uch_posobie_2014_ver_11

fн. гр ОК < fн. гр ОЭ < fн. гр ОБ; fв. гр ОК < fв. гр ОЭ < fв. гр ОБ;

fОК> fОЭ > fОБ ( f = fв. гр – fн. гр).

Сравнительный анализ параметров приводит к выводу о том, что схема с ОБ во многих отношениях уступает схеме с ОЭ. Этим обусловлен тот факт, что для усиления сигналов обычно применяют транзисторные схемы с общим эмиттером.

Схема с общей базой предпочтительнее лишь в случае, когда надо при небольшом усилении иметь нулевой сдвиг фаз при прохождении сигнала. Это можно обеспечить и при последовательном соединении двух схем с общим эмиттером ( = 1 + 2 = 180° + 180° = 360° = 0°), но такое схемотехническое решение неэкономично.

Схема с ОК в силу своей специфики (КU < 1) используется только как усилитель тока (при этом в эмиттерную цепь включают обмотку трансформатора, катушку электромагнита или другой «токовый» элемент, и схема отличается от изображенной на рис. 5.7). Чаще схему используют в качестве «буферного» каскада, включаемого между усилителем или генератором, с одной стороны, и низкоомной нагрузкой – с другой (например, выходной каскад измерительного прибора). При этом реализуются сразу несколько свойств схемы: сигнал при прохождении через схему с ОК мало меняется по амплитуде (КU < 1, причем подбором величин S и RЭ удается обеспечить

КU = 0,8...0,9 и выше) и не меняется по фазе ( = 0), иначе говоря, выходной сигнал «повторяет» входной; высокоомное Rвx исключает шунтирование

предыдущего каскада, а низкоомное Rвыx позволяет подключить любую нагрузку. По этому своему основному применению схему с ОК обычно называют эмиттерным повторителем («эмиттерным» – потому что выходной сигнал снимается с эмиттера). Раньше использовался также термин «трансформатор сопротивлений», употребляемый в настоящее время очень редко.

5.5. Дифференциальный усилитель

Схемы с ОЭ, ОК и ОБ, рассмотренные в 5.1–5.3, являются простейшими транзисторными усилительными каскадами. Наряду с ними в электронике применяют ряд «составных» схем (дифференциальный усилитель, «каскодную» схему, схему Дарлингтона и др.). Наибольший интерес представляет

51

схема дифференциального усилителя (ДУ). Эта схема получается объединением двух схем с ОЭ так, что выходной сигнал представляет собой разность потенциалов коллекторов обоих транзисторов (рис. 5.9). Эмиттеры транзисторов соединены с «землей» либо непосредственно, либо через общее сопротивление RЭ.

Если на базы транзисторов подать оди-

наковые («синфазные») сигналы Uвх1 и Uвx2, то транзисторы будут открыты в одинаковой степени и потенциалы коллекторов будут равны, а выходной сигнал равен нулю. Такой результат получается при любом значении синфазных сигналов. Однако, если между

сигналами Uвx1 и Uвx2 есть разница («дифференциальный сигнал»), то транзисторы окажутся в разных условиях и разность потенци-

Рис. 5.9 алов коллекторов станет отличной от нуля. Математически функцию ДУ можно описать

выражением Uвыx ДУ = КДУ(Uвх1 – Uвx2).

Объединение эмиттеров транзисторов усиливает указанный эффект, так как приоткрывание, допустим, левого транзистора вызовет увеличение его эмиттерного тока, который создаст на RЭ падение напряжения, потенциал эмиттера правого транзистора возрастет, и этот транзистор призакроется. Таким образом, если эмиттерного сопротивления нет, то на изменение входного сигнала на базе левого транзистора отреагирует только этот транзистор, при введении RЭ отреагируют оба транзистора ДУ, причем «встречно».

5.6. Иные схемы усилителей на биполярных транзисторах

Кроме трех простейших транзисторных схем часто используют две более сложные: схему с общей базой объединяют со схемой с общим эмиттером в единый каскад – так называемую каскодную схему (рис. 5.10). Входной сигнал в ней поступает на схему с общим эмиттером.

Транзистор схемы с ОБ включен как бы «вместо» коллекторной нагрузки схемы с ОЭ. Схема обладает малой выходной емкостью, поэтому хорошо работает на высоких частотах. Кроме того, при использовании «каскодной» схемы изменения в значении нагрузки практически не влияют на работу основного усили-

52

функцию электронной схемы. Как правило, общий усилитель используется в сочетании с двумя-тремя дополнительными элементами: сопротивлениями, емкостями, диодами и т. д. Характер подключения этих дополнительных элементов, как будет показано в данном разделе, определяет фундаментальные свойства образующейся электронной схемы. Изменение всего лишь одного элемента кардинально меняет функцию и назначение схемы.

Если ОУ выполнен в виде интегральной микросхемы, то он имеет особые обозначение и маркировку. Так, в принципиальных электрических схемах ОУ изображают в виде фигуры, приведенной на рис. 6.1. На рисунке слева изображены входы ОУ, справа – выход. Как видно, ОУ имеет два входа, различающиеся тем, как изменяется фаза сигнала при прохождении его через усилитель. Вход, при подаче сигнала на который сдвиг фазы составляет 0°, называют неинвертирующим (на рис. 6.1 он имеет знак «+»). Второй вход ОУ называют инвертирующим, так как сигнал, поданный на него, приобретает в ОУ сдвиг фазы 180° (на рис. 6.1 вход отмечен «–»). Разумеется, говорить о сдвиге фаз можно лишь при передаче через ОУ гармонических сигналов; однако выбор входа влияет и на прохождение через операционный усилитель постоянных напряжений – такой сигнал сохраняет знак, если поступает на неинвертирующий вход, и меняет знак, если подается на инвертирующий вход.

На схемах рядом с фигурой, обозначающей ОУ, обычно ставят буквы DA, что соответствует аналоговой микросхеме (в отличие от цифровой, т. е. «дискретной» микросхемы, имеющей буквенное обозначение DD). Операционные усилители (микросхемы), выпускаемые промышленностью Российской Федерации, составляют серии (серия 140, серия 544 и т. д.); признаком того,

что какая-то микросхема является ОУ, являются Рис. 6.1 буквы УД (реже – УТ), например 140УД8А. Упро-

щенная структурная схема такого ОУ приведена на рис. 6.2. Как видно из рисунка, в схеме – четыре основных блока: 1 – дифференциальный усилитель (ДУ), 2 – линейный усилитель (ЛУ), 3 – усилитель-ограничитель (УО), 4 – эмиттерный повторитель (ЭП). ДУ обеспечивает усиление разности двух сигналов, поступающих на неинвертирующий и инвертирующий входы ОУ

(соответственно, Uв+x и UBX- ). ЛУ состоит из нескольких усилительных кас-

54

кадов и имеет огромный общий коэффициент усиления. Наличие УО позволяет использовать ОУ как преобразователь формы сигналов, расширяет сферу их применения. Оконечный блок ОУ – эмиттерный повторитель выполняет функцию трансформатора сопротивлений и определяет значение выходного сопротивле-

ния ОУ (Rвыx). Обычно Rвыx имеет порядок единиц килоом, у отдельных типов ОУ – сот-

ни ом. Без ЭП значение Rвыx было бы больше: таким образом, благодаря наличию ЭП осуществляется защита ОУ от шунтирования низкоомной нагрузкой.

Структурная схема (рис. 6.2) является упрощенной и содержит лишь основные блоки ОУ. Наряду с ДУ, ЛУ, УО и ЭП типовая схема ОУ содержит блок согласования уровней постоянных напряжений (для обеспечения усиления постоянных сигналов), блок зашиты от коротких замыканий, а также цепи питания. Питание ОУ, как правило, двухполярное симметричное, т. е.

используются два источника с напряжениями Е1 и Е2, причем Е1 = – E2.

Основные параметры и характеристики ОУ. Как у всякого усилите-

ля, у ОУ важными параметрами являются амплитудная (передаточная) характеристика, коэффициент усиления, амплитудно-частотная характеристика, фазочастотная характеристика, а также входное и выходное сопротивления. Очевидно, что поскольку у ОУ два входа, то каждый из перечисленных

параметров, кроме Rвых, должен отдельно рассматриваться для случая, когда усиливаемый сигнал поступает на инвертирующий вход (при инвертирующем включении), и для случая, когда используется неинвертирующий вход (при неинвертирующем включении). Приведенный набор параметров характеризует усилитель в линейном режиме, т. е. при «малом» сигнале. Если при прохождении сигнала через ОУ его форма меняется из-за нелинейных искажений, то приходится пользоваться другими параметрами, описывающими выходной сигнал как импульс: скоростью нарастания выходного сигнала, амплитудой импульсов, формой фронта импульса, его длительностью. Параметры ОУ при «малом» и «большом» сигналах тесно связаны, так как относятся к одному и тому же усилителю. Рассмотрим основные параметры и характеристики ОУ.

55

1. Передаточная характеристика ОУ – зависимость амплитуды вы-

ходного сигнала (Uвых) от амплитуды входного сигнала.

В электронике указанную зависимость гораздо чаше называют амплитудной характеристикой, однако применительно к ОУ используют специфическую терминологию. Возможно, разницей в терминологии стремятся подчеркнуть различие в методиках измерения: в транзисторных и ламповых усилителях постоянный сигнал, как правило, не усиливается и амплитудную характеристику снимают при частоте сигнала f 0. Напротив, в ОУ передаточную характеристику стремятся измерить при f = 0, поэтому ее измеряют

при обеих полярностях Uвх.

Передаточные характеристики ОУ при нормальном режиме работы приведены на рис. 6.3, где обозначены: 1 – передаточная характеристика при

подаче входного сигнала на инвертирующий вход (Uвx = UBX- ); 2 – она же при подаче на неинвертирующий вход (Uвx= Uв+x ).

Участок –Uвx max < Uвx < Uвx max соответствует линейному усилению,

при |Uвx| >Uвx max возникают нелинейные искажения, сигнал ограничивается «сверху». Приближенно считают, что уровни ограничения равны +E и –Е, а

Uвx .max= E/ К, где К – коэффициент усиления ОУ.

2. Коэффициент усиления ОУ может быть определен по наклону линейного участка передаточной характеристики: он количественно равен тангенсу угла α (рис. 6.3). Отметим, что передаточные характеристики (рис. 6.3) являются качественными: с учетом реальных значений коэффициентов усиления передаточные характеристики промышленных образцов ОУ имеют почти вертикальные линейные участки.

3. Амплитудно-частотная характеристика. В операционных усилите-

лях в подавляющем большинстве образцов обеспечивается идентичность свойств при инвертирующем и неинвертирующем включениях (например, коэффициенты усиления при обоих включениях равны по модулю). Иден-

56

тичность свойств ОУ при разных включениях позволяет рассматривать не две, а одну единую АЧХ (а также ФЧХ). АЧХ ОУ приведена на рис. 6.4.

Снижение коэффициента усиления ОУ в области высоких частот обусловлено теми же причинами, что и у транзисторных усилителей: шунтирующим действием паразитных емкостей, инерционностью транзисторов в составе ОУ. Стремление потребителей иметь дело не с графиками, а с некоторыми количественными параметрами приводит к выбору характерных точек на АЧХ. В этом плане параметры ОУ от-

личаются от традиционных для остальной электроники. Так, при описании свойств ОУ вместо обычной верхней граничной частоты (fв. гр), соответству-

ющей усилению 0,7Кmax, выбирают частоту усиления «максимальной мощности» (fУММ), при превышении которой начинается спад АЧХ, а также частоту «единичного усиления» (fЕУ) – такую частоту, при которой КU = 1. Иногда АЧХ представляют в логарифмическом масштабе: логарифмическая АЧХ (ЛАЧХ) обычно выражается в децибелах. При f = fЕУ ЛАЧХ пересекает ось частот.

4. Фазочастотная характеристика. Хотя при инвертирующем вклю-

чении ОУ сдвиг фаз между входным и выходным сигналами должен быть равен 180°, а при неинвертирующем 0°, на самом деле, в реальных образцах ОУ требуемые фазовые соотношения обеспечиваются не на всех частотах. При частотах, примерно соответствующих спаду АЧХ, наблюдается одновременно и изменение значения сдвига фаз. Особенно опасно, когда изменение значения сдвига фаз достигает 180°: инвертирующее включение превращается в неинвертирующее, и наоборот. При этом создаются условия для паразитного самовозбуждения усилителя.

5. Входные и выходные сопротивления. В силу идентичности свойств ОУ при инвертирующем и неинвертирующем включениях значения входных сопротивлений по обоим входам усилителя (соответственно, Rв+x и R ) практически одинаковы и составляют от сотен килоом до единиц–десятков мегаом (ОУ типа 140УД8А имеет даже Rвx = 109 Ом). Порядок значений Rвыx

57

оговорен ранее: выходные сопротивления ОУ лежат в пределах от единиц килоом до сотен ом.

6. Скорость нарастания большого сигнала – параметр комплексный,

охватывающий сразу и амплитуду импульсного сигнала на выходе ОУ, и длительность фронта. Так как речь идет о большом сигнале, который в процессе усиления приобретает амплитуду, близкую к Е (см. рис. 6.4), то, обозна-

чив длительность фронта через τфр, для скорости и нарастания сигнала за-

пишем 2Е/τфр. Значение тесно связано с частотными свойствами ОУ:

это очевидно, так как τфр ~ 1/fв. гр, где fв. гр – верхняя граничная частота.

7. Форма и длительность фронта импульсов на выходе ОУ. Импульсы на выходе ОУ могут иметь как квазигармонический, так и апериодический

фронты. В первом случае отдельно измеряют время нарастания (tн) и время

установления (tу). Очевидно, что τфр = tн + tу. Если фронт – апериодический,

то tу= 0 и τфр = tн.

Форма фронта характеризует склонность ОУ к паразитному самовозбуждению: при квазигармоническом фронте вероятность самовозбуждения выше, чем при апериодическом.

Недостатки операционных усилителей. Главными недостатками ОУ являются:

–снижение коэффициента усиления при подключении низкоомной нагрузки;

–смещение передаточной характеристики из начала координат (разба-

ланс);

–опасность паразитного самовозбуждения.

Рассмотрим эти явления и меры борьбы с ними.

1. Снижение коэффициента усиления при подключении нагрузки. Не-

смотря на то, что в состав ОУ входит эмиттерный (или истоковый) повторитель и в микросхемах на основе полевых транзисторов – истоковый повтори-

тель) Rвых в результате этого снижено, все же оно остается достаточно большим: при подключении нагрузки с сопротивлением порядка единиц– десятков ом имеют место отрицательные явления – снижение коэффициента усиления и, одновременно, уровня максимального выходного сигнала.

58

Графически эти эффекты отражены на рис. 6.5: передаточная характеристика 1 соответствует режиму холостого хода (сопротивлению нагрузки

Rн ), характеристики 2 и 3 соответствуют нагрузкам с Rн2 > Rн3 .

Для того чтобы уменьшить отрицательные последствия рассматриваемого явления, применяют включение дополнительных повторителей, у ко-

торых Rвых Rн.

Вместе с тем, отметим, что если вся сложная электронная схема строится из каскадов на основе ОУ, то в этом случае для каждого ОУ (кроме ОУ оконечного каскада) автоматически обеспечивается по нагрузке режим холостого хода: ведь нагрузкой ОУ является также операционный усилитель с

Rвх, во много раз (на два-три порядка) превышающим Rвых. Таким образом, разработчики ОУ позаботились об объединении схем на их основе.

2. Смещение передаточной характеристики из начала координат

(разбаланс). Наличие двух источников питания, причем с не всегда одинаковыми напряжениями (так как к шинам питания могут быть подключены несколько потребителей), часто становится причиной смещения передаточной характеристики ОУ из начала координат. Это явление часто называют разбалансом.

Возможны и другие причины возникновения разбаланса. Явление разбаланса иллюстрирует график, представленный на рис. 6.6. Здесь напряжение разбаланса обозначено как U.

Смещение передаточной характеристики от начала координат приводит к следующим негативным последствиям:

– изменению уровня выходного сигнала при усилении постоянного сигнала;

–появлению нежелательного «пьедестала» при усилении малого переменного сигнала;

–возникновению нелинейных искажений при усилении переменного сигнал с амплитудой, близкой к Е/К.

59

Возможны и другие отрицательные последствия разбаланса: особенно опасен он в сумматорах постоянных сигналов, так как при этом возникает ошибка сложения.

зуется неинвертирующее включение ОУ. В этом случае инвертирующий вход соединен с «землей» (UBX- = 0): Uвыx = КДУUв+x . При возникновении

разбаланса эта формула неверна и должна быть заменена другой: Uвыx = = КДУ(Uв+x – U).

Отсюда видно, что «вернуться» к прямо пропорциональной зависимо-

= КДУ(Uв+x – U + U) = КДУ Uв+x .

Подачу компенсационного напряжения осуществляют обычно от источника питания через потенциометр; другой способ – использование вход-

ного тока (Iвх) самого ОУ. В последнем случае между неиспользуемым для подачи полезного сигнала входом ОУ и «землей» включают потенциометр (так называемое балансировочное сопротивление), падение напряжения на котором при протекании входного тока ОУ равно U.

Схемы, реализующие два рассмотренных метода борьбы с разбалансом, приведены на рис. 6.7 (так как на практике чаще используется инвертирующее включение ОУ, то эти схемы также соответствуют инвертирующему включению). Следует заметить, что явление разбаланса – непостоянное, значение U меняется под влиянием многих факторов, и поэтому режим ОУ

60