Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

ЛЕКЦИИ АИС 1 ЧАСТЬ _ДО ОУ_

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

05.06.2015

Размер:

574.48 Кб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 23 / 33

Трансляторы уровня напряжения. U1 - U2 = UБЭ(2+R1/R3)

I = (UИП - U1 - UБЭ)/R1

= R2*I

АU ≈

-(R2/R1)по перем.току

ЛЕКЦИЯ 8

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ КАСКАДЫ

Дифференциальные усилители (ДУ) - мостовые схемы с высоким коэффициеном п
сигналов синфазных помех. К таким помехам относятся дрейф нуля из-за нестабильности
питания ∆ UИП и температурный дрейф.
вх.1		вых.1
вх.2	ДУ	вых.2

ДУ - это входной блок ОУ, самого распространенного класса АИС. Такая область

применения связана с такими достоинствами схемы, как:

•

высокая стабильность работы 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.

и Uвх2, действующие во взаимно симметричных точках, изменяются

Если уровни Uвх1

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 дифференциального 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. обеспечена

полная идентичность симметричных элементов и параметров:

α, β,

R, I0Д, rБ, rК, rЭ =

ϕ T/IЭ, АЭ1 = АЭ2.

Базовый элемент ДУ – эмиттерно-связанная пара на Т1-Т2

Если выход №2 рассматривать как основной выход схемы - то вход №1

будет неинвертирующим, а вход- №2 - инвертирующим.

Uвых1

Uвых2

вх1

Т1

Т2

вх2 U2

Произвольные сигналы на входах U1 и U2 (I1

и I2) можно представит в виде комбинации

синфазных и парафазных сигналов. В соответствии с определением сигналов:

U1 = Uс/ф + U∆ ,

U2 = Uс/ф

- U∆ .

Сложим и вычтем эти уравнения:

Uс/ф

= (U1

+ U2)/2 ;

U∆

= (U1 - U2)/2

отсюда

Uдиф = U2 - U1

= 2U∆ .

Аналогично для токов:

= iс/ф + iдиф,

= iс/ф

- iдиф,

iс/ф = (i1 + i2)/2 ,

iдиф/2 = (i1 - i2)/2.

вх1

вх2

вх1

вх2

Uдиф+

Uдиф/2

Uс/ф

Рассматриваем токовую пару ДУ на транзисторах Т1-Т2. Возможная неидентичность

транзисторов ведет к рассогласованию коллекторных потенциалов при нулевом входном

сигнале, или напряжению смещения нуля Uсм0.

Пусть есть разница в падениях напряжений на р-n- переходах Т1

и Т2,

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

IБ1

IК1

I K 01 = exp

ϕ T

IБ2

IК2

K 02

U 0см

= IK1

= IK0exp(UБЭ/ϕ T),

= IK2

=IK0exp[(UБЭ2+U0см)/ϕ

T],

+ I2

= I0,

отсюда можно получить систему уравнений для токов :

T ]

1 + exp[− (2U∆

+Ucм0) ϕ

при Uсм0

= 0, 2U∆

= U1 - U2 .

I2 =

1 + exp[(2U ∆

−Uсм0) ϕ T

]

Передаточная характеристика каскада определяется следующим выражением (основной

выход схемы – выход №2):

Uвых1 = U ИП −

α I0 R1

Uвых2 = U

ИП −

α I0 R2

= Uвых −

I0 R2

U1 −U2

1 + exp

−U1

1 + exp

∆

ϕ T

Для

кремниевых ИБТ

типовая величина

Uсм0 ≈ 1-2

мВ. Построим

характеристики

переключения ДУ с учетом напряжения смещения нуля.

Для демонстрации влияния напряжения смещения на переключательную и

передаточную

характеристику

строим

ее

зависимости от

U∆ .

Максимальный

коэффициент

усиления

схемы будет

середине

передаточной

характеристики.

Передаточная характеристика построена для идеального ДУ с Uсм0. на переключательной токовой характеристике показано смещение характеристики относительно начала координат.

Uвых= UИП

-2ϕ Т 2ϕ Т

U∆

I2/I0 I1/I0

I1 0.99

0.01

-50

2ϕ Т.

U∆ -U0см

+50 мВ

Ток переключается на 99% при U∆ = 55 мВ ≈

Расчет коэффициентов усиления ДУ. Рассчитываем коэффициенты усиления

дифференциального и синфазного сигнала независимо. Используем методику теоремы

бисекции или рассечения.

Теорема бисекции (расщепления, замещения).

Для упрощения расчетов коэффициентов усиления ДУ схема делится посередине на

абсолютно

симметричные

части.

Отдельно

рассматриваем

реакцию схемы на

синфазный и парафазный входной сигнал.

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

Если линия сечения проходит через резистор, резисторы удваиваются, генераторы

тока делятся пополам I0/2. Покажем на типовой схеме двухкаскадного ДУ.

Uвых

2R3

-Uвых

вх1

вх2

Т3

Uвхс/ф

Т1

2R4

I0 R2

I0/2

2R2

2R5

При действии только парафазных сигналов рассматриваются только приращения токов, они разнонаправлены, поэтому в узлах симметрии (в перемычках)

тока не будет вследствие компенсации, потенциалы точек на оси симметрии не изменятся. Точки на схеме, не получающие приращений напряжений, можно заземлить:

Uвых

вх1

вх2

Т3

Uвхс/ф

Т1

I0 R2

I0/2

Расчет AU.

Коэффициент усиления парафазного и синфазного сигнала в схеме ДУ.

Коэффициенты усиления для двух типов сигнала определяются при дифференцировании выходного сигнала по соответствующему входному сигналу.

Расчет AUдиф. Для дифференциального сигнала после рассечения схемы получился каскад на Т1 и Т3 с ОЭ. В первом каскаде коэффициент усиления рассчитывается по формуле

AUдиф = = gmR1 .

Или, поскольку

Uвых = U ИП −		α I	0 R1
	1 + exp(2U∆ ϕ T ) ,
AUддиф = dU ВЫХ =		− 2α	I0 R1 exp(2U ∆ ϕ		2T ) .
		ϕ T
d U ВХ			[1 + exp(2U	∆ ϕ T )]

Воспользовавшись полученными выше уравнениями для токов I1 и I2 после несложных преобразований и с учетом того, что после бисекции I0 = I0/2, получим:

AUдиф = gm Rн= α I1I2R1/(I0ϕ T) ~ п*102.

Расчет AUсинф. Для синфазного сигнала по теореме бисекции получили схему с ОЭ с сопротивлением в эмиттерной цепи. В типовых ДУ в качестве источника переключаемого тока чаще всего используют схемы токовых зеркал, как и показано на примере двухкаскадного ДУ выше. На схеме (рис.1), показанной ниже представлен вариант каскада ДУ с дополнительными сопротивлениями в цепи

эмиттера. Для такой схемы входное сопротивление состоит из сопротивления источника тока R0 = 1/g0 , rЭ и входного сопротивления транзистора rБЭ.




Рис.(1)	rЭ	R0

Формула для коэффициента усиления получена раньше. После подстановки всех параметров получаем:

rвх = (rЭ+R0 +rБЭ)β ,

AUc/ф = dUвых/dUс/ф =R1/(rвх + rЭ + 2R0),

AUсинф = gвхRн.

AUсинф = (IKR1/IБrвх)~ R1/(2R0/β )) ≈ 0,25.

Удобно любую схему (в данном случае ДУ) рассматривать как блок с передаточной проводимостью, чтобы проще рассчитывать коэффициент усиления. Если позволяет математическая модель, можно рассчитать передаточную проводимость для всех сочетаний входных и выходных узлов: g11,g12,g21,g22. В схеме дифференциального каскада можно легко показать, что эти проводимости равны и отличаются только знаком. Будем использовать далее обобщенную величину, обозначим ее gf, это передаточная проводимость всей схемы ДУ gf :

g f i, j =	∂	Ii, j	=	∂		α I0 2		=	I1	I2	.
g f i, j =	∂	U ∆	=	∂ U∆		2U∆		=	ϕ T I0		.
					(1	+ exp ϕ T	)
gfдиф=I1I2/(I0ϕ T)=I1(I0-I1)/(I0ϕ T).
Для максимального значения тока получим:
gf max = I0/4ϕ			T.
Поскольку номиналы резисторов равны
AUдиф = = gfR2 = AUдифmax Uдиф=0								= - α		I0R1/ϕ T,

Итак, в общем случае, схему ДУ можно представить как блок с передаточной Проводимостью, формирующий усиление на некотором сопротивлении нагрузки.

Если 2U∆	= U1 - U2 ,
AU1	= U01/U∆	= -gfRн,
AU2	= U02/U∆	= gfRн.
gf = I1I2/(I0ϕ T),		gf max = I0/4ϕ T,

I0 = I1 + I2

U01=-gfRнU∆

U02=gfRнU∆ .

UБ1		gfU∆			U01
UБ1		gfU∆			U01
U∆	gf(U1-U2) Rн




UБ2			g	fU∆
	U02			Rн

AUдиф = gf Rн= I1I2Rн/(I0ϕ T) ~ п*102.

Покажем, что в ДУ с симметричным выходом коэффициент усиления в 2 раза выше:

= U0/U∆

gfU∆

Rн = 2Rн Rвх,

Rн

AU = -gf/(Gн/2 + Gвх)≈

-2gfRн.

U∆

gfU

∆

U0= -2gfRнU∆

Rн

Теперь получим выражение для передаточной проводимости по синфазному

сигналу:

g fсинф =

∂ I

∂ I0

g0 .

∂ Uсинф

∂ I0

∂ Uсингф

Коэффициент усиления по синфазному сигналу

Расчет КООС.

AUc/ф = gfс/фRн.

Подставим полученные выражения в формулу для определения КООС и оценим

его численно для максимальных значений токов:

AUдди =

d Uвых

− I1

I2 Rн

d Uвх

4ϕ

Т I0

AUссин =

d Uвых

= g0 I2 Rн ,

d Uвхсинф

2I0

U A ≈

КООС = AUдди

AUссин = I

4 103.

2I2

Получили количественное подтверждение подавления синфазных сигналов

(синфазных помех), что и определило широкие области применения ДУ.

Способы улучшения характеристик ДУ. Основные характеристики ДК:

•

напряжение смещения U0см;

•

входные токи Iвх1, вх2;

•

входное сопротивление Rвх;

•

коэффициент усиления дифференциального и синфазного сигнала Аuдиф, АUсинф;

•

КООС;

•

частотные характеристики.

Для увеличения коэффициента усиления ДУ и улучшения стабильности его работы известны несколько основных схемотехнических приемов.

Простой способ увеличения коэффициента усиления по напряжению – использовать каскадное соединение, ввести еще один ДК, но при этом, как будет показано ниже, увеличивается фазовый сдвиг. Рассмотрим несколько примеров улучшения характеристик ДУ.

1. Напряжение смещения нуля 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 (1). При этом, правда, уменьшается эффективная крутизна каскада, его коэффициент усиления. Заметим, что рассогласование собственно эмиттерных сопротивлений может ухудшить согласование коллекторных токов. Для согласования коллекторных токов на 1% требуется согласованность эмиттерных сопротивлений гораздо лучше этой величины.

-Включение эмиттерных сопротивлений (использование ТКН и ТКР разных знаков) также улучшают температурную стабильность ДУ (до +/-3-10 мкВ/град).

RK						I4	I0
						I4	I0
RБ			RЭ			I2
			RЭ
			R1	(1)		(2)
- Вставляют RЭ (около 70 Ом) и для снижения ∆ UK из-за эффекта модуляции ширины
базы:			RБб I1 (1 − β 1 β 2)
∆ I K		U 0 см +	RБб I1 (1 − β 1 β 2)
∆ I K	≈		β 1		,
I1	≈	RЭ I1	+ RБ I1 β	1 + ϕ T	,
Но входное сопротивление снижается от 250 до 50ком,
АUдиф = RK/2(RЭ +rЭ) ≈				30-100,
АUсинф = -RK/(2R1+RЭ)				≈ 0,5
2.	Использование активной нагрузки (токового зеркала схема (2)) в качестве
		коллекторной нагрузки. Нагрузочным сопротивлением					служит выходное
		сопротивление источника тока мегаOмного порядка величины.

I4 I0

(2)

Запишем уравнение для суммы токов выходного узла

I0 = I2 − I4 = − g f Uвхдиф − g f Uвхдиф = −2 g f Uвхдиф ,
A	f U		R		R	0
U 0диф = −2 g		вхдиф		н ;		н = g−1 .
Такой вариант			схемы ДУ обеспечивает высокое значение сопротивления нагрузки,
благодаря этому коэффициент усиления достигает 5000 и выше (без внешней нагрузки,
которая должна иметь большой импеданс).
3. Использование переключающих составных транзисторов Дарлингтона, либо
комплементарного варианта схемы Шиклаи, (схема (3)) позволяет увеличить
входное сопротивление до 10-20 МОм и снизить входные токи до 5-10 нА, но при
этом хуже согласование. Составные транзисторы лучше по							∆ Iвх, Rвх	(с
коэффициентом β					2).

При использовании составных транзисторов повышаются требования к их идентичности, поскольку ухудшается напряжение смещения нуля (согласовываются 2UБЭ). Частотные характеристики такой схемы тоже будут хуже.

(3)

4. Лучший вариант составных входных транзисторов – их каскодное включение. Схема (4) показана для половины ДК.

Выше показано, что в каскодных схемах больше полоса пропускания. +15

	Rн			(4)
			выход


+3		IK	Т2
+3		IK	Т2
Rи			Т1


вход
Используя		усилительный каскад ОЭ-ОБ можно устранить эффект Миллера, или.

Введение транзистора Т2 позволяет ликвидировать проходную емкость между входом и

выходом, поэтому к выходному узлу продсоединена только емкость СКБ , в предыдущих схемах ее величина в (АU+1) раз больше.

Кроме того, каскоды дают хорошие результаты и для повышения точности согласования плеч ДК.

К недостаткам каскодного варианта ДУ относится снижение коэффициента усиления и увеличение площади усилителя.

5. Стабильность работы ДУ можно повысить, используя для запитки входных транзисторов источники тока в каждой цепи (Э,Б,К). Такие схемы отличает низкий КООС, в них много входных транзисторов, растут аппаратные затраты и потребляемая мощность.

IБ

(5)

Схемотехнические варианты построения ДУ, показанные выше, обусловлены, главным образом, требованиями ко ВХОДНЫМ КАСКАДАМ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ ОУ.

Ниже показана схема распространенного варианта ДУ, который мы в дальнейшем будем изучать в качестве входного каскада типового операционного усилителя:

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	I0	T2
						I0

Дифференциальный каскад на МДПТ.

Rн

I2 U2

I си 1/2

U ЗИ

пор

1/2

U 1 −U 2 =U ЗИ 1

−U ЗИ 2

∆ I

1 ∆

I 0

−

I 0

При помощи упрощения схемы по теореме бисекции получаем усилитель

с ОИ для дифференциального и синфазного сигнала, запишем сразу коэффициент

усиления через передаточную проводимость ДУ gf

для схемы с активными нагрузками:

Rн = 1/g02 ||

1/g04,

н ,

Uдиф =

AUсинф = g0 2

Rн

= 2 g f

2 g f

AUдди

f =0

U01

U1 −U2

gн

g02 + g04

g f ДУ = (k I0

2)1/ 2 =

(U ЗИ −Uпор)−1 ,

g02 = gСИ2 =

IСИ2 =

I0 2 ,

g04 = gСИ

СИ4 =

0 2 .

U A( n )

U A( p )

Оценим численные значения параметров КМДП ДУ:

AUдди =

2(U

ЗИ −U

пор

)−1

~ 2000

−1

U A( n ) +U A( p )

T4Uвых=U01

КООС

k I0 2

= U A

≈

I20

U A

AU (0)

1 =

≠ 0

1 + j (f / f 1)

2π

- U

ЛЕКЦИЯ 9

ВЫХОДНЫЕ УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ

В зависимости от рабочей точки усиливающего транзистора различают схемы, работающие в режимах класса А, В, С:

UБЭ(IБ)

• А – транзисторы открыты все время;

• В – рабочая точка совмещена с началом координат, транзисторы открыты в полупериоде;

• С – рабочая точка смещена в область отсечки.

• АБ – схема переходного класса, при помощи цепей смещения транзисторы открыты в промежуток времени при переходе сигнала через 0.

Входной синусоидальный сигнал в схемах этих классов преобразуется следующим образом:

Uвх

Усилительные каскады являются важной составляющей частью операционных усилителей (ОУ), в частности, выходные усилительные каскады.

Требования к выходным каскадам ОУ: 1. Большой выходной ток.

2. Большое выходное напряжение.

3. Низкое выходное сопротивление.

4. Малая рассеиваемая мощность.

В схемах выходных каскадов необходима защита всей схемы от разрушений при коротких замыканиях выхода на любой из полюсов питания.

В основе усилительных выходных каскадов чаще всего лежат схемы эмиттерных повторителей (ЭП). Эти схемы потребляют большую мощность и усиление по току в них - всего в β раз. На базе схем ЭП строятся каскады, в которых выполняются практически все перечисленные требования.

Класс А. Простые ЭП. Эти схемы отличает большая потребляемая мощность и в режиме покоя, большие коэффициенты усиления, отсутствие искажений (нелинейности) выходного сигнала.

вх вых

Класс Б. ЭП, не смещенный внешним источником, в котором транзистор открывается входным сигналом. Если это п-р-п –транзистор, проходит положительная полуволна, если р-п-р - отрицательная. Для отрабатывания полного периода входного сигнала применяется модификация ЭП: комплементарные двухтактные ЭП. Передача на выход сигналов отпирающей полярности происходит через Т1, а запирающей – через Т2. В этой схеме существенны нелинейные искажения при работе с сигналами, амплитуда которых меньше или сравнима с величиной UБЭ.

				Т1
U	Вх. сигнал		Вх	вых
	Вых.сигнал	искажение	t	Т2
			t

Устранение нелинейностей в двухтактной схеме достигается при помощи обеспечения начального смещения порядка 2UБЭ диодами (см. схему ниже).

Рабочая точка этого усилителя соответствует классу АБ.		+	Т1
В качестве р-n-р- транзистора можно использовать латеральный			Т1

транзистор или даже паразитный транзистор на подложку.			вых
Для увеличения β р используют составные транзисторы.	Вход		Т2

выход

вход
Для температурной стабилизации выходного каскада
Для температурной стабилизации выходного каскада			+
применяют эмиттерные резисторы. Номиналы резисторов
подбирают таким образом, чтобы обеспечить нужный ток
покоя 9UR ≈ 0.1 В 0.
Кроме того, важно, что эти резисторы ограничивают ток в
выходном каскаде в случае КЗ, если поставить сочетание
ограничивающих резисторов с транзисторами Т3, Т4, то
падение напряжения на резисторах не превысит UБЭнас.
Для поступления на базы комплементарной пары одновре-
менного сигнала применяют шунтирующий конденсатор С =1 мкФ
	Т1	вход

Т3 Т1

вых К

Т4

Т2

нагрузка

Т2

Симметричная нагрузка может увеличить еще в 2 раза коэффициент усиления.

Схемы класса С. Смещение рабочей точки в область отсечки позволяет изменить форму выходного сигнала. Используя во входной цепи дифференцирующую цепочку, на выходе получим практически импульсную форму сигнала.

вход

выход

<<< < Предыдущая 1 23 / 33

Соседние файлы в папке PDF_VERSION pic

#
05.06.2015391.94 Кб73LabRAb6_CherryCuper_Cell_Shishina.pdf
#
05.06.2015223.73 Кб72LabRab7_OpAmp_Shishina.pdf
#
05.06.2015595.33 Кб73ЛАБ. РАБОТА 2 ИТ_Shishina.pdf
#
05.06.2015274.05 Кб72ЛАБ. РАБОТА#3 U0.pdf
#
05.06.2015278.96 Кб73ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1_Shishina.pdf
#
05.06.2015574.48 Кб81ЛЕКЦИИ АИС 1 ЧАСТЬ _ДО ОУ_.pdf
#
05.06.2015467.78 Кб72Лекции по АИС 2 часть.pdf
#
05.06.2015212.99 Кб72ЛР 4.pdf