4 семестр (2 курс)лала / ЭП (Электронные приборы) / Техническая электроника 2000 (Ткаченко Ф.А

291

ГСТ создает динамическую нагрузку потому, что потенциал Uбэ3 оста-

ется неизменным, так как снимается с делителя напряжения, собранного на резисторах R2 и R3. Термостабилизацию рабочей точки транзистора VT3 осуществляет транзистор VT4 в диодном включении. Напряжение делителя, подводимое к базе транзистора VT3, при пренебрежении током базы Iб3 определяется

падением напряжения на резисторе R3 и падением напряжения Uбэ4

Анализ выражения (11.3) показывает, что ток Iэ определяется преимущественно сопротивлениями R1, R3 и током делителя I1, поэтому зависимость тока Iэ от температуры незначительна. Таким образом, при отсутствии входных сигналов Uвх1 = Uвх2 = 0 и равенстве параметров транзисторов VT1 и VT2, равенстве

Rк1 = Rк2 , достигается баланс моста, при этом обеспечивается высокая ста-

бильность даже при изменении напряжения питания, температуры. Это достигается за счет одинакового изменения падения напряжения на коллекторах

292

транзисторов VT1 и VT2. Даже при одинаковом дрейфе по обоим усилителям, дрейф на выходе каскада отсутствует. При интегральном исполнении ДК имеется некоторый разброс параметров транзисторов, что приводит к появлению некоторого дрейфа на выходе. При подаче на оба входа синфазных сигналов, изменение Iк1 и Iк2 происходит на одинаковую величину и Uвых = 0, т.е. ДК

не дает усиления синфазного сигнала (не чувствителен к синфазному сигналу). Это является ценным его свойством и позволяет избавиться от помех, действующих на входах и даже наводимых на входных проводах. Однако, из-за наличия на обоих входах постоянных составляющих напряжения возможно появление на выходе выходной синфазной ошибки

Рассмотрим работу дифференциального каскада, если сигналы на входы поданы в противофазе. Предположим, что на входе Uвх1 = +Uвх , а

Uвх2 = −Uвх . Это приводит к тому, что транзистор VT1 открывается, и ток коллектора Iк1 возрастает на величину ∆Iк, а транзистор VT2 под действием отрицательного входного сигнала − Uвых начинает закрываться, и ток коллектора Iк2 уменьшается на ∆Iк.

Противофазные напряжения на входах ДК вызывают противофазные изменения эмиттерных токов. В симметричной схеме их изменения взаимно компенсируются, и через резистор Rэ протекает постоянный ток Iэ = Iэ1 + Iэ2 . Пе-

ременное напряжение на Rэ отсутствует, и потенциал эмиттеров равен потенциалу общего провода. Каскад реагирует на разность входных сигналов, вот почему и называется дифференциальным.

Вход усилителя, сигнал с которого передается на выход усилителя без изменения фазы, называется неинвертирующим или прямым. Другой вход является инвертирующим и обозначается кружком.

Таким образом, при таком способе подачи входного сигнала выход каскада со стороны коллектора транзистора VT1 является ИНВЕРТИРУЮЩИМ, как и вход Uвх1 , а со стороны коллектора транзистора VT2 -

НЕИНВЕРТИРУЮЩИМ, а вход Uвх2 - неинвертирующим (прямым) входом.

Выходной сигнал снимаемый в диагонали моста с коллекторов транзисторов VT1 и VT2 называется дифференциальным

Размах выходного напряжения Uвых может изменяться от положительного до отрицательного значения и ограничивается напряжениями источника питания. Так как для дифференциального входного сигнала в любой момент напряжения на коллекторах транзисторов VT1 и VT2 будут находиться в противофазе, то на нагрузке происходит выделение удвоенного выходного сигнала.

293

Таком образом резистор Rэ образует отрицательную обратную связь только для синфазного сигнала.

Поскольку даже при интегральном исполнении в реальных ДУ не удается обеспечить идеальную симметрию плеч, то и для дифференциального сигнала Rэ создает ООС небольшой глубины, которая зависит от качества симметрии плеч. Вследствие симметрии каскада при отсутствии дифференциального сигнала Uвх = 0 , коллекторные токи транзисторов VT1 и VT2 одинаковы и

Uвых = 0. Нулевые значения Uвых сохраняются при одновременном и одинако-

вом изменении токов в обоих плечах, какими бы причинами такое изменение не вызывалось. В связи с этим в идеальном ДУ дрейф выходного напряжения отсутствует, хотя в каждом из плеч он может быть относительно большим. Симметрия не нарушится при синфазном изменении Uип1 и Uип2 , значит ДУ

не чувствителен к синфазному сигналу.

Качество работы ДУ характеризуется коэффициентом ослабления синфазного сигнала KUдифф KUсин , который показывает способность каскада

различать малый дифференциальный сигнал на фоне большого синфазного напряжения. Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) ДУ характеризуется выражением 20 lg KUдифф . В ДУ всегда стремятся сделать

КОСС как можно больше, что достигается увеличением сопротивления Rэ. Однако, при интегральном исполнении ДУ трудно получить резисторы с большим номиналом. На практике вместо Rэ используют электронный эквивалент резистора большого номинала – генератор стабильного тока. В дифференциальных усилительных каскадах КОСС лежит в пределах от –60 до 120 дБ. Он зависит от температуры, частоты синфазного напряжения. На более высоких частотах КОСС становится меньше.

Синфазный сигнал определяет диапазон входных напряжений, при подаче которых усилитель сохраняет способность усиливать малые дифференциальные сигналы. Большое синфазное напряжение приводит к нарушению линейности усилителя. Для получения большого коэффициента усиления дифференциального каскада необходимо увеличивать ток, протекаемый через транзисторы, и сопротивление резистора, включенного в цепь коллекторов. Увеличение токов, протекаемых через транзисторы VT1 и VT2, может привести к понижению входных сопротивлений транзисторов, что в свою очередь приводит к увеличению входных токов. А увеличение сопротивлений резисторов Rк1 и

Rк2 приводит к уменьшению потенциалов коллекторов транзисторов VT1 и

VT2 при отсутствии входного сигнала. При наличии входного сигнала создаются предпосылки для перехода транзисторов в режим насыщения. В практических схемах дифференциальных каскадов стремятся увеличить Rк не изменяя при этом потенциалов коллекторов транзисторов, это достигается за счет использования нелинейной нагрузки.

294

На рис. 11.2,б представлена принципиальная схема дифференциального каскада с симметричным входом, в котором используется нелинейная нагрузка. Данный каскад является базовой схемой входного каскада для построения различных операционных усилителей.

Дифференциальную пару образуют транзисторы VT1–VT4, включенные в каждом плече по каскодной схеме ОК–ОБ. Входные транзисторы VT1, VT2 включены по схеме с ОК, а p-n-p транзисторы VT3 и VT4 с ОБ. Включение p-n-p транзисторов с ОБ дает возможность использовать преимущества этой схемы включения: лучшие частотные свойства и более высокое входное сопротивление. Такая транзисторная структура ОК-ОБ наиболее высокочастотна и обладает большим входным сопротивлением, отсутствует эффект модуляции ширины базовой области (эффект Эрли) транзисторов дифференциальной пары, проявляющийся в базовой схеме ДУ из-за разных величин коллекторных напряжений при балансе. Входные транзисторы VT1 и VT2 все время работают при одном и том же напряжении на коллекторах, и через них протекает одинаковый ток, что исключает эффект Эрли. В качестве динамической нагрузки транзисторов VT3 и VT4 используются транзисторы VT7 и VT8, представляющие совместно с VT9 и резисторами R1 и R3 диодно-транзисторную структуру. Транзистор VT9 обеспечивает смещение транзисторов VT7 и VT8 и включен в схеме с ОК. За счет чего напряжение с коллекторной цепи транзистора VT7 через эмиттерный повторитель (транзистор VT9) подается на базу транзистора VT8. Поступив на базу, этот сигнал инвертируется усилительным каскадом транзистора VT8, в коллекторной цепи транзистора VT8 суммируются сигналы действующие между коллекторами транзисторов VT3 и VT4. За счет такого схемотехнического построения дифференциальный выход преобразуется в несимметричный.

При одновременном изготовлении на одной подложке транзисторов обеих структур все же не удается получить точно заданные абсолютные значения параметров p-n-p структуры. Для стабилизации рабочей точки транзисторов VT3 и VT4 предусмотрена цепь ООС, которая образована диоднотранзисторной структурой на транзисторах VT5 и VT6.

Транзистор VT5 в диодном включении стабилизирует ток входных транзисторов VT1 и VT2, а также транзистора VT6, который регулирует так же токи баз транзисторов VT3 и VT4 путем сложения или вычитания тока коллектора и тока источника стабильного тока, собранного на транзисторах VT10–VT12. За счет транзисторов VT5 и VT6 повышается коэффициент ослабления синфазного входного сигнала, а следовательно, и всего ОУ, за счет стабилизирующей ОС, действующей для синфазных сигналов, и не оказывает заметного влияния на коэффициент передачи дифференциального сигнала.

Для повышения входного сопротивления часто используют ДУ на полевых транзисторах. На рис. 11.3 приведена принципиальная схема ДУ на МДП транзисторах. В данной схеме использованы МДП транзисторы с каналом n-

295

типа, это могут быть транзисторы как со встроенным, так и с индуцированным каналом.

Подложка может соединяться или с общей шиной, или с истоком. ДУ выполнен по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы транзисторами VT1, VT2, а два других - транзисторами VT3, VT4. Сопротивление нагрузки включается в диагональ моста т.е. между стоками транзисторов VT1, VT2.

Транзисторы VT3, VT4 выполняют функции пассивных элементов – резисторов. Поэтому такой ДУ иногда называют усилителем с динамической нагрузкой.

Для дифференциального сигнала коэффициент усиления по напряжению определяется

отношением ширины каналов МДП-транзисторов VT1 и VT3 (или VT2 и VT4). Большие значения отношения ширины каналов технологически выполнить очень затруднительно, поэтому в реальных устройствах KUдифф не превышает

10. КОСС в таких каскадах значительно меньше, чем у каскадов на биполярных транзисторах. Входное сопротивление определяется токами транзисторных структур. В связи с этим входные сопротивления такого ДУ довольно велики, как для дифференциального, так и для синфазного сигналов, и составляют более 1010 Ом. Недостатками ДУ с полевыми транзисторами на входе являются большие напряжения смещения нуля и значительный температурный дрейф.

Для получения малых значений входного тока, увеличения коэффициента усиления часто используют "супер-бета" транзисторы. За счет чрезвычайно тонкой базы значение коэффициента передачи тока базы β может достигать нескольких тысяч раз. Увеличение параметра β приводит к снижению напряжения пробоя коллекторного перехода до 4 В, а параметр β в свою очередь сильно зависит от напряжения коллекторного перехода. Использование супербета транзисторов на входе дифференциального каскада приводит к увеличению входного сопротивления ДУ.

Способность дифференциального каскада не реагировать на синфазный сигнал является очень важным и полезным свойством. Это свойство дифференциальных каскадов позволяет использовать их для выделения малых сигналов на фоне больших синфазных помех, производить с их помощью сравнение

296

сигналов между собой и с заданными уровнями и совершать еще целый ряд операций с сигналами, что делает дифференциальные каскады практически незаменимыми компонентами современных схем. Дифференциальные каскады обладают малыми нелинейными искажениями при усилении сигналов переменного тока. Дифференциальные каскады используют в тех случаях, когда слабые сигналы можно потерять на фоне шумов. Это передача по длинным линиям (кабелям) цифровых, звуковых, радиочастотных сигналов, напряжения электрокардиограмм, сигналов считывания информации с магнитной памяти и т.д.

11.2. Операционные усилители

Операционными усилителями (ОУ) называют многокаскадные усилители постоянного тока с дифференциальным входным каскадом, большим усилением и несимметричным выходом, предназначенные для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе с глубокой отрицательной ОС. Первоначально эти усилители предназначались для выполнения математических операций (сложение, вычитание, умножение, деление, дифференцирование и т.д.) над непрерывными электрическими сигналами в аналоговых вычислительных машинах. Первые ОУ строились на электронных лампах, работали с высокими напряжениями до ±300 В, имели большие размеры и стоимость. В начале 60-х годов ОУ стали серийно выпускаться в виде интегральных микросхем. Они имеют малые размеры, низкую стоимость, высокую надежность, и область применения их необычайно широко раздвинулась за те границы, которые предвидели их первые разработчики. ОУ применяются в системах телекоммуникации, вычислительной технике, в управлении процессами производства и др. При этом ОУ остается очень хорошим усилителем постоянного тока с большим коэффициентом усиления.

11.3. Параметры операционных усилителей

Так как ОУ является универсальным устройством, то для описания его свойств используется большое число параметров.

1. Коэффициент усиления К равен отношению выходного напряжения к вызвавшему это приращение дифференциальному входному сигналу при отсутствии обратной связи (составляет 103…107) и определяется при холостом ходе на выходе. К=Uвых/Uвх.д.

2.Напряжение смещения нуля UCM показывает, какое напряжение необходимо подать на вход ОУ для того, чтобы на выходе получить Uвых=0 (составляет 0,5…0,15 мВ). Это является следствием неточного согласования напряжений эмиттер-база входных транзисторов.

3.Входной ток Iвх определяется нормальным режимом работы входного дифференциального каскада на биполярных транзисторах. Это ток базы вход-

297

ного транзистора ДУ. Если в дифференциальном каскаде используются полевые транзисторы, то это токи утечек.

При подключению к входам ОУ источников сигнала с разными внутренними сопротивлениями, создаются различные падения напряжений на этих сопротивлениях токами смещения. Появившийся дифференциальный сигнал, изменяет входное напряжение. Для его уменьшения, сопротивления источников сигнала должны быть одинаковы.

4.Разность входных токов ∆Iвх равна разности значений токов, протекающих через входы ОУ, при заданном значении выходного напряжения, составляет 0,1…200 нА.

5.Входное сопротивление RBX (сопротивление между входными выводами) равно отношению приращения входного напряжения к приращению вход-

ного тока на заданной частоте сигнала. RBX определяется для области низких частот. В зависимости от характера подаваемого сигнала входное сопротивление бывает дифференциальное (для дифференциального сигнала) и синфазное (для синфазного сигнала). Дифференциальное входное сопротивление – это полное входное сопротивление со стороны любого входа, когда другой вход соединен с общим выводом, составляет десятки кОм – сотни МОм. Такое

большое RBX получается за счет входного ДУ и стабильного источника постоянного напряжения. Синфазное входное сопротивление – это сопротивление между замкнутыми выводами входов и землей. Оно характеризуется изменением среднего входного тока при приложении ко входам синфазного сигнала и на несколько порядков выше RВХ ДИФ.

6.Коэффициент ослабления синфазного сигнала Косл сф определяется как отношение напряжения синфазного сигнала, подаваемого на оба входа, к дифференциальному входному напряжению, вызывающему тоже значение выходного напряжения. Коэффициент ослабления показывает во сколько раз коэффициент усиления дифференциального сигнала больше коэффициента усиления синфазного входного сигнала и составляет 60…120 дБ:

Kосс = Kдиф . Kсф

С ростом коэффициента ослабления синфазного сигнала точнее можно выделить дифференциальный входной сигнал на фоне синфазной помехи, тем лучше качество ОУ. Измерения проводят в диапазоне низких частот.

7. Выходное сопротивление Rвых определяется отношением приращения выходного напряжения к приращению активной составляющей выходного тока при заданном значении частоты сигнала и составляет единицы–сотни Ом.

8. Температурный дрейф напряжения смещения равен отношению максимального изменения напряжения смещения к вызвавшему его изменению

температуры и оценивается в мкВ/град αсм = ∆∆UTсм .

298

Температурные дрейфы напряжения смещения и входных токов являются причиной температурных погрешностей устройств с ОУ.

9.Коэффициент влияния нестабильности источника питания на выходное напряжение показывает изменение выходного напряжения при изменении напряжений питаний на 1 В и оценивается в мкВ/В.

10.Максимальное выходное напряжение Uвых макс определяется предельным значением выходного напряжения ОУ при заданном сопротивлении нагрузки и напряжении входного сигнала, обеспечивающим стабильную работу

ОУ и искажения не превышающие заданного значения. Uвых макс на 1…5 В ниже напряжения питания.

11.Максимальный выходной ток Iвых макс ограничивается допустимым коллекторным током выходного каскада ОУ.

12.Потребляемая мощность – мощность, рассеиваемая ОУ при отключенной нагрузке.

13.Частота единичного усиления f1 – это частота входного сигнала, при которой коэффициент усиления ОУ равен 1: |K(f1)|=l. У интегральных ОУ частота единичного усиления имеет предельное значение 1000 МГц. Выходное напряжение на этой частоте ниже, чем для постоянного тока примерно в 30 раз.

14.Частота среза fc ОУ – частота, на которой коэффициент усиления

снижается в 2 раз. Она оценивает полосу пропускания ОУ и составляет десятки МГц.

15. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения Vмакс определяется наибольшей скоростью изменения выходного напряжения ОУ при действии на входе импульса прямоугольной формы с амплитудой равной максимальному значению входного напряжения и лежит в пределах 0,1…100 В/мкс. При воздействии максимального входного напряжения выходной каскад ОУ попадает в область насыщения по обеим полярностям. Этот параметр указывается для широкополосных и импульсных устройств на основе ОУ и приводит к наличию фронтов выходного сигнала с конечными значениями длительности. Vмакс характеризует быстродействие ОУ в режиме большого сигнала.

16. Время установления выходного напряжения tycт (время затухания переходного процесса) – это время необходимое для возвращения усилителя из состояния насыщения по выходу в линейный режим.

Время установления – это время в течение которого после скачка входного напряжения, выходное напряжение отличается от установившегося значения на величину допустимой относительной погрешности δUвых. За время установления выходное напряжение ОУ при воздействии входного напряжения прямоугольной формы изменяется от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения.

17. Напряжение шумов, приведенное ко входу, определяется действующим значением напряжения на выходе усилителя при нулевом входном сигна-

299

ле и нулевом сопротивлении источника сигнала деленным на коэффициент усиления ОУ. Спектральная плотность шумов оценивается как корень квадратный из квадрата приведенного напряжения шума деленного на полосу частот, в которой выполнено измерение напряжения шума. Размерность данного параметра мВ/ Гц . В ТУ на ОУ иногда задают коэффициент шума (дБ), определяемый как отношение приведенной мощности шума усилителя, работающего от источника с внутренним сопротивлением Rг, к мощности шума активного сопротивления

где Uш – приведенное напряжение шумов при Rг=0;

4kTRг – спектральная плотность теплового шума резистора. Требования, предъявляемые к параметрам ОУ, зависят от выполняемых

им функций. Желательно во всех практических случаях уменьшить погрешность выполняемых операций, повысить надежность, быстродействие. Одновременное улучшение всех параметров выдвигает противоречивые требования к схеме и ее изготовлению. Все это объясняется большим разнообразием ОУ, у которых оптимизированы лишь конкретные параметры за счет ухудшения других. Так в измерительной аппаратуре используются прецизионные ОУ, обладающие большим коэффициентом усиления, большим входным сопротивлением, малым напряжением смещения нуля и малыми шумами. А быстродействующие ОУ должны обладать большой скоростью нарастания выходного напряжения, большой полосой пропускания и малым временем установления выходного напряжения. Такие ОУ нашли применение в импульсных и широкополосных усилительных устройствах и в устройствах аналого-цифровых преобразователей.

Для создания компараторов, которые служат для сравнения мгновенных значений двух напряжений, используются скоростные ОУ, работающие в режиме переключения.

11.4. Амплитудно и фазочастотные характеристики ОУ

Частотные свойства ОУ описываются его амплитудно-частотной характеристикой. Хотя коэффициент усиления каждого усилителя в некоторой полосе частот почти постоянен, однако ни один усилитель не имеет постоянного усиления во всем частотном диапазоне. В связи с этим амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя определяет устойчивость работы всего устройства. Так как все каскады операционного усилителя имеют гальваническую связь, то АЧХ ОУ не имеет спада коэффициента усиления в диапазо-

300

не низких частот, а только в диапазоне высоких частот. Этот спад обусловлен наличием распределенной емкости монтажа усилителя и емкости переходов транзисторов. С ростом частоты емкостное сопротивление ОУ падает, возникает емкостная составляющая сопротивление сигнала, что приводит к уменьшению переменного сигнала в нагрузке и уменьшению коэффициента усиления. Коэффициент усиления операционного усилителя на низких и средних частотах определяется следующим выражением:

где КU OУ – коэффициент усиления ОУ без обратной связи на низких частотах;

f – рабочая частота;

fc – частота среза (сопряжения, граничная), на которой коэффициент уси-

С – паразитная емкость монтажа и емкости переходов транзисторов.

Для удобства, наглядности и компактности при построении АЧХ коэффициент усиления измеряют в децибелах, а частоту откладывают в логарифмическом масштабе. Такую амплитудно-частотную характеристику операционного усилителя принято называть логарифмической (ЛАЧХ), а выражение (11.7) для ЛАЧХ представляется в виде

KU = UOУ −20lg 1+ ff 2 . (11.8)

c

Вдиапазоне низких и средних частот KU=201gKU OУ представляет собой прямую линию параллельную оси частот. С ростом частоты входного сигнала коэффициент усиления падает, начинает проявляться влияние паразитной емкости. Уменьшение коэффициента усиления с ростом частоты называют спадом. Спад принято выражать в децибелах на октаву или в децибелах на декаду. Октавой называется изменение (увеличение или уменьшение) частоты в 2 раза. Декадой называется десятикратное увеличение или уменьшение частоты.

Рассмотрим спад ЛАЧХ при изменении частоты в высокочастотном диапазоне, причем f2>fl>fc. Изменение коэффициента усиления будет равно:20lg K

Если f2 = 10fl, то ∆KU = 201g(0,l) = -20 дБ, то коэффициент усиления уменьшается на 20 дБ, т.е. в 10 раз, а при f2 = 2fl ∆KU = 201g(1/2) = –6 дБ.