ЭЛЕКТРОНИКА В ПРИБОРОСТРОЕНИИ

му при построении усилителя необходимо обеспечить условие

Kид>>Kисф.

Простейший дифференциальный усилитель с симметричным выходом на биполярных транзисторах изображен на рисунке 4.2 и состоит из двух типовых каскадов с общим эмиттером, эмиттеры которых взаимосвязаны и имеют общий резистор RЭ. Входные напряжения подаются на базы транзисторов, а выходное напряжение снимается с их коллекторов.

Рисунок 4.2 – Схема простейшего дифференциального усилителя с симметричным выходом на биполярных транзисторах

Если схема полностью симметрична, а параметры транзисторов идентичны, то транзисторы работают в одинаковом режиме. Их коллекторные токи и напряжения равны. Так как выходное напряжение определяется разностью коллекторных напряжений транзисторов, то их равенство означает, что

Uвых U К1 U К 2 0 .

Изменения питающего напряжения или температуры окружающей среды, вызывающие дрейф выходного напряжения в обычном каскаде усилителя постоянного тока, для симметричного каскада можно представить как заземленные ЭДС, действующие синфазно на каждом выходе первого и второго каскадов с общим эмиттером.

Действие синфазных ЭДС приводит к одинаковому изменению коллекторных токов и напряжений транзисторов в одну и ту же сторону.

Из этого следует, что базы, а также коллекторы транзисторов усилителя можно объединить, не нарушая при этом работы схемы, и представить усилитель как параллельное соединение транзисторов VT1 и VT2, включенных по схеме с общим эмиттером с отрицательной обратной связью по току, создаваемой резистором RЭ.

Эквивалентная схема для переменного сигнала, соответствующая принципиальной схеме, приведенной на рисунке 4.3, изображена на рисунке 4.4.

31

Из эквивалентной схемы найдем коэффициент передачи синфазного сигнала на один из выходов усилителя, характеризующий изменение коллекторного напряжения Ukcф при действии входного синфазного сигнала Uвхcф:

Kисф Ukсф h12Э RK .Uвхсф

Входное сопротивление схемы для синфазных сигналов

Rвхо с r2б h1 2Э ( r2Э RЭ ).

Полагая, что значение RЭ много больше величины rЭ, произведение h12ЭRЭ много больше сопротивления базовой области, будем иметь

Rвхос≈h12ЭRЭ.

Подставляя это выражение в предыдущее, запишем

Кисф RК ,

2RЭ

откуда найдем изменение коллекторного напряжения каждого транзистора при действии синфазного входного сигнала

U kсс Uисф U вхсф RК U вхсф .

2RЭ

В полностью симметричном дифференциальном усилителе значение Uвхсф не влияет на дрейф выходного напряжения, так как оно равно нулю, следовательно,

Kисф Uвыхсф 0.Uвхсф

32

В реальной схеме дифференциального усилителя (см. рисунок 4.1) невозможно обеспечить полную симметрию, поэтому приращения UК1сф и UК2сф будут неодинаковыми. В результате на выходе схемы появляется разностный дрейф, зависящий от UК1сф и UК2сф. При их стремлении к нулю – разностный дрейф минимален.

Как следует из выражения

U Ксф Kисф U вхсф RК U вхсф ,

2RЭ

для получения малых приращений коллекторного напряжения необходимо увеличить резистор обратной связи RЭ, что возможно только до некоторого предела, определяемого минимальным током транзисторов VT1 и VT2. Поэтому в эмиттерную цепь дифференциального усилителя целесообразно включить нелинейный элемент, обладающий большим сопротивлением по переменному току (для создания глубокой отрицательной обратной связи) и малым по постоянному току (для обеспечения номинального режима транзисторов VT1 и VT2). Таким нелинейным элементом является транзистор VТ3, работающий как источник стабильного тока, т. е. сохраняющий постоянство коллекторного тока при различных изменениях коллекторного напряжения. Схема дифференциального усилителя с источником стабильного тока в эмиттерной цепи представлена на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5 – Схема дифференциального усилителя с источником стабильного тока

Чтобы нагрузка дифференциального усилителя была заземленной, используют схему с несимметричным выходом (рисунок 4.6а).

33

в

Рисунок 4.6 – Схема дифференциального усилителя

Нулевое выходное напряжение при заземленных входах обеспечивается с помощью делителя напряжения R1 R2. Однако такой способ имеет недостатки: делитель шунтирует выход дифференциального усилителя и уменьшает его коэффициент усиления. Для устранения первого недостатка выбирают R1 R2>>RК, а если это затруднительно, то используют эмиттерный повторитель на транзисторе VT3, вход которого подключен к выходу дифференциального усилителя, а выходное напряжение снимается с делителя R1 R2.Чтобы предотвратить уменьшение коэффициента усиления за счет деления напряжения на резисторах R1 R2, в схеме, изображенной на рисунке 4.6б, вместо резистора R2 включают транзистор VT4 по схеме с общей базой, работающий в режиме источника постоянного тока. Сопротивление транзистора по переменному току велико и равно сопротивлению коллекторного перехода, а по постоянному – мало. В результате в отсутствии входного сигнала дифференциального усилителя напряжение на выходе схемы (рисунок 4.6в) равно нулю, а переменный сигнал даже самой низкой частоты практически без изменения проходит в нагрузку.

Коэффициент усиления синфазного сигнала в схеме с несиммет-

ричным выходом определяется формулой Kисф RK . 2RЭ

34

Так как параметры транзисторов VT1 и VT2 идентичны, полученная формула применима и к транзистору VT2.

Коэффициент усиления Киэ2 можно найти из эквивалентной схемы обычного каскада с общим эмиттером, в которой вместо параметра rЭ подставляют сумму rЭ и R''. Из эквивалентной схемы следует

Учитывая, что входное сопротивление каскада на транзисторе VT2 определяется сопротивлением базы и эмиттера, после несложных преобразований получим

Kиэ2 h21Э RK Kиэ .

2h11Э 2

где Kиэ – коэффициент усиления обычного каскада с общим эмитте-

ром.

Знак минус в формуле показывает, что при положительном значении изменения входного напряжения на втором входе фаза выходного сигнала изменяется на противоположную, т.е. вход 2 является инвертирующим.

Таким образом, коэффициент усиления дифференциального усилителя с симметричным выходом равен коэффициенту усиления обычного каскада с общим эмиттером и превышает в два раза коэффициент усиления дифференциального сигнала усилителя с несимметричным выходом.

Одним из основных применений дифференциального усилителя является усиление малых сигналов на фоне больших синфазных помех различного происхождения. Поэтому качество дифференциального усилителя оценивают с помощью коэффициента подавления синфазного сигнала, определяемого как отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту передачи синфазного.

Коэффициент усиления в схемах дифференциальных усилителей на составных транзисторах практически не зависит от параметров транзисторов и определяется отношением резисторов. В настоящее время в схеме дифференциального усилителя все чаще используются полевые транзисторы. Такие схемы на полевых транзисторах построены аналогично схемам на биполярных транзисторах. Основным их достоинством является высокое входное сопротивление (сотни килоом). Однако схемы на полевых транзисторах имеют меньшие коэффициен-

36

ты усиления и подавления по сравнению со схемами на биполярных транзисторах.

Для повышения коэффициента усиления дифференциального сигнала в схему вместо стоковых резисторов включают другие полевые транзисторы, внутреннее сопротивление которых в этом случае является нагрузкой основных транзисторов.

37

ЛЕКЦИЯ 5. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

5.1 Общие сведения

Широкие функциональные возможности дифференциальных усилителей позволили создать на их основе интегральные схемы высококачественных усилителей, обладающих большими коэффициентами усиления дифференциального сигнала и подавления синфазного, с широкой полосой пропускания, большим входным и малым выходным сопротивлениями, низким уровнем линейных и нелинейных искажений.

Такие интегральные усилители получили название операционных, так как с их помощью путем введения линейных и нелинейных элементов отрицательной обратной связи можно производить с большой точностью математические операции: суммирование, вычитание, интегрирование, дифференцирование, логарифмирование и т.д.

Операционные усилители (ОУ) можно использовать не только для выполнения математических операций, но и для усиления, генерирования, формирования, преобразования и детектирования сигналов. Можно с уверенностью сказать, что операционный усилитель является одним из самых универсальных элементов радиоэлектроники.

Большинство операционных усилителей изготовляются в монолитном исполнении по полупроводниковой интегральной технологии, обеспечивающей хорошую повторяемость характеристик в партии, низкую стоимость, высокую надежность. В гибридном исполнении выпускаются интегральные операционные усилители специального назначения, которые нельзя, по различным соображениям, реализовать в монолитной форме. Условное обозначение операционного усилителя как функционального элемента приведено на рисунке 5.1.

а – без дополнительных выводов; б – со всеми выводами

Рисунок 5.1 – Условное обозначение ОУ

38

Операционный усилитель имеет два входа: инвертирующий и неинвертирующий.

Благодаря использованию двух разнополярных источников питания выходное напряжение может изменяться при поступлении дифференциального входного сигнала как в положительную, так и в отрицательную сторону относительно нулевой общей точки схемы, которая обычно заземляется.

5.2 Эквивалентная схема и основные параметры

Независимо от сложности схемы электрической принципиальной структурная схема операционных усилителей содержит следующие основные функциональные узлы: входной каскад, промежуточный – усилитель напряжения, схему сдвига потенциального уровня и выходной каскад – усилитель мощности (рисунок 5.2).

Рисунок 5.2 – Эквивалентная схема операционного усилителя

Входной каскад представляет собой дифференциальный усилитель, свойства которого определяют входные параметры всего операционного усилителя. К входным параметрам операционных усилителей относится дифференциальное входное сопротивление RвхОУ, измеренное между входами операционных усилителей. Для повышения сопротивления RвхОУ во входном каскаде используют полевые транзисторы или биполярные транзисторы со сверхвысоким коэффициентом усиления тока базы h12Э в микроамперном диапазоне рабочих токов. Например, при IЭ0=10 мкА, h12Э=1000 величина RвхОУ, мОм, будет

К входным параметрам операционного усилителя также относятся входное напряжение смещения Uвхсм и разность базовых токов смещения Iб01 и Iб02. Эти параметры отражают факт появления напряжения ошибки на выходе операционного усилителя при его замкнутых входах.

Напряжение ошибки Uвыхош определяется двумя составляющими: U'выхош и U''выхош. Первая составляющая напряжения ошибки U'выхош обу-

39

словлена дисбалансом внутри входного каскада. Асимметрия входного дифференциального усилителя, в частности, неидентичность напряжений Uбэ0 транзисторов, приводит к разным коллекторным токам и, как следствие, к появлению напряжения дисбаланса на выходе каскада даже при одинаковых потенциалах на его входах, т.е. при нулевом дифференциальном входном напряжении. Напряжение дисбаланса, усиливаясь последующими каскадами операционных усилителей, вызывает появление на выходе операционных усилителей составляющей напряжения ошибки U'выхош. Значение U'выхош определяется по входному

величиной, задаваемой разработчиками для каждого типа операционных усилителей (KОУ – коэффициент усиления дифференциального сигнала операционного усилителя). Входное напряжение смещения Uвхсм основных типов ОУ лежит обычно в пределах от 1 до 10 мВ и показывает, какое напряжение следует приложить к входам операционного усилителя для приведения напряжения ошибки на выходе операционного усилителя к нулю.

Вторая составляющая выходного напряжения ошибки U''выхош обусловлена разностью входных токов дифференциального усилителя операционного усилителя.

При неидентичности параметров транзисторов дифференциального каскада операционного усилителя базовые токи смещения Iб01 и Iб02 по значению будут отличаться друг от друга. Вследствие неравенства базовых токов напряжения на входах 1 и 2 относительно «земли» также будут различны, что приведет к возникновению дифференциального входного напряжения. Усиливаясь, это напряжение вызывает появление второй составляющей выходного напряжения ошибки U''вых ош.

Разностный ток Iвхразн=|Iб01 Iб02|, так же как и напряжение смещения Uвхсм, является справочным параметром. Для основных типов операци-

онных усилителей его значения лежат в пределах от 0,02 до 3 мкА. Казалось бы, составляющую напряжения ошибки U''выхош можно

исключить, обеспечив нулевые значения базовых токов Iб01 и Iб02. К сожалению, этого нельзя сделать, так как при нулевых значениях базовых токов транзисторы дифференциального каскада будут закрыты. Задавая определенное значение базового тока, обеспечивают номинальный режим работы транзистора.

В отдельных случаях составляющие выходного напряжения ошибки, обусловленные совместным действием напряжения смещения Uвхсм и разностного напряжения Uвхразн, направлены противоположно и

40