U

  1. Источники напряжения . Источники напряжения вырабатывают сигнал, не зависящий от величины выходного тока либо типа нагрузки. От источника напряжения требуется низкий выходной импеданс и стабильность. В зависимости от преобладания последних свойств данные схемы подразделяются на

а) источники напряжения с низким импедансом по переменному току,

б) источники опорного напряжения для схем пороговой логики (ЭСЛ), в схемах диф. каскадов для общего смещения.

Основной элемент рассматриваемых схем - схема ЭП.

Преобразование импеданса транзистором в схеме ЭП. +U

Пусть I0 увеличивается на I0 , в результате

ток базы увеличится на

dIБ = dIЭ/(+1)=dI0/(+1)  dIБRБ = dI0RБ/(+1) 

UБЭ = UБ - UR, UR, UБЭ  f[ln(IД/IД0)] . UБ RБ I0

возрастает UБЭ  dUБЭ = (dUБЭ/dIЭ)dIЭ = rБЭdIЭ

 (Т/IЭ)dIЭ  dU0= -dIБRБ-dUБЭ = -[dI0RБ/(+1) +(T/IЭ)dI0=

-dI0[RБ/(+1)+rБЭ]

Rвых = -dU0/dI0 = RБ/(+1)+rБЭ U0

В реальном ИН есть зависимость номинала напряжения от температуры и изменений источника питания.

Примеры схем источников напряжения

UИП UИП

UН = UИПR2/(R1+R2)

Uсм и Uн = f(UИП), т.к. IR=f(UИП) R1 Uсм I I

Zвых = T/I + R1R2/[(R1+R2)] A Uсм

R2 Zн UH Uсм=nUД

Zвых=nT/I

dUсм/dT=n *dUБЭ/dT=-ZH

В качестве генератора м.б.R

R>>ZA

Uсм=UБЭ(1+R1/R2) при >>1,

Rвых = R1/+(R1+R2)/(gmR2) = 50 - 200 Ом = dUсм/dI0=(R1+R2)/(1+gmR2)=

=Uсм/UБЭ [R2/(1+gmR2)]

при gmR2>>1 = Rвых = Uсм/UБЭ(1/gm)= Uсм/UБЭ(T/IK), I

подбираем R1,R2 так, чтобы IБ0.

Величина I = IK + Iн R1 Uсм

R2

Источники опорного напряжения.

Могут быть различные задания на параметры схемы: Uоп  f(T), Uоп  f(UG), Uоп  f(Iн).

Чаще всего нужна температурная стабильность порядка 10-4/град (ТКН = -2 мВ/град). Иногда схему опорника используют для подачи на вход источника напряжения это схема стабилизатора напряжения.

Пример схемы источника напряжения: +UИП

Т1 - стабилитрон, на нем падает напряжение

пробоя p-n- перехода Б-Э порядка 6-7В.I0

UЭ2 = UЭ1-UБЭ4-UБЭ2 T4

UK3=UБЭ3

Uоп=UЭ2[R2/(R1+R2)]+UК3[R1/(R1+R2)] BUБЭ Т2

Т1 R1

ТКН=dUоп/dT= R2 Uоп

Поскольку отношение сопротивлений не является функцией температуры, Т3

можно получить ТКН=0:

R2(dBUБЭ/dT) = (2R2 - R1)dUБЭ/dT,

R1/R2 - 2 = (dBUБЭ/dT)/(-dUБЭ/dT);  R1/R2 = 2+3мВ.град-1./-2мВград-1.

Uоп = 1.6 -2.5 В.

ТКН  410-5 град-1.

I1I2, UК2=I2R2=(R2/R3)UБЭ. I0

UБЭ =UБЭ1-UБЭ2=Tln(I1/I2),

d(UБЭ/dT) = (T/T)ln(I1/I2)>0, a dUБЭ/dT <0.

Можно сделать ТКН Uоп  0

(R2/R3 =10 I1/I2  ТКН  0, Uоп  1,2 В ) I1 R1 R2 Uоп

Uоп = UБЭ3 + UR2

U2 Т3

Uоп = UБЭ3 + (R2/R3)T(lnI1/I2).

ТКН <0 >0

I2 R3

Схемы сдвига уровня (высокий входной и низкий выходной импеданс)

U2 = (U1-nUБЭ) U1 U2 = (U1-UБЭ)R2/(R1+R2) U1

Rвых  (n+1)T/I

R1

U2

R2 U2

U1 - U2 = UБЭ(2+R1/R3)

U1 Трансляторы уровня I R1

R1 I=(UИП-U1-UБЭ)/R1 U1

U2=R2*I U2

U2 KU  -(R2/R1)по перем.току R2

R3

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ КАСКАДЫ

Дифференциальные усилители (ДУ) - мостовые схемы с высоким коэффициеном подавления сигналов синфазных помех. К таким помехам относятся дрейф нуля из-за нестабильности источника питания UИП и температурный дрейф.

ДУ - это входной блок ОУ, самого распространенного класса АИС. Такая область применения связана с такими достоинствами схемы, как:

  • высокая стабильность по постоянному току;

  • 2 входа и 2 выхода;

  • легко осуществляется сдвиг уровня выходного сигнала;

  • легко строить инвертирующие и неинвертирующие усилители;

  • выходной сигнал не зависит от величины входного сигнала, а только от разности входных сигналов, разностный усилитель.

Термины.

Если уровни Uвх1 и Uвх2, действующие во взаимно симметричных точках, изменяются одновременно, равны по амплитуде и одного знака, то это синфазное изменение сигналов.

Сигналы, равные по амплитуде, но противоположные по знаку, называются парафазными или дифференциальными.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КООС) - отношение выходного полезного сигнала к выходному синфазному сигналу (при условии, что полезный и синфазный входные сигналы имеют одинаковую амплитуду). КООС измеряется в децибеллах. Хороший ДУ - высокий КООС, отсюда применение ДУ для выделения полезного сигнала на фоне шумов.

Базовая схема ДУ. Идеальный ДК - полностью согласованная схема, т.е. полная идентичность симметричных элементов и параметров: R, I, rБ, rК, rЭ=T/IЭ, АЭ1Э2.

Если выход №2 рассматривать как

выход схемы - то другой вход вх.1

будет неинвертирующим, а вход-

вх.2 - инвертирующим.

+U

RK I1 I2

U1 вых2

вх1 вх2U2 (1)

I0

Произвольные сигналы на входах U1 и U2 (I1 и I2) можно представит в виде комбинации синфазных и парафазных сигналов:

U1 = Uс/ф + Uп/ф , U2 = Uс/ф - Uп/ф  Uс/ф = (U1 + U2)/2 ; Uп/ф = (U1 - U2)/2;

i1 = iс/ф + iп/ф , i2 = iс/ф - iп/ф , iс/ф = (i1 + i2)/2 ; iп/ф = (i1 - i2)/2.

вх1 вх2 вх1 вх2

U1 U2 + - + -

Uп/ф/2 Uп/ф/2

Uс/ф

Теорема бисекции (расщепления, замещения).

При действии в схеме только синфазных сигналов потенциалы во взаимно симметричных узлах равны. Если соединить эти точки - ток будет равен нулю, поэтому эти точки можно разомкнуть и исследовать только половину схемы:

U1=U2=Uс/ф

U1 U2 U1 U2 U1 U2

Резисторы удваиваются, генераторы тока делятся пополам I0/2. Покажем на типовой схеме.

R1 R3 R6 2R3 R6

вх1 вх2 Т3 R1 T3

T1

R4  Uвхс/ф Т1 2R4

R2

R5 2R2 2R5

При действии только парафазных сигналов рассматривается только приращения токов, они разнонаправлены, поэтому в перемычках тока не будет вследствие компенсации, потенциалы точек на оси симметрии не изменятся. Точки на схеме, не получающие приращений напряжений, можно заземлить.

R1 R6

U1п/ф Т3

Т1

Рассматриваем токовую пару ДУ. Возможная неидентичность транзисторов ведет к рассогласованию коллекторных потенциалов, или напряжению смещения нуля U0см:

пусть есть разница в падениях напряжений на р-n- переходах Т1 и Т2,

ее можно определить через начальные токи в уравнении Э.-М.:

IБ1 I1

, IБ2 I2

I1 = IK1 = IK0exp(UБЭ/T) I0

I2 = IK0exp[(UБЭ2+U0см)/T],

I1 + I2 = I0, отсюда можно получить систему уравнений для токов :

при U0см=0 U = U1-U2 , a Uп/ф(диф) = (U1-U2)/2.

Передаточная характеристика каскада определяется следующим выражением:

.

Величина U0см  1-2 мВ для кремниевых ИБТ. Изобразим характеристику переключения с учетом напряжения смещения нуля.

I2/I0 I1/I0

I1 0.99

AUc/ф = dUвых/dUс/ф =RK/(rвх + 2R0),

rвх = rЭ+(R1 +rБ)/,

AUдифmaxUd=0 = - I0RK/T,

I2 0.01

-50 U-U0см +50 мВ

Ток переключается на 99% при U=55 мВ.

Рассмотрим выходное напряжение и коэффициент усиления по напряжению в дифференциальном каскаде.

gfдиф=I1I2/(I0T)=I1(I0-I1)/(I0T), gfсинф = g0I2/I0.

.

Коэффициент усиления парафазного и синфазного сигнала в схеме ДУ.

Коэффициенты усиления для двух типов сигнала определяются при дифференцировании:

Для схем ДУ вводят характеристику проводимость всей схемы ДУ gf :

gf = g0I2/I0,

если U = U1 - U2 , UБ1 gfU U01

AU1 = U01/U = -gfRн,

AU2 = U02/U = gfRн. U gf(U1-U2) Rн

gf = I1I2/(I0T), gf max = I0/4T,

I0 = I1 + I2 UБ2 gfU

U01=-gfRнU U02 Rн

U02=gfRнU.

ВДУ с симметричным выходом к-т усиления gfU

в2 раза выше:

AU = U0/U = -2gfRн,

Rн = 2RнRвх, Rн

AU = -gf/(Gн/2 + Gвх). U gfU U0= -2gfRнU

Rн

Расчет коэффициента ослабления синфазного сигнала КООС.

Для схемы диф. Усилителя (рис. По раздаточному материалу)

I1  I3, I3  I4 , тогда ток узла 01

I01 = I4 - I2  I1 – I2 Т3 Т4 Т7

gf1синф = g0I1/I0 I01

gf2синф = g0I2/I0 Т5 Т6

g0 = g13

I01 = I1 – I2 = (gf1cинф-gf2cинф)Uвх.синф= U01 -U

= g013Uвхсинф(I1-I2)/I0 .

величина напряжения в узле 01 теперь

V01синф=I01/g01 = [(I1-I2)/I0](g013/g01)Uвх.синф . T1 T2

I0

При помощи полученных выше выражений запишем уравнение для коэффициента

усиления синфазного сигнала в узле 01 рассматриваемой схемы

и КООС:

Дифференциальный каскад на МДПТ. I1 I2

U1 I0 U2

T3 T4

Uвых=U01

AUдиф60 -

U1 T1 T2 U2

Способы улучшения характеристик ДУ

Основные характеристики ДК:

напряжение смещения U0см;

входные токи Iвх1, вх2;

входное сопротивление Rвх; - U

коэффициент усиления дифференциального и синфазного сигнала Аuдиф, АUсинф и

КООС;

частотные характеристики.

Для увеличения коэффициента усиления по напряжению можно вести еще один ДК, но при этом увеличивается фазовый сдвиг.

Напряжение смещения связано с разностью падений напряжений на р-п-переходах входной пары транзисторов вследствие чего через них протекают разные эмиттерные (коллекторные) токи. Рассогласование коллекторных токов можно снизить, применяя эмиттерные сопротивления (эмиттерная отрицательная обратная связь, см. схему выше (1)). При этом уменьшается эффективная крутизна каскада. Правда, рассогласование собственно эмиттерных сопротивлений может ухудшить согласование коллекторных токов. Для согласования коллекторных токов на 1% требует согласованности эмиттерных сопротивлений гораздо лучше этой величины.

Включение эмиттерных сопротивлений также улучшают температурную стабильность ДК (до +/-3-10 мкВ/град).

RБ

RЭ

R1 (1) (2)

Для сниженияUK из-за эффекта модуляции ширины базы

Вставляют RЭ (около 70 кОм).

, АUсинф=-RK/(2R1+RЭ)0,5, Здесь RK, 

АUдиф=5000

АUдиф=RK/2(RЭ +rЭ)30-100.

Но входное сопротивление снижается от 250 до 50ком

Использование активной нагрузки (токового зеркала (2)) в качестве коллекторной нагрузки. Такой вариант обеспечивает высокое значение сопротивления нагрузки, благодаря этому коэффициент усиления достигает 5000 и выше (без внешней нагрузки, которая должна иметь большой импеданс). Для запитки транзисторов используют источники тока в каждой цепи (Э,Б,К).

IБ

IБ

Низкий КООС, много входных транзисторов.

Использование составных транзисторов Дарлингтона (3) (либо комплементарный вариант) позволяет увеличить входное сопротивление до 10-20 МОм и снизить входные токи до 5-10 нА, но при этом хуже согласование, поэтому лучше использовать каскодное включение. (4)

Для увеличения коэффициента усиления используют составные транзисторы, правда, повышаются требования к идентичности, поскольку ухудшается напряжение смещения. Частотные характеристики тоже будут хуже.

(3)

Составные транзисторы лучше по Iвх, Rвх (с к-том 2)

Лучший составной вариант – каскодная схема: 

+15

Rн

(4)

+3 Т2

IK

Rи

Т1

Эффект Миллера. Транзистор имеет усилительные свойства, небольшой сигнал на входе порождает на коллекторе сигнал в А раз больший, на коллекторе инвертированный. Для источника сигнала емкость СКБ в (АU+1) раз больше, чем при подключении такой емкости между базой и землей. Емкость обратной связи ведет себя как конденсатор емкостью СКБU+1), подключенный между входом и землей. Эффективное увеличение емкости К- перехода называется эффектом Миллера. Он играет основную роль в спаде усиления на высоких частотах.

Эффект Миллера можно устранить, используя усилительный каскад с ОБ. Чаще для этой цели применяют каскодное включение транзисторов, кроме того, каскоды дают хорошие результаты и для точности согласования. +U

Распространенный вариант ДУ:

I1=I2, I3=I4

IB5=IB6 Т3 Т4 Т7

IE5=IE6

IE5=IB3+IB4, IE6=IB7

IB7=IB3+IB4 Т5 Т6

IK7=I3+I4=I2+I1=I0

-U -U

T1 T2

I0

Перечисленные выше варианты построения ДУ с изменением параметров схемы обусловлены, главным образом, требованиями ко входным каскадам операционных усилителей ОУ

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Мы не исправляем ошибки в тексте (почему?), но будем благодарны, если вы все же напишите об ошибках.