Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Лекции по АИС 2 часть

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

05.06.2015

Размер:

467.78 Кб

Скачать

☆

1 / 31 2 3 > Следующая >>>

Лекция 10 ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

ОУ обычно состоят из входного каскада, каскада сдвига потенциального уровня, выходного каскада.

Входной каскад		Выходной каскад
Входной каскад	Схема сдвига уровня	Выходной каскад
ДУ	Схема сдвига уровня
ДУ	и усиления
	и усиления

- Входной каскад – обычно ДУ (ДК). Если коэффициент усиления ДУ недостаточен,
используют дополнительные ДК с однофазным выходом.
- К выходу усилительного каскада подключается схема сдвига уровня,
обеспечивающая на выходе потенциал, равный входному в отсутствие усиливаемого
сигнала.
- Выходной каскад – это обычно усилитель мощности и одновременно в схеме
осуществляется согласование усилителя с нагрузкой.
Для питания используют обычно 2			источника питания: +15 и –15			В. Для	ОУ
допускается подключение внешних цепей обратной связи.
Условные обозначения ОУ в схемах
	Пример:		741
Установка нуля		741741		Пустой
Установка нуля				Пустой
Инвертирующий вход			+U (обычно +15 В) 3			+
Неинвертирующий вход				Выход	2	-	6
-U (обычно –15 В)				Установка нуля		1	5

Передаточная характеристика идеального ОУ. Выходное напряжение U0

рабочая область U0=AU0∆ U			1−2 B

∆ U= U1-U2 ,входное напряжение (диф.) 1-2 В

-U

Ширина рабочего линейного участка обычно невелика, поэтому для получения неискаженного выходного сигнала используют цепи обратной связи.

Идеальный ОУ имеет следующие характеристики:

Входной импеданс (для дифференциального и синфазного сигнала) равен

бесконечности, а входные токи равны нулю.

Выходной импеданс равен нулю (при разомкнутой ОС).

Коэффициент усиления по напряжению равен бесконечности.

Коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю.

Выходное напряжение равно нулю, когда напряжение на обоих входах одинаково

(напряжение сдвига равно нулю).

Выходное напряжение может

изменяться мгновенно, бесконечная скорость

нарастания.

Характеристики не зависят от температуры и изменений напряжения источника

питания.

∞ .

Полоса пропускания ω α

В ОУ реализуется отрицательная обратная связь.

Включение ОУ с обратной связью

Zос

AU0

∆ U = U2 - U1 ; U0 = AU0 ∆ U. AU0 – коэффициент усиления ОУ без обратной связи. Величина AU0 может быть много больше AUос, поэтому можно расширить динамический диапазон входного напряжения для линейного режима в схемах с ОС. Коэффициенты усиления в схемах ОУ без ОС AU0 сильно отличаются даже в одной партии схем (3:1 и даже 10:1), а также сильно зависят от частоты, нестабильности

питания и т.д.

Цепи ОС позволяют сделать все эти параметры более стабильными, коэффициент усиления зависит только от точности подбора номиналов резисторов.

Параметры универсальных ОУ.

1. Коэффициент усиления по напряжению и фазовый сдвиг. AU0 – порядка 100 000 до 1 000 000, чаще определяют в дБ, зависит от частоты, диапазон которой (полоса пропускания), обычно, 1 –10 МГц (ω α ср), когда усиление уменьшается до 1. Сдвиг по фазе = 900 на частотах более вопрягающей (ω α ср) и растет далее до1201600 по мере приближения к точке единичного усиления. Вводят понятие запаса по фазе: 180 - ϕ ср

2. Входной ток, входной ток сдвига, входной импеданс. Входной ток смещения Iвх – обычно порядка 80 нА – до единиц наноАмпер и пикоамперный диапазон для полевых входных каскадов. Входной ток сдвига – следствие разбаланса плеч ДК, составляет обычно 0,1*Iвх.

3. Входной диапазон синфазного сигнала. При номиналах питания ±15 В, составляет

±12 В. Определяются максимальные значения, превышение которых приводит к разрушению схемы, обычно, это сигналы порядка питающих напряжений.

4.Входной диапазон дифференциального сигнала. Обычно это величина ±0,5 В. Не более, чем UИП.

5.Входной диапазон синфазного сигнала. При номиналах питания ±15 В составляет

±12 В. Определяются максимальные значения, превышение которых приводит к разрушению схемы, обычно, это сигналы порядка напряжения питания.

6.Входное напряжение сдвига Uсм0 – величина входного напряжения для получения на выходе нулевого напряжения. Следствие разбалансировки. Если при нулевом входном сигнале закоротить входы, на выходе может быть сигнал, равный UKK или UЭЭ, чтобы получить на выходе нулевое напряжение, на вход нужно подать некоторое Uсм0. Типовая величина: 2мВ, но менее 6мВ, в прецизионных ОУ – 30 мкВ. Бывает предусмотрена «настройка нуля» потенциометром. Напряжение сдвига (смещения) 0 зависит от температуры и стабильности источника питания.

7.Выходное сопротивление, его зависимость от сопротивления нагрузки. Величина от 75 Ом до тысяч Ом в маломощных ОУ. Задают размах выходного напряжения и максимальный выходной ток (обычно около 20 мА). Размах выходного напряжения может быть на 2 В ниже UKK и UЭЭ при нагрузке более 2кОм.

8.Входное сопротивление по дифференциальному сигналу 1-100Мом. Входной импеданс для ДК обычно определяется для диф. сигнала (один вход заземлен, импеданс меряют на другом входе), составляет ≈ 2МОм, на полевых приборах – более 1012 Ом, минимальные величины – десятки кОм.

9.Входное сопротивление по синфазному сигналу 100 Мом.

10.Скорость нарастания. Обычно 0,5-1000 В/мкс. Минимальная скорость нарастания должна быть порядка 2π Af в секунду, где А – амплитуда сигнала. Скорость измеряется при усилении, равном 1, в точке пересечения кривой выходного напряжения с осью абсцисс.

11.Полоса пропускания ω α 0,7 = 100Гц – 100кГц, ω Т 1-10 МГц .

12.Температурная зависимость параметров. Особенно важно учитывать ее для входного тока (напряжения) сдвига, остальные температурные изменения компенсируются цепями обратных связей.

13.КООС ( AUдиф/AUсинф при разомкнутой ОС) КООС = 60 - 120 дБ.

14.КОНП – приведенное ко входу изменение выходного напряжения при изменении напряжения источника питания на 1 В, КОНП = 5 - 60 мкВ/В.

15.Шумовые входные напряжение и ток.

16.В справочной таблице, кроме того, указываются следующие параметры: UИПmax,

Iвыхmax, ∆ T, Pрас.max, U вх.с/фmax, U вх.дифmax, I потрmax, Rнагр ≈ 2 кОм.

Основные схемы включения ОУ.

Типы обратных связей в усилительных схемах.
Обратная связь может быть положительной (ПОС) и отрицательной (ООС).
ОС поступает с выхода на вход. Соответствующий тип ОС смещает
область значений передаточной характеристики.	Uвых
В случае ПОС с ростом АU0ПОС↑ может возникнуть	ПОС Uвых=Uвх
область с отрицательным наклоном на передаточной
характеристике.

ООС

Uвх

Различают ОС последовательного типа, если сигнал на вход подается по последовательной цепи с выхода.

вх

усил.

вых

ос

Вводятся понятия петлевое усиление F = UOC/Uвых и глубина ОС = (1+FAU0).

Uвхус = Uвх +Uос.

AUOC = Uвых =

AU 0

(OOC),

Uвх

1 + F AU 0

AUOC =

AU 0

(ПОС),

− F AU 0

F = UOC

Uвых

AU 0

Uвхус

AU 0

(

+ F

Uвых

Uвх

В схемах с ОС параллельного типа сигнал на вход подается параллельно со входа и

выхода:

усил.

Вых

вх

iвхус

Zвх

ZOC

iвх

iос

Zвх

iвхус = iвх + iOC ,

F =

Zвх + ZOC

Глубина ОС и петлевое усиление определяются аналогично предыдущему случаю и формулы для коэффициента усиления совпадают.

Типовые схемы ОУ.

При рассмотрении схем ОУ пользуются двумя упрощающими расчеты правилами: 1. выход ОУ стремится к тому, чтобы разность напряжений между входами была равна нулю, 2. входы ОУ ток не потребляют.

Вводят вспомогательный уровень на входе ОУ UA, который называется: квазиуровень 0, виртуальный ноль или мнимое заземление.

Инвертирующий усилитель. По способу включения ООС – это параллельная

U 0

U1(Y1 + Y2) −U 2 Y1

U1 (1

+ Z2 / Z1) −U 2 Z2

/ Z1

Y2 + (1 /

A0U )(Y1

+ Y2)

1 +

(1 / A0U )(1 + Z2 / Z1)

ОС по напряжению, точка виртуального 0 – UA.

По полученной формуле выходное напряжение в первой схеме (*)

выход

U0 = AUосU1 = (1+R2/R1)U1. U2=0. AUoc = 1/F = (Z1+Z2)/Z1.

Uвых

Повторитель.

Uвх. R1

Rос

вход

выход

Uвых= -(Rос/R1)U вх

В данной схеме UA = 0, поэтому на основании приближения идеальности усилителя

Zвх>>100 Ком, Z0(вых)<<100

Ом, U0 ≈ U1

(правило(2)) можно записать:

Iвхус

= 0,

Iвх

= − IOC ,

вх

= −

вых

OC ,

Суммирующий усилитель

Дифференциальный усилитель

AUOC =

U вых

ROC

(ROC

> R1).

U вх

= −

R1 =

Неинвертирующий усилитель. Это случай последовательной ООС по

напряжению. По правилу (1) UA

= Uвх1. По второму правилу, раз ОУ не потребляет

R11

входной ток, можно записать:

UA=UвыхR1/(R1+Rос), IR1

= IROC = I, Uвых = I(R1 + ROC),

R12

AUос=Uвых/Uвх=1+Rос/R1.

(*)

Uвх1

Вход

R13

выход

U 0

= K(

)

−

U 2

U 3

U 2

Rос

U0 = -R2 ( R11

+ R12 +

R13 )

K = R2/R1

Входной импеданс бесконечен, а выходной приближается к нулю.

В более общем случае:

Интегратор

Дифференциатор

Фильтр нижних частот

Фильтр верхних частот

Можно ввести коэффициент обратной

связи: F = uос/u0 = Z1/(Z1+Z2)

U0 = A0UUi

Ui=U1-U2'-Uос = U1-U2’-FU0

U0(1+FA0U) = A0U(U1-U2')

U2'

= U2[Z2/(Z1+Z2)]

') = A

(U -U ’)

U = [A

/(1+FA

)](U -U

Uос

U2'+uос

AUос = A0U/(1+FA0U) ≈

U 0 = R2C

dU1

A0U/FA0U = (Z1+Z2)/Z1 = =AUос=1+Z2/Z1.

U 0 = − R1C1 U1 dt

Это соотношение получено для бесконечной величины A0U.

Для случая конечной величины коэффициента усиления

Ui=U0/A0U, U2'=U1-U0/A0U.

Используя уравнения узловых потенциалов:

(U2-U1+U0/AoU)Y1 = (U1-U0/A0U-U0)Y2,

U0(Y2+Y2/A0U+Y1/A0U) = -U2Y1+U1(Y1+Y2).

Усилитель мощности (бустер).
U		+
		-



	1	10	1	вых
	1	10	1	вых

Для получения больших токов подключают мощный ЭП, можно двухтактный вариант.

На базе ОУ возможны реализации: логарифмического преобразователя, экспоненциального усилителя, преобразователей ток напряжение, стабилизаторов напряжения, источников тока, ограничителей, умножителей, полосовых фильтров, мультиплексоров и т.д.

Лекция 11 Частотные характеристики ОУ

В любом усиливающем устройстве после некоторой частоты начинается спад коэффициента усиления. Каждый каскад в многокаскадном устройстве является емкостной нагрузкой для предыдущего и имеет конечный входной и выходной импеданс, таким образом, каждый усилительный каскад эквивалентен фильтру низких частот (RCцепочка) со своей величиной частоты среза ω α . Как указывалось выше, АЧХ низкочастотного фильтра описывается функцией однополюсника.

Уменьшение реактивного сопротивления конденсатора при увеличении частоты ведет к появлению спада характеристики с наклоном 6 дБ/октаву. Амплитудночастотную характеристику многокаскадной схемы можно выразить в общем виде:

AU0(ω ) = AU0(0)/[(1+jω /ω α 1)(1+jω /ω α 2)(1+jω /ω α 3)…],

где A0U

– коэффициент усиления без ОС на нулевой частоте, частоты среза или точки

излома называются полюсами

ω α 1

< ω α 2 < ω

α 3 ….

10Гц , ω α

1-3МГц для большинства ОУ.

Порядки величин этих частот

ω α

Для расчета

частотных характеристик

усилительных схем обычно пользуются

выражениями, полученными в результате упрощения сложных математических

зависимостей. Упрощения могут быть справедливы в определенном диапазоне

соответствующих величин, при этом в формулах могут использоваться

полуэмпирические коэффициенты.

2>>ω α

12,

ω 2<<ω α 22,

ω 2<<ω α

32. В этом

Часто

рассматривают

диапазон

частот ω

диапазоне частот можно записать, что при

α 2/3,

AU0 ≈

3ω

α 1

AU0(0)/j(ω /ω

α ) = A0U(0)ω

α /jω ,

Частота единичного усиления ω

Т:

при

AU0(0)ω α

/ω

Т = 1,

Т = AU0(0)ω

α .

Коэффициент усиления без ОС:

Суммарная

АЧХ,

AU0 ≈ ω Т/jω

трехкаскадной

схемы,

описывается

следующей

допустим,

упрощенной формулой:

Au 0Σ

Au =

1 + j

где

α 1

ω α 2

α 3

20 lg

2 (ω

) + Q2 (ω ) = 20 lg

+ 20 lg

u = 20 lg

u (ω ) =

u2 + 20 lg

u3 ,

здесь P – действительная часть переменной, Q – мнимая часть переменной.

Сдвиг по фазе определяется в тех же переменных:

= arctg

(ω

)

= arctg

(ω

)

ω α

В соответствии с формулой, представленной выше, для любой

однополюсной системы (RCцепочки), имеем следующие значения фазы при

определенных частотах:

при

= 0 - 0,1ω α ,

= 0;

при

= ω α ,

= - 450;

при

= 10ω α ,

= -900.

Таким образом, при частоте среза в однополюсной схеме без обратных

связей сдвиг сигнала по фазе составляет -450, а к частоте единичного усиления

- -900.

Совместный вид АЧХ и ФЧХ однополюсника можно представить качественно:

- 900

ω α

-450

0.1ω α

10ω

Суммарная АЧХ, допустим, трехкаскадной схемы, описывается следующей

упрощенной формулой:

Au 0Σ

Au =

1 + j

где

α 1

α 2

α 3

Au =

20lg Au (ω ) =

20lg Au1 + 20 lg Au 2 + 20 lg Au3 ,

Сдвиг по фазе определяется в тех же переменных:

ϕ 1 = arctg

;

2 = arctg

; ϕ 3

= arctg

ω α 1

α 2

ω α 3

По результатам численных расчетов строим сначала АЧХ, представив в логарифмическом масштабе коэффициенты усиления и частоты, получим для каждого каскада АЧХ с максимальным коэффициентом усиления на средних частотах и участок его спада с наклоном 20 дБ на декаду. Такая форма АЧХ называется логарифмической АЧХ (ЛАЧХ).

Аu
106	AuΣ	-20дБ
106
104	Au2	-40дБ
	Au1
102

1	102 ω α1	ω α2	104	106 ω α3	ω

-60дБ Построим теперь фазочастотную характеристику этой усилительной схемы.

0 ω α1 ω α2 ω Τ

-900

-1800

Совместный анализ АЧХ и ФЧХ трехкаскадной схемы показывает, что получили в результате неустойчивую схему, потому что каждый каскад дает сдвиг по фазе –900, а при сдвиге по фазе = -1800 коэффициент усиления гораздо больше 1. На частотах, при которых сдвиг по фазе уже достигает 1800, а коэффициент усиления еще больше единицы, обратная связь из отрицательной превращается в положительную. В такой схеме могут возникнуть автоколебания.

Обеспечение устойчивости усилительных схем достигается введением цепей отрицательных обратных связей, охватывающих один из каскадов или полной ОС от выхода до входа ОУ.

Коэффициент усиления в схеме с ОС: AUос(ω ) = AUос(0)/[1+AUос(0)/A0U],

с учетом выражения для однополюсника

AUос(ω ) = AUос(0)/[1+jω /ω Т AUос(0)].

Коэффициент усиления монотонно убывает с ростом частоты, при

т.е. частота, на которой AU0

становится равным AUос (0) должна быть меньше ω 180° в

получим

ω AUос(0)/ω

Т = 1,

схеме без ОС.

Запас по фазе

AUос(ω ) = AUос(0)/(1+j1) = AUос(0)/√ 2 ,

Мϕ

= 1800 - ϕ

= 45 0 , Аu = 1.

при этом сдвиг по фазе

ϕ <+450 .

Заметим, что необходимо условие малых фазовых смещений в цепях ОС. Часто в ОС

Коэффициент усиления в схеме с ОС уменьшается в √ 2 раз или на -3дБ при

ставят только резисторы и это условие выполняется.

частоте среза ω α

ос, которая будет и шириной полосы пропускания для схем с ОС

Можно систематизировать рассмотренные характеристики

ω α ос = ω Т/AUос(0).

Положительная ОС,

Отрицательная ОС,

При переходе к схемам с ОС ширина полосы пропускания ω α ос (BWос) увеличивается

FA0U<0

FA0U>0

во столько раз, во сколько уменьшится коэффициент усиления:

Неустойчивость

Устойчивость

BWос/BW0 = Auо(0)/AUос(0) = ω

α ос/ω α .

Частота единичного усиления может быть теперь определена как

FA0U< -1

-1<FA0U<0

AUос→

∞

AUос>A0U

AUос<A0U

(проигрыш по

Т = AUос(0)BWос = AU0(0)ω

α ос.

Автоколебания

на частоте

Повышенный коэффициент

усилению)

Хорошая устойчивость

f180

усиления

коэффициента усиления

АЧХ усилительного каскада без ОС и с ОС

A0U(0)

3 дБ

Пониженная устойчивость

показаны на диаграмме Боде:

коэффициента усиления

Характеристика аналогична RCфильтрам

A0U(f)

Узкая полоса пропускания

Расширенная полоса

с полосой пропускания

α .

(BWос<BW0)

Пропускания (BWос<BW0)

Худшие значения

Лучшие значения

AUос(0)

3 дБ

сопротивлений:

Zвх.ос<Zвх0

Zвхос>Zвх0

Zвых.ос > Z0вых

Zвых.ос>Zвых0

ос

Меньшая линейность

Хорошая линейность

(сильнее искажения)

(меньше искажений)

-900

без ОС

BW0= ω α

BWос= ω α ос AUос(ω

)

Частотная коррекция усилителей. Итак, Для обеспечения устойчивости схемы

-900

Фазовый сдвиг

с ОС

необходимо вводить ОС с корректирующей емкостью: снижая коэффициент усиления

схемы, мы расширяем полосу пропускания схемы.

-450

Если ω Τ

= ω α Α

υ0

Au0

ω Τ = ω αΟ

СΑ υΟ С

0,1ω α

ω α

ос

10ω α

ω α /ω αΟ С = АυΟ

С/Аυ0

на частоте

α ОС

обеспечивается запас по фазе

Можно сформулировать требования к значениям коэффициентов усиления и

Mϕ

= -450.

AuOC

сдвига по фазе в устойчивой усилительной схеме.

Критерий устойчивости усилителей с ОС: при разомкнутой ОС фазовый сдвиг не

ω α

ω α OC

должен превышать 1800

на частоте, при которой коэффициент передачи в цепи ОС

Запас по усилению

равен единице. (Особенно это важно в схемах повторителей сигнала).

MAu = AuΣ

- AuOC > 0.

Вводят понятия запаса по усилению и запаса по фазе для устойчивой схемы.

Устойчивость работы схемы обеспечивается цепями ООС.

Для исключения автоколебаний 2 –3 полюса заменяют одним доминирующим при

Запас по усилению

= 1350.

помощи включения запаздывающего звена в узкополосный каскад.

или

МА =

AUос(0) - AU0Σ

≈ 0 при частоте ω , при которой ϕ

Допустим, ОУ состоит из двух каскадов.

AU0

= AUос(0)

при ω = ω ϕ =135° ,

ДУ

вых.каскад

Скор

В выходном каскаде для транзисторов, включенных по схеме с ОЭ, в цепи стоит емкость, величина которой по эффекту Миллера Скор предыдущего каскада имеется выходное сопротивление (для первого выходное сопротивление источника сигнала),

СБК

коллекторной = СБК*Аu . От каскада – это

gвхUвх

выход

Получим RCцепочку, почти идеальную функцию интегратора:

А(jω ) =Uвых/Uвх = gвх/(jω

α осCкор), gвх = I0/2ϕ T

Новая частота единичного усиления ω α ос = I0/(ϕ TCкор)

Величина

α ос

определяется из требований запасов устойчивости, тогда

Скор

= gвх/ω

Расчет величины корректирующей емкости в цепи ОС показан ниже, в разделе о

расчете характеристик конкретной схемы ОУ.

Пример включения корректирующих цепей в ОУ

для трехкаскадной схемы:

Коррекция обеспечивает:

1) на всех частотах,

где АU > 1, фазовый сдвиг < 1800

при разомкнутой ОС.

Достигается это включением емкости, задающей сопрягающую частоту и наклон

передаточной характеристики - 6 дБ/октаву.

2) Коэффициент усиления в такой модифицированной схеме снижается до 1 на

частоте,

соответствующей примерно - 3

дБ на характеристике следующего RC-

фильтра

Аu

-6дБ

Схема 2 – ϕ уже 1800, АU>1.

Схема 1 -

скорректированный ОУ, ϕ ≈ 900 до ω α 2 , АU

Проигрыш в усилении -

Выигрыш в устойчивости

1800

900

450

ω α

ω α 2

ω α 3

Запас по фазе: 180 - ( 90 + 45 ) = 450, ( 450 - сдвиг RCфильтра на частоте – 3 дБ), eсли передаточная характеристика смещена так, что на частоте -3 дБ второго участка (полюса) коэффициент усиления стал бы равен 1.

В качестве корректирующей емкости часто используют емкость Миллера, причем, в схеме Дарлингтона ее емкость еще больше. Коррекция емкостью Mиллера температуроустойчива и не зависит от технологического разброса.

ДУ

Частотная характеристика ОС

В случае наличия реактивных элементов в цепях ОС (интеграторы, дифференц
происходит модификация частотной характеристики для повышения устойчивости схемы.
Для таких случаев используются диаграммы Боде для коэффициента передачи
всей петли ОС, а не АЧХ при разомкнутой ОС.
Особенно важно анализировать ОС для дифференциаторов (интеграторы сами
обеспечивают спад – 6 дБ/октаву).				450. Полоса
Внутренняя коррекция: Скор		= 30 –50 пФ, запас по фазе ϕ
пропускания узкая.
Внешняя коррекция:	Скор	= 5 – 50 пФ.
Ищут оптимум АU ω	ϕ .
Если схема устойчива, возникает высокочастотный подъем АU .
AUос			AUос(ω 180)/AUос(0)=2

		1.5 1.25

ω 180° (логарифмический масштаб)

Для предотвращения высокочастотного подъема коэффициента усиления необходимо выполнение условия

ω Т < ω α 2AUос(0),

в противном случае будет возникать «звон», «дребезг» на крутых фронтах входных сигналов вследствие перерегулирования ЧХ.

Лекция 12 Практические схемы ОУ.

1. Схема 1. Учебная схема. (Раздаточный материал).

Схема состоит из

а) дифференциального каскада на паре Т1, Т2, для смещения используются источники тока на транзисторах Т12-Т13, формируется ток I0; активная нагрузка на транзисторах Т3-Т4 (по схеме токового зеркала) и транзисторе Т5; б) транзистор Т6, включенный по схеме ЭП (ОК), первый транзистор пары

Дарлингтона, второй – Т7, включенный по схеме с ОЭ, нагрузкой к этому каскаду является Т14 (ОБ) – это источник тока, смещаемый цепью Т12-R1;

в) выходной каскад класса В – двухтактный комплементарный ЭП с Дарлингтоновскими транзисторами Т8-Т9 (для вытекающего тока) – и Т10-Т11 (на втекающий ток).

Схема упрощенная. Недостатки: нелинейные искажения, нет ограничения тока в выходной цепи, нет частотной коррекции.

2. Схема 2. Реальный ОУ серии 741. Основные блоки:

а) дифференциальный каскад, входные транзисторы Т1,Т2, составные с Т3,Т4, смещение задается источником тока Т5,Т6 иТ7, активная нагрузка в виде токового зеркала на транзисторах Т8,Т9, коэффициент усиления Аu1 > 60 дБ; б) усилительный каскад на Т16,Т17 с активной нагрузкой на многоколлекторном транзисторе Т13 (источник тока с расщепленным коллектором, ГПТ), коэффициент усиления каскада Аu2 45 дБ;

в) выходной каскад, транзисторы Т18,Т19 выполняют функцию диодов для устранения нелинейных искажений, цепь с Т22 задает смещение на выходной каскад. Выходной каскад работает в классе АВ, транзисторы Т14-Т20 это ЭП с защитой от искажений (D1,D2=T18,T19) и ограничением тока от случая короткого замыкания (Т15,Т21 – R6,R7). Резисторы, кроме того, обеспечивают в схеме выходного каскада термостабилизацию. Аu3 =1.

Внутренняя частотная коррекция осуществляется емкостью Скор = 30 пФ, подсоединенной ко второму каскаду (увеличение емкости СБК про эффекту Миллера). Конденсатор Скор занимает 1/6 площади кристалла! (30 пФ!) при площади кристалле примерно 0,5 мм2. Все p-n-p – транзисторы – латеральные. В результате коррекции частота второго полюса ω α 2ос 1МГц.

Схема 1 ОУ.

T3			T4	T7
			T5	T6	T8
вх1		-U	Сн1U01	Cн2	T9	iвых
	T1		T2 вх2	-U
+U
R1		I0		U02	T11	Rн	Uвых
					T10
T12			T13	T14
			R2	R2

-U

Схема 2. Принципиальная схема ОУ типа 741 (Fairchild).

R1=1 K, R2=1 K, R3=50 K, R4=5 K, R5=40 K, R6=27 K, R7=22 K, R8=100 Ом, R9=50 K, R10=50 K, R11=50 K +U

T14

T12

T13

T15

неинв.вход

T18

выход

инв.вход

C=30пФ

R10

T19

* T21

T20

300 Ом

T16

T22

T10

T11

T23

T17

* *

T24

R11

установка нуля

-U

Схема 3. ОУ на КМДП - транзисторах.

а) Основной каскад: ДУ на р- МДПТ Т1,Т2, активная нагрузка в виде токового зеркала на Т3,Т4, Транзисторы Т5,Т6 задают смещение, величину тока I0 ≈ Iset ≈ (U+-U- - 1B)/Rset. Резистор выполняется внешним.

б) Усиливающий выходной каскад состоит из транзистора Т7, включенного по схеме с ОИ с активной нагрузкой в виде источника тока на Т8. Коэффициент усиления в ОУ 90 дБ. Корректирующая емкость Скор = 16 пФ. Частота единичного усиления ω T ≈ 0,8МГц.

Вход +

Вход -

Cкор

Iset

Rset

-U

Пример расчета параметров схемы ОУ (по схеме 1.)

Начальные условия в схеме: - все транзисторы идентичны,

- в состоянии покоя полная идентичность симметричных частей схемы:

Ui = U2 – U1 = 0, I1 = I2, I3 = I4 и т.д.

Схема ОУ состоит из типовых блоков. Для упрощения расчетов всегда предполагают, что процессы в каждом блоке независимы, предыдущие и последующие блоки учитываются как элементы, задающие величину и направление тока, тип нагрузки (входные или выходные сопротивления, емкости). В каждом блоке находим величину передаточной проводимости gf, выходной потенциал U0i, выходное сопротивление и емкость узла.

Рассчитываем для каждого блока величины коэффициента усиления дифференциального сигнала, частоты спада усиления на 3 дБ, коэффициенты усиления синфазного сигнала.

Для рассматриваемой схемы выделили 3 основных блока: ДУ, усилитель, выходной 2-хтактный каскад.

		U01			U02
U1	ДУ	Сн1		Усил.			ЭП
U2	ДУ	Сн1		Усил.	Сн2		Вых.каскад

			Т6, Т7, Т14			Т8,9, Т10,11
	Т1-Т5		Т6, Т7, Т14			Т8,9, Т10,11

Для каждого блока нужно найти передаточную проводимость для соответствующего узла gfузла = dIузла/dUiвх .

а) Схема ДУ.

U1		UK1	U01Сн1		Т3
U2	gf	UK2 Rн1



				U1
				U1

Т1 I0

Uвых

Сн Rн

Т5 U01Т4 U2

Т2

Рассчитаем коэффициент усиления для дифференциального сигнала Аu1. Воспользуемся теоремой бисекции.

Схема для дифференциального сигнала будет выглядеть так: Т4

		I4		U01
		I4		U01



I2	T2		Rн1	Сн1
I2	T2		Rн1	Сн1

Ранее для ДУ получили выражение для передаточной проводимости всего ДУ: gf=I0/4ϕ T.

По определению

I K 1

I 1 ϕ T

g f 1 = d U iВХ =

I1 + I2 = I0, I1 = I2 = I0/2,

1 + exp (

−

U 0ВХ

) /

T ]

[ U i

1 I

g f 22 =

2 I

g f 11 = I

0ϕ

;

Iϕ0

g f 12 = g f 21 = − g f 11

g f

4ϕ

Нас интересуют токи в плечах схемы.

IK1

= IK2

;

I1 = I2

;

∆

= ∆

∆

;

IK4 = I4 = gfUi ,

IK3

= IK4

I3 = I4 ;

∆

= -∆

;

IK2

= I2 = - gfUi .

Подставим в эквивалентную схему для дифференциального каскада после

расщепления по теореме бисекции

малосигнальные модели транзисторов,

включенных по схеме с ОЭ (с учетом полученных соотношений).

gfUi

g04

C04

i01

U01

gн01

Cн01

gfUi

g02

C02

Запишем сумму токов узла:

i01 = −2 g fiU i ,

2 g f Ui

= U01 [(g02 + g04

+ gн01)+ jω (CK 02

+ CK 04

+ Cн01)].

Рассмотрим отдельно активную и реактивную составляющую.

На нулевой частоте:

g f

AU (0) = U

01 =

g02 + g04 + g’1

gΣ

При ω ≠

g f

AU (ω ) =

AU (0)

gΣ

(1 + jω

CΣ rΣ

)

1 + jωτ

+ j

1 + j f

f α 1

α 1

τ = CΣ /gΣ , f = 1/2πτ , ω = 2π f.

Определим коэффициент усиления в схеме ДУ на нулевой частоте. Токи

смещения каскадов одинаковы и равны I0 = 20 мкА

Запишем выражения для проводимостей выходного узла ДУ по эквивалентной

схеме.

I 0

g 02 =

2 =

g 04 =

4 =

g н1

= g вх 6

Б6

2U An

U An

U Ap

2U Ap

ϕ T

Входной ток усилительного каскада IБ6 можно выразить через коллекторный ток

Т6, который примерно равен эмиттерному току этого транзистора. По

электрической схеме эмиттерный ток Т6 - это базовый ток Т7, который, в свою

очередь, можно выразить через его коллекторный ток. Ранее, в разделе о

дифференциальных каскадах, было показано, что ток коллектора Т7 равен току

смещения I0.

Итак

I Б6

= I К 6

≈

I Э6

I Б7

β β

;

I К 7

6 7

I 0

g н1 =

2nϕ

Tβ β6

В знаменателе множитель 2 отражает последовательное включение двух р-п –

переходов БЭ в схеме включения транзисторов Т6, Т7 (составной транзистор

Дарлингтона).

Запишем выражение для коэффициента усиления первого каскада (ДУ) с

учетом того, что в транзисторах Т2, Т4 по теореме бисекции течет ток I0/2.

Подставим типовые значения параметров транзисторов в полученные

формулы и рассчитаем коэффициент усиления для схемы с током смещения I0

= 20 мкА и сопротивлением нагрузки Rн = 1 кОм,

β p,n

= 50, UA = 200 B, n = 1.5:

AU1 =

g f

2(I0 4ϕ T )

U i

(

6 β

7ϕ

)+ I0

+ I

2U An

2U Ap

1 n + β

7ϕ

(1 U An +1 U Ap ) 2 10 .

Для построения АЧХ необходимо также знать частоты, на которых

коэффициент усиления соответствующего каскада снижается за 3 дБ.

ω α = 1/τ .

Величина

для

каждого

каскада определяется

аналогично простому

транзистору (см. материал по малосигнальным схемам). Суммарная емкость узла определятся емкостями выходных и входных элементов, в частности, для первого выходного узла получим

1 / 31 2 3 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке PDF_VERSION pic

#
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