- •«Национальный исследовательский
- •I. Основы АнАлоговой электроники
- •1. Задачи, решаемые электронной техникой, и элементы, необходимые для их решения
- •1.1. Электрические сигналы. Временное и спектральное представление
- •1.2. Усиление электрических сигналов
- •1.3. Модуляция сигналов
- •1.3.1. Амплитудная модуляция
- •1.3.2. Импульсно-кодовая модуляция
- •1.3.3. Широтно-импульсная модуляция
- •А б Рис. 1.19. Компаратор: а – схема; б – временные диаграммы при шим1.4. Фильтрация сигналов
- •1.5. Хранение и отображение информации
- •1.6. Преобразование электрической энергии
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты первой главы
- •2. Математический аппарат описания электронных элементов
- •2.1. Описание нелинейных элементов
- •2.2. Линеаризация нелинейных уравнений
- •2.3. Частотный анализ линеаризованных цепей
- •2.4. Временной анализ линеаризованных цепей
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты второй главы
- •3. Полупроводники – основа современной элементной базы электроники
- •3.1. Преимущества полупроводниковых элементов перед электровакуумными
- •3.2. Физические основы электропроводности полупроводников
- •3.3. Электропроводность беспримесного (собственного) полупроводника
- •3.4. Электропроводность примесных полупроводников
- •3.4.1. Донорная примесь
- •3.4.2. Акцепторная примесь
- •3.6. Инерционностьp-n-перехода
- •3.6.1. Зарядная емкостьp-n-перехода
- •3.6.2. Диффузионная емкость
- •3.7. Пробой p-n-перехода
- •3.7.1. Тепловой пробой
- •3.7.2. Электрический пробой
- •3.8. Математическая модельp-n-перехода
- •3.9. Переходметалл – полупроводник
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты третьей главы
- •4. Многопереходные электронные элементы
- •4.1. Полупроводниковые триоды (биполярные транзисторы)
- •4.2. Активный режим работы биполярного транзистора
- •4.3. Статические характеристики биполярного транзистора для активного режима
- •4.4. Инерционность биполярного транзистора
- •4.5. Пробой коллекторного перехода
- •4.7. Нелинейная модель биполярного транзистора
- •4.8. Линеаризованная модель биполярного транзистора
- •4.9. Ключевой режим биполярного транзистора
- •4.10. Полевые транзисторы
- •4.11. Полевые транзисторы с управляющимp-n-переходом
- •4.12. Полевые транзисторы с изолированным затвором
- •4.13. Ключевой режим работы полевых транзисторов
- •4.14. Тиристоры
- •4.15. Элементы оптоэлектроники
- •4.15.1. Управляемые источники излучения
- •4.15.2. Фотоприемники
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты четвертой главы
- •5. Основы теории электронных усилителей
- •5.1. Общие положения
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.2. Обратная связь в усилительных устройствах
- •5.2.1. Влияние обратной связи на коэффициент усиления.
- •5.2.2. Влияние обратной связи на нестабильность усилителя
- •5.2.3. Влияние обратной связи на нелинейные искажения и шумы усилителя
- •5.2.4. Влияние обратной связи на входное и выходное сопротивления усилителя
- •5.2.5. Устойчивость усилителей с обратной связью
- •5.2.6. Коррекция частотных характеристик для обеспечения устойчивости усилителя
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.3. Принципы построения усилительных каскадов
- •5.3.1. Цепи задания и стабилизации режима покоя
- •5.3.2. Элементы связи усилительных устройств
- •К Рис. 5.34. Оптическая связь онтрольные вопросы и задания
- •5.4. Операционные усилители
- •5.4.1. Модели оу
- •5.4.2. Масштабирующий инвертирующий усилитель
- •5.4.3. Масштабирующий неинвертирующий усилитель
- •5.4.4. Суммирующий усилитель
- •5.4.5. Вычитающий усилитель
- •5.4.6. Интегрирующий усилитель
- •5.4.7. Нелинейные функциональные преобразователи сигналов
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.5. Усилители мощности
- •5.5.1. Линейные усилители мощности
- •5.5.2. Усилители мощности ключевого типа
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты пятой главы
- •6. Автогенераторы
- •Основные результаты шестой главы
- •7. Источники вторичного электропитания электронных устройств
- •7.1. Классическая схема вторичного источника (без преобразования частоты сети)
- •7.2. Функциональные элементы вторичных источников электропитания
- •7.2.1. Преобразователи переменного напряжения
- •7.2.2. Стабилизаторы постоянного напряжения
- •7.3. Вторичные источники с преобразованием частоты сети
- •Vd Схема упр.
- •Vd Схема упр. Ul
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты седьмой главы
- •II. Основы цифровой электроники
- •1. Введение
- •2. Логические функции
- •2.1. Логические функции и способы их представления
- •2.2. Основы алгебры логики
- •2.2.1. Функция не
- •2.2.2. Функция или
- •2.2.3. Функция и
- •2.3. Логические элементы и-не, или-не
- •2.3.1. Элемент и-не (штрих Шеффера)
- •2.3.2. Элемент или-не (стрелка Пирса)
- •2.4. Синтез логических устройств
- •2.5. Выбор системы логических элементов
- •2.6. Минимизация логических функций
- •Контрольные вопросы и задания
- •3. Характеристики и параметры логических элементов, основы схемотехники
- •3.1. Логические уровни, нагрузочная способность
- •3.2. Логические элементы с тремя состояниями
- •3.3. Быстродействие логических элементов
- •3.4. Помехоустойчивость логических элементов
- •3.5. Число входов логических элементов
- •3.6. Специальные типы логических элементов. Логические элементы с открытым коллектором
- •3.6.1. Расширители числа входов
- •3.6.2. Схема согласования уровней
- •3.6.3. Логический элемент с разрешением по входу
- •Контрольные вопросы и задания
- •4. Цифровые устройства комбинационного типа
- •4.1. Преобразователи кодов, шифраторы, дешифраторы
- •4.2. Мультиплексоры
- •4.3. Сумматоры
- •4.4. Цифровые компараторы
- •Контрольные вопросы и задания
- •5. Последовательностные цифровые устройства
- •5.1. Триггеры
- •5.1.5. Триггер Шмитта
- •5.2. Цифровые счетчики импульсов и делители частоты следования
- •5.2.1. Двоичные счетчики
- •5.2.2. Недвоичные счетчики
- •5.3. Регистры
- •Контрольные вопросы и задания
- •6. Генераторы импульСныхСигналов
- •6.1. Автогенераторы прямоугольных импульсов (мультивибраторы)
- •6.2. Ждущий (заторможенный) режим генераторов
- •6.3. Интегральные таймеры
- •6.4. Генераторы линейно изменяющегося напряжения (тока)
- •Контрольные вопросы и задания
- •7. УстройствасОпРяжЕнияцифровых и аналоговых систем
- •7.1. Цифроаналоговые преобразователи
- •7.2. Аналого-цифровые преобразователи
- •7.2.1. Ацп последовательного приближения
- •7.2.2. Ацп параллельного типа
- •7.2.3. Ацп интегрирующего типа
- •Контрольные вопросы и задания
- •8. Введение в микропроцессорную технику
- •8.1. Арифметическо-логические устройства
- •8.2. Полупроводниковые запоминающие устройства
- •8.3. Программируемые логические интегральные матрицы
- •8.4. Интерфейсные устройства
- •Контрольные вопросы и задания
- •Приложение справочные данные интегральных схем
- •Литература
- •Оглавление
К Рис. 5.34. Оптическая связь онтрольные вопросы и задания
Что понимается под режимом покоя? Как называется точка на ВАХ усилительного элемента, соответствующая этому режиму? Чем определяется положение этой точки?
Зачем надо стабилизировать режим покоя? Какие способы стабилизации вы знаете? Какие из них предпочтительны и почему?
Какие цепи межкаскадной связи вы знаете? Сравните их между собой?
Сравните дифференциальный усилительный каскад с усилительным каскадом ОЭ.
Какие классы работы усилительных элементов вы знаете? Сравните их.
Сравните схемы двухтактных усилителей класса А и В. Чем они будут отличаться?
5.4. Операционные усилители
Операционные усилители (ОУ) – такое название получили широкополосные усилители постоянного тока с большим (десятки – сотни тысяч) усилением в микросхемном исполнении. Способность усиливать как медленно меняющиеся, так и высокочастотные сигналы, большой запас по усилению, позволяющий вводить в ОУ глубокие обратные связи, обеспечивают многофункциональный характер ОУ: прецизионные линейные усилители, функциональные линейные и нелинейные преобразователи входных сигналов. В результате ОУ стали самыми массовыми элементами аналоговой электроники.
Особенностью ОУ как усилителя постоянного тока (УПТ) является такое явление, как смещение нулевого уровня выходного напряжения и его температурный и временной дрейф. Режим покоя ОУ задается таким образом, что в идеальном случае, при коротком замыкании входных зажимов, выходное напряжение ОУ должно быть равно нулю. В реальном же случае на его выходе может остаться напряжение Uсм, не равное нулю (рис. 5.35), которое называется смещением нуля. Смещение нуля обусловливает ошибку усиления постоянных (медленно меняющихся) сигналов. Напряжение смещения можно скомпенсировать, подав на вход усилителя напряжение компенсации ек, равное значению смещения нуля, приведенного ко входу усилителя (внешняя балансировка, рис. 5.36):
или путем искусственной разбалансировки элементов усилителя (внутренняя балансировка).
Рис. 5.35. Явление смещения нулевого уровня выходного напряжения в УПТ |
Рис. 5.36. Компенсация выход- ного напряжения смещения |
Однако реально смещение нуля медленно меняется (дрейфует) с изменением температуры, поэтому компенсация смещения внешним постоянным источником с изменением температуры нарушается.
Для определения стратегии построения ОУ с малым дрейфом рассмотрим УПТ на трех каскадах (см. рис. 5.37).
а б
Рис. 5.37. Многокаскадный УПТ (а) и его эквивалентная схема (б)
Для наглядности анализа каскады считаются бездрейфовыми, а реальное значение выходного смещения каждого каскада обеспечивает искусственно введенное напряжение смещения, приведенное ко входу. В результате можно получить
Uсм = е1K1 K2 K3 + е2 K2 K3 + е3 K3.
Обозначив усиление трехкаскадного усилителя
K1 K2 K3 = KВ,
определим эквивалентное напряжение смещения, приведенное ко входу, многокаскадного УПТ:
. (5.17)
Простое на вид соотношение (5.17) приводит к важному выводу: для получения идеального (в смысле дрейфа) многокаскадного УПТ достаточно иметь идеальным только первый (входной) каскад. Действительно, из (5.17) следует, что при
е10, K1, е0.
Поскольку дрейф напряжения смещения вызывается температурной нестабильностью первого каскада, последовательно усиливаемой всеми последующими, то его можно было бы уменьшить за счет введения обратной связи. Но при этом пропорционально уменьшению Ucм уменьшается и коэффициент усиления, а приведенное ко входу смещение остается неизменным:
; ; ,
поэтому низкие значения смещения и его температурного дрейфа достигаются в ОУ специальной схемотехникой, основой которой являются дифференциальные усилительные каскады (ДУ).
Простейший вариант ДУ изображен на рис. 5.38. Минимально возможный дрейф нуля ДУ обеспечивается за счет задания токов эмиттера обоих транзисторов от источника стабильного тока (ИСТ):
Iʹэ+Iʹʹэ =I0 = const. (5.18)
Из соотношения (5.18) следует, что в ДУ возможны лишь равные и противоположные изменения эмиттерных токов:
Iʹэ = –Iʹʹэ.
Это означает, что однонаправленные изменения токов при воздействии температуры в этой схеме невозможны.
Рис. 5.38. Схема
дифференциального
усилительного
каскада
Iʹэ(t)=Iʹʹэ(t),
т. е. и температурные изменения коллекторных (выходных) токов также – в идеальном случае – равны нулю. В реальном случае за счет неидеальности ИСТ и невозможности обеспечения абсолютной идентичности транзисторов ДУ обладает конечным значением температурного дрейфа.
Кроме дрейфа напряжения смещения, в ДУ имеет место дрейф, вызываемый нестабильностью входных токов. Для задания режима покоя ДУ достаточно при подключенных источниках питания замкнуть цепи для протекания токов базы, величина которых задается ИСТ и статическим коэффициентом усиления тока базы транзисторов (см. рис. 5.39)
.
В случае неравенства сопротивлений постоянному току в цепях базы одного и другого транзистора на сопротивлении Rб возникает напряжение Uб, которое вызовет разнонаправленное изменение токов коллекторов:
iʹк = – iʹк,
а температурный дрейф тока базы вызовет температурный дрейф этих приращений.
Очевидно, что для исключения этого явления необходимо обеспечивать равенство сопротивлений в базовых цепях за счет введения специального компенсирующего резистора R0=Rб (рис. 5.40). Эта операция называется балансировкой ДУ по входным токам. При равенстве сопротивлений в базовых цепях температурный дрейф будет определяться только температурной нестабильностью разности базовых токов, которая в силу идентичности транзисторов может быть сделана очень малой.
Рис. 5.39. Разбалансировка ДУ за счет неравенства базовых сопротивлений |
Рис. 5.40. Балансировка ДУ по входным токам за счет выравнивания сопротивлений базовых цепей |
Приведенные ко входу значения смещения нуля и его дрейфа, вызванные входными токами, могут быть подсчитаны по формулам:
ei = iб(– );
ei(t) = (t)–(t),
где и – сопротивления постоянному току в цепях базы.
В ДУ на полевых транзисторах явление дрейфа за счет входных токов практически отсутствует, но абсолютное значение как приведенного ко входу напряжения смещения, так и его температурного дрейфа на несколько порядков выше, чем у ДУ на биполярных транзисторах. Поэтому применение ДУ на полевых транзисторах целесообразно лишь при работе от источников сигналов с большим (сотни кОм – единицы МОм) внутренним сопротивлением, когда превалирующим оказывается дрейф, вызываемый входным током биполярного транзистора. Операционные усилители строятся на основе нескольких ДУ, обеспечивающих требуемый коэффициент усиления. Питание ОУ обычно осуществляется от двух источников, соединенных последовательно. Точка их соединения является общим проводом для входных и выходных сигналов (рис. 5.41, а). Схема ОУ спроектирована так, что в этом случае потенциалы входов и выхода относительно общего вывода, соответствующие режиму покоя, равны нулю. Это позволяет при введении обратных связей, подсоединении нагрузки, наращивании схем на ОУ не делать согласование потенциалов. ОУ имеетдва самостоятельных входа – прямой и инверсный.Приращение выходного сигнала относительно приращений на прямом входе имеет одинаковый знак, а по отношению к приращению на инверсном входе – противоположный (рис. 5.41,а,б). Входные сигналы ОУ могут подаваться на один из входов (относительно общего провода источника питания), на оба входа или между входами.
а б
Рис. 5.41. Подача сигнала на входы ОУ:
а – прямой; б – инверсный
Для определения выходного напряжения в любом из этих случаев рассмотрим упрощенную линеаризованную модель ОУ в виде графа (см. рис. 5.42), где– усиление по прямому входу,– по инверсному. Рассмотрим вариант подачи сигнала между входами (см. рис. 5.43). Легко показать, используя метод наложения и искусственную среднюю точку источника сигнала, что выходное напряжение в этом случае равно
.
Сигнал, поданный между входами ОУ, называется дифференциальным, аKд– коэффициентом усиления дифференциального сигнала, который и приводится в справочных данных на ОУ и чаще называется просто коэффициентом усиленияК.
|
|
Рис. 5.42. Упрощенная линеаризованная модель ОУ |
Рис. 5.43. Дифференциальный входной сигнал ОУ |
На рис. 5.44 приведен другой вариант – подача одного сигнала на оба входа одновременно. Такой сигнал называется синфазным. Выходное напряжение в этом случае равно
Рис. 5.44. Синфазный
входной
сигнал ОУ
где Kс – коэффициент передачи синфазного сигнала.
В силу высокой идентичности прямого и инверсного каналов усиления имеет место условие , из которого следуетKс<< K.
В справочных данных Kсзадается косвенно в виде коэффициента подавления синфазного сигналаМс:
Мс = K/Kc, Мс >> 1.
Условие Мс>> 1означает, что ОУ обладает свойством глубокого подавления синфазного сигнала, что делает возможным усиление слабых дифференциальных сигналов на фоне больших синфазных помех (рис. 5.45).
Рис. 5.45. Усиление слабого сигнала Uc на фоне синфазной помехи ес
На рис. 5.46 приведен вариант двух разных сигналов на входах ОУ. Путем несложных преобразований можно получить
. (5.20)
Соотношение (5.20) позволяет определить выходное напряжение для любого варианта подключения входных сигналов ОУ. Инерционность линеаризованного ОУ, как и обычного усилителя, описывается с помощью АЧХ, ФЧХ (рис. 5.47) при гармоническом анализе и переходной характеристики – при временном. Частота единичного усиления fТ является справочным параметром ОУ.
|
|
Рис. 5.46. Одновременная подача двух сигналов |
Рис. 5.47. АЧХ и ФЧХ ОУ: 1 – без коррекции; 2 – с коррекцией |
В большинстве функциональных устройств на ОУ используется глубокая отрицательная обратная связь и для обеспечения устойчивости необходимо привести АЧХ и ФЧХ к виду 2 (рис. 5.47). Для этого используются внутренние или внешние цепи коррекции частотной характеристики. Эти цепи рассчитываются при разработке ОУ. Внутренние вводятся при изготовлении ОУ. Конфигугация, номиналы и точки подключения внешних цепей приводятся в справочной литературе по ОУ.
Для описания нелинейных свойств ОУ используется статическая характеристика вход-выход (рис. 5.48). Линейный участок характеристики 1-1 заканчивается участками насыщения в положительной и отрицательной областях с соответствующими максимальными значениями выходного напряжения U2max+, U2max–, которые на 2–3 вольта меньше напряжения источников питания Е1, Е2. ОУ способны работать при достаточно большом диапазоне значений напряжений источников питания, уменьшение которых относительно максимальных значений сопровождается пропорциональным снижением усиления. Входное напряжение смещения есм и его температурный дрейф задаются в справочнике как обязательные параметры. Микросхемное исполнение ОУ вынуждает (с целью ограничения выделения мощности в ограниченном объеме кристалла) использовать микротоковый режим работы усилительных элементов. Низкие значения выходного тока не позволяют с высокой скоростью перезаряжать паразитные емкости коллектор-база выходных транзисторов ОУ.
Из известного соотношения для тока через конденсатор емкостью С
следует, что при ограниченном значении ic ограничено и значение скорости изменения Uc. Поэтому для ОУ вводится параметр, характеризующий максимально возможную скорость изменения выходного сигнала
.
В случае гармонического выходного сигнала U2=Umsint можно записать:
, .
Рис.
5.49. Искажения выходного
сигнала,
вызванные ограниченной
скоростью
нарастания ОУ