2.5.2. Дифференциальные усилители
Дифференциальным усилителем (ДУ) называется УПТ, выходной сигнал которого пропорционален разности входных сигналов.
Очевидно, что в идеальном ДУ при равенстве сигналов на входах ДУ его выходной сигнал равен нулю.
Схема ДУ представляет собой симметричный мост (рис. 94а, 94б схема замещения):
Рис. 94. Дифференциальный усилитель (а) и эквивалентная схема (б)
При отсутствии входного сигнала мост сбалансирован (находится в равновесии), поэтому выходное напряжение на Rн, включенном в диагональ моста, равно 0. Входное напряжение на базах транзисторов всегда в противофазе. Если на левой входной клемме +, а на правой – то по мере увеличения Uвх ток Iк1 увеличивается, а ток Iк2 уменьшается, равновесие нарушается и через нагрузку течет уравнительный ток, пропорциональный разности между двумя входами. При этом источник сигнала д. б. симметричен относительно общего провода (земли).
Удобство таких схем ещё в том, что они позволяют использовать в любых сочетаниях несимметричные или симметричные вход и выход. Так, если заземлить один из входов, то полученная схема с несимметричным входом и симметричным выходом. Если исключить (закоротить) один из коллекторных резисторов, то получится схема с симметричным входом.
Коэффициент усиления ДУ, равный отношению выходного напряжения к разности напряжений на входах при идентичных транзисторах:
Такие ДУ часто выполняются в сочетании с транзисторным генератором тока (вместо резистора R3), что компенсируют дрейф нуля более чем в 10 раз (см. микросхему ОУ К140УД1, рис. 95).
Одно из главных применений ДУ – в качестве входных каскадов операционных усилителей, часто выполняемых на основе интегральных схем.
2.5.3 Операционные усилители
Операционным усилителем (ОУ) называется многокаскадный ДУ УПТ с очень большими коэффициентом усиления и входным сопротивлением и малым выходным, который в зависимости от подключаемой к нему цепи обратной связи (ОС) может инвертировать, интегрировать, суммировать, перемножать, а также осуществлять другие преобразования входных сигналов. Функциональная схема типового ОУ (рис. 95) обычно состоит из ДУ, промежуточных каскадов (на БПТ или ПТ) и эмиттерного повторителя на выходе.
Рис. 95. Функциональная схема ОУ
Типичным примером ОУ является микросхема КI40УД8. Наипростейшей из этой серии является КI40УДI, состоящая из 2-х каскадного ДУ на БПТ с генератором тока и выходного эмиттерного повторителя (рис. 96).
Рис. 96. Операционный усилитель К140УД1
Рис. 97
ОУ обозначают треугольником с двумя входами «+» (неинвертирующим) и «–» (инвертирующим) и одним выходом.
Например,
если входной сигнал подать на зажим
«–»,то на выходе будет усиленный
инвертированный сигнал (с изменением
фазы), при этом другой зажим «+» заземляется.
Если же заземлить «–» и подать сигнал
на зажим «+», то усиленный сигнал на
выходе будет без изменения фазы.
При этом резистор
обеспечивает стабильные характеристики
УПТ.
Включая разделительные конденсаторы между рядом таких ОУ, можно получить «общий» или модифицированный ОУ с любыми заданными характеристиками. Нa рис. 98а показаны схемы использования ОУ в качестве суммирующей с тремя входами, усиление которой для каждого из входов определяется отношением резистора R4 к соответствующему входному резистору:
Если все резисторы равны, то на выходе – алгебраическая сумма напряжений. Интегратор представлен схемой рис. 98,б, выходное напряжение пропорционально интегралу входного.
Дифференцирующий ОУ показан на рис. 98 ,в, напряжение на выходе которого пропорционально производной от входного напряжения.
Вычитающий ОУ (рис. 97,в) при соотношении резисторов R2/R1=R4/R3 обеспечивает разность входных напряжений, подведенных к инвертированному и неинвертированному входам. Можно провести бесчисленное множество решений на основе ОУ, позволяющие строить модифицированные и унифицированные узлы РЭА (рис. 97, 98).
Рис. 98