Лекция №11

Еще раз о дифференциальном усилителе

Вы уже знакомы с такой схемой диф. усилителя:

Такая схема используется если с выхода необходимо снять дифференциальный сигнал (то есть сигнал представленный разностью напряжений). Если же с выхода дифференциального усилителя вам надо снять сигнал в виде обычного напряжения, можно использовать следующую схему:

Коэффициент усиления по дифференциальному напряжению каскада определяется выражением:

где r_э - динамическое сопротивление эмиттера транзистора.

Для того, чтобы определить коэффициент усиления синфазного сигнала, на оба входа усилителя нужно подать одно и то же напряжение u_вх. В этом случае оба транзистора со своими коллекторными нагрузками включены по существу параллельно. Через резистор R_э протекают оба эмиттерных тока. Поэтому

Таким образом, для улучшения дифференциального коэффициента усиления, необходимо увеличивать . Но вместе с увеличением , необходимо также увеличивать , чтобы не слишком возрастал

Повысить параметры дифференциального усилителя в принципе можно простым увеличением сопротивлений резисторов R_к и R_э, но при этом уменьшится ток покоя транзисторов и, как следствие, ухудшится температурная и временнaя стабильность усилителя. Эффективный путь улучшения характеристик усилителя состоит в замене линейных резисторов источниками тока, обладающими высоким динамическим сопротивлением при достаточно больших токах. В частности, в качестве динамической нагрузки в цепи коллекторов транзисторов дифференциального усилителя широко используется так называемое токовое зеркало:

I_вх= BI_б +2I_б

I_вых= BI_б

B – коэффициент усиления транзистора по току (включенного по схеме с ОЭ).

Отсюда:

I_вых/I_вх = B/(B+2) ≈ 1

Таким образом, выходной ток практически равен входному. Токовое зеркало отражает ток из одной ветви в другую. Так сказать, дублирует источник тока.

Внутренняя структура операционных усилителей

Блок-схема операционного усилителя:

Принципиальная схема ОУ:

Входной каскад выполнен по схеме дифференциального усилителя на p-n-p транзисторах Т₁ и Т₂. В качестве нагрузки использовано токовое зеркало на n-p-n транзисторах Т₃ и Т₄. Для выходного тока входного каскада, следовательно, можно записать следующее соотношение: I_д= I_к2 -I_к1

Благодаря тому, что выходным сигналом дифференциального каскада является разностный ток, синфазные изменения коллекторных токов входных транзисторов взаимно компенсируются, что значительно ослабляет синфазные входные сигналы.

Источник тока эмиттеров выполнен на транзисторе Т₉. В некоторых ОУ (например, 140УД12) для этого также используется токовое зеркало, причем его входной ток задается сопротивлением внешнего резистора и может им программироваться, что позволяет регулировать параметры ОУ, в частности, потребляемый им ток.

Вторую ступень усиления образует каскад с общим эмиттером на транзисторе Т₆. Он имеет в качестве нагрузки источник тока на транзисторе Т₁₀. Для повышения входного сопротивления этого каскада на его входе включен эмиттерный повторитель на транзисторе Т₅. Конденсатор С_к обеспечивает операционному усилителю частотно-зависимую ОС для коррекции АЧХ.

Выходной каскад представляет собой двухтактный комплементарный эмиттерный повторитель на транзисторах Т₇, Т₈. Напряжение на участке цепи из двух последовательных диодов, включенных в прямом направлении, обеспечивает малый начальный ток покоя этих транзисторов (режим класса АВ), что позволяет устранить переходные искажения сигнала. Такая схема обеспечивает симметрию выходного сопротивления ОУ при различной полярности выходного напряжения. Как правило, выходной каскад включает цепи защиты от короткого замыкания выхода.

Схема суммирования

Для суммирования нескольких напряжений можно применить операционный усилитель в инвертирующем включении. Входные напряжения через добавочные резисторы подаются на инвертирующий вход усилителя. Поскольку эта точка является виртуальным нулем (один вход заземлен + условие равенства напряжений на входе), то на основании 1-го закона Кирхгофа при нулевых входных токах идеального ОУ получим следующее соотношение для выходного напряжения схемы:

U_вых / R_S = -(U₁/R₁ + U₂/R₂ + ... + U_n/R_n).

Схема интегрирования

Наиболее важное значение для аналоговой вычислительной техники имеет применение операционных усилителей для реализации операций интегрирования. Как правило, для этого используют инвертирующее включение ОУ

По первому закону Кирхгофа с учетом свойства виртуального нуля: i₁ = - i_c. Поскольку i₁ = u₁/R₁, а выходное напряжение схемы равно напряжению на конденсаторе:

то выходное напряжение определяется выражением:

Схема дифференциатора

C(dU_вх/dt) + U_вых/R = 0,

или

U_вых = – RC(dU_вх/dt).

Дифференциальное включение ОУ

U_p = U₁R₄/(R₃+R₄)       (1)

I₁ = (U₂ - U_p) / R1        (2)

U_вых = U_p - I₁R₂          (3)

Подставив (1) и (2) в (3), получим:

При выполнении соотношения R₁R₄ = R₂R₃,

U_вых = (U₁ - U₂) R₂ / R₁