Дифференциальные усилители

В настоящее время наибольшее распространение в микроэлектронике получили дифференциальные (параллельно-балансные или разностные) усилители. Такие усилители просто реализуются в виде монолитных ИМС и широко выпускаются отечественной промышленностью: К118УД, KP198УT1 и др. Их отличает высокая стабильность работы, малый дрейф нуля, большой коэффициент усиления дифференциального сигнала и большой коэффициент подавления синфазных помех.

На рис. 2.40 приведена принципиальная схема простейшего варианта дифференциального усилителя (ДУ). Любой ДУ выполняется по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами и , а два других - транзисторами и . Сопротивление нагрузки включается между коллекторами транзисторов, т. е. в диагональ моста. Сразу отметим, что резисторы и имеют небольшие значения, а часто и вообще отсутствуют. Можно считать, что резистор подключен к эмиттерам транзисторов.

Отметим, что питание ДУ осуществляется от двух источников, напряжения которых равны (по модулю) друг другу. Таким образом, суммарное напряжение питания ДУ равно 2E. Использование второго источника (-Е) позволяет снизить потенциалы эмиттеров и до потенциала общей шины. Это дает возможность подавать сигналы на входы ДУ без введения дополнительных компенсирующих напряжений.

При анализе работы ДУ принято выделять в нем два общих плеча, первое из которых состоит из транзистора и резистора (и ), а второе - из транзистора и резистора (и ). Каждое общее плечо ДУ является каскадом ОЭ, т. е. ДУ состоит из двух каскадов ОЭ. В общую цепь эмиттеров транзисторов включен резистор , которым и задается их общий ток.

Для того чтобы ДУ качественно и надежно выполнял свои функции, а также мог в процессе длительной работы сохранить свои параметры и свойства, в реальных усилителях требуется выполнить два основных требования.

Первое требование состоит в симметрии обоих плеч ДУ. Необходимо обеспечить идентичность параметров каскадов ОЭ, образующих ДУ. При этом должны быть одинаковы параметры транзисторов и , а также (и ). Если это требование выполнено полностью, то больше ничего и не требуется для получения идеального ДУ. Действительно, при достигается полный баланс моста, т. е. потенциалы коллекторов транзисторов одинаковы, следовательно, напряжение на нагрузке равно нулю. При одинаковом дрейфе нуля в обоих каскадах ОЭ (плечах ДУ) потенциалы коллекторов будут изменяться всегда одинаково, поэтому на выходе ДУ дрейф нуля будет отсутствовать. За счет симметрии плеч ДУ обеспечивается высокая стабильность при изменении напряжения питания, температуры, радиационного воздействия и т. д.

Симметрию общих плеч ДУ могут обеспечить лишь идентичные элементы, в которых все одинаково и которые были изготовлены в абсолютно одинаковых условиях. Так, в монолитной ИМС близко расположенные элементы действительно имеют почти одинаковые параметры. Следовательно, в монолитных ИМС первое требование в ДУ почти выполнено. Это позволяет реализовать ДУ пусть не с идеальными, но все же с хорошими параметрами, но при непременном выполнении второго основного требования к ДУ.

Второе основное требование состоит в обеспечении глубокой ООС для синфазного сигнала. Синфазными называются одинаковые сигналы, т. е. сигналы, имеющие равные амплитуды, фазы и формы. Если на входах ДУ (рис. 2.40) присутствуют , причем с совпадающими фазами, то можно говорить о поступлении на вход ДУ синфазного сигнала. Синфазные сигналы обычно обусловлены наличием помех, наводок и т. д. Часто они имеют большие амплитуды (значительно превышающие полезный сигнал) и являются крайне нежелательными, для работы любого усилителя.

Выполнить второе основное требование позволяет введение в ДУ резистора (или его электронного эквивалента). Если на вход ДУ поступает синфазная помеха, например, положительной полярности, то транзисторы и приоткроются и токи их эмиттеров возрастут. В результате, по резистору будет протекать суммарное приращение этих токов, образующее на нем сигнал ООС. Нетрудно показать, что образует в ДУ последовательную ООС по току. При этом будет наблюдаться уменьшение коэффициента усиления по напряжению для синфазного сигнала каскадов ОЭ, образующих общие плечи ДУ, который можно рассчитать с помощью (2.33). Таким образом, для коэффициента усиления ДУ для синфазного сигнала можно записать:

, (2.42)

Чем лучше симметрия плеч ДУ, тем меньше . Поскольку идеальная симметрия невозможна даже в монолитной ИМС, то всегда . При заданном уменьшить удается за счет увеличения глубины ООС, т. е. увеличения . В результате удается значительно подавить синфазную помеху.

Теперь рассмотрим работу ДУ для основного рабочего входного сигнала - дифференциального. Дифференциальными (противофазными) сигналами принято называть сигналы, имеющие равные амплитуды, но противоположные фазы. Будем считать, что входное напряжение подано между входами ДУ, т. е. на каждый вход поступает половина амплитудного значения входного сигнала, причем в противоположных фазах. Если в рассматриваемый момент времени представляется положительной полуволной, то - отрицательной.

За счет действия транзистор приоткрывается и ток его эмиттера получает положительное приращение , а за счет действия транзистор призакрывается и ток его эмиттера получает отрицательное приращение - . В результате приращение тока в цепи резистора будет . Если общие плечи ДУ идеально симметричны, то и, следовательно, ООС для дифференциального сигнала отсутствует. Это обстоятельство позволяет получать от каждого каскада ОЭ в рассматриваемом усилителе, а следовательно, и от всего ДУ большое усиление. Так как для дифференциального входного сигнала в любой момент времени напряжения на коллекторах транзисторов и будут находиться в противофазе, то на нагрузке происходит выделение удвоенного выходного сигнала. Итак, резистор образует ООС только для синфазного сигнала.

На практике можно использовать четыре схемы включения ДУ: симметричный вход и выход, симметричный вход и несимметричный выход, несимметричный вход и симметричный выход, несимметричный вход и выход. При симметричном входе источник входного сигнала подключается между входами ДУ (между базами транзисторов). При симметричном выходе сопротивление нагрузки подключается между выходами ДУ (между коллекторами транзисторов). Такое включение ДУ и было рассмотрено выше (рис. 2.40).

При несимметричном входе источник входного сигнала подключается между одним входом ДУ и общей шиной. Коэффициент усиления ДУ не зависит от способа подачи входного сигнала, т. е. не зависит от того, симметричный или несимметричный вход.

При несимметричном выходе сопротивление нагрузки подключается одним концом к коллектору одного транзистора, а другим - к общей шине. В этом случае оказывается в 2 раза меньше, чем при симметричном выходе.

Если при несимметричном входе и выходе входной сигнал подан на вход того же плеча, с выхода которого и снимается выходной сигнал ДУ, то в этом случае работает на усиление лишь одно плечо. Здесь на выходе получаем инвертированный сигнал. Когда входной сигнал подан на вход одного плеча ДУ, а выходной сигнал снимается с выхода другого плеча, то на выходе получаем неинвертированный сигнал с тем же , что и в первом случае. Если снимать выходной сигнал всегда с одного заданного выхода, то входам ДУ можно присвоить название «инвертирующий» и «неинвертирующий».

Одним из основных параметров ДУ является коэффициент ослабления (подавления) синфазного сигнала (КООС). Обычно КООС представляется как отношение к , т. е.

.

Используя (2.42), можно записать:

, (2.43)

где - коэффициент асимметрии ДУ. При необходимости коэффициент асимметрии можно дополнить слагаемыми, представляющими разброс других параметров элементов устройства. Напомним, что разброс номиналов резисторов в монолитных ИМС не превышает 3%.

В ДУ всегда стремятся сделать КООС как можно больше. Для этого следует увеличивать . Однако существует несколько причин, ограничивающих эту возможность, самая главная - это большие трудности при реализации резисторов значительных номиналов в монолитных ИМС.

Решить эту проблему позволяет использование электронного эквивалента резистора большого номинала, которым является источник стабильного тока (ИСТ). На рис. 2.41 приведена принципиальная схема ДУ с ИСТ. Здесь ИСТ выполнен на транзисторе . Резисторы , и , а также диод VD служат для задания и стабилизации режима покоя транзистора . Рабочая точка для располагается на пологой части его выходной ВАХ. В результате при изменении напряжения на таком ИСТ его ток остается практически постоянным. В реальных условиях ИСТ представляет собой эквивалент сопротивления для изменяющегося сигнала (в нашем случае синфазного) значительного номинала - до единиц МОм.

Существует много вариантов схем ДУ, но в них всегда используются ИСТ. В таких ДУ значения КООС обычно лежат в пределах 60—100дБ.

Для ряда практических применений к ДУ предъявляются довольно жесткие требования по величинам точностных параметров, к которым относятся паразитные напряжения и токи, имеющие место в режиме покоя, но оказывающие влияние на качество усиления рабочего сигнала. Отметим, что точностные параметры либо обусловлены, либо проявляются через асимметрию плеч ДУ.

В идеальном ДУ (с идентичными плечами) погрешности, проявляемые через точностные параметры, отсутствуют.

За счет асимметрии плеч в реальном ДУ всегда присутствует разбаланс коллекторных потенциалов транзисторов и , т. е. наблюдается паразитное напряжение между выходами ДУ. Это напряжение и определяется напряжением смещения нуля . Величина представляет собой кажущийся входной дифференциальный сигнал. Чтобы

приблизить к нулю, необходимо подать на вход компенсирующий сигнал.

Следует иметь в виду, что зависитот температуры. Эта зависимость представляется самостоятельным параметром - температурной чувствительностью (мкВ/град). Отметим, что температурная чувствительность уменьшается пропорционально уменьшению .

Еще одним точностным параметром ДУ является ток смещения , представляющий собой разбаланс (разность) входных токов покоя. В реальном ДУ можно представить через значения токов эмиттеров , и коэффициентов усиления транзисторов по току и в следующем виде:

. (2.44)

Наиболее неблагоприятный случай имеет место при и . Из (2.44) следует, что ток смещения уменьшается при снижении рабочих токов ДУ и увеличении коэффициентов . Протекая через сопротивление источника сигнала, ток смещения на нем создает падение напряжения, действие которого равносильно ложному дифференциальному сигналу. Поэтому естественными представляются усилия, направленные на снижение в ДУ.

Средний входной ток также является точностным параметром ДУ. Средний входной ток значительно больше тока смещения. Протекая через сопротивление источника сигнала, он создает на нем падение напряжения, действующее как синфазный входной сигнал. Хотя и ослабленное в раз, это напряжение все же вызовет на выходе ДУ разбаланс потенциалов.

Широкое распространение в аналоговых ИМС получили отражатели тока или токовое зеркало. Отражатели тока (рис. 2.42.а) выполняют на взаимно согласованных транзисторах Т₁, Т₂, …, Т_N, изготовленных групповым способом на одном кристалле кремния.

Параллельное соединение эмиттерных переходов всех транзисторов, при котором , гарантирует равенство их коллекторных токов. Ток одного из транзисторов (Т1) используется в качестве сигнала отрицательной обратной связи. Он вычитается из входного тока , в результате образуется сигнал рассогласования , управляющий посредством автоматического регулятора (АР) режимом работы транзисторов. При идеальном АР значение таково, что сигнал рассогласования и, следовательно, . Различные схемные реализации отражателей тока отличаются друг от друга главным образом исполнением АР.

В простейшем случае (рис. 2.42 б) разностный сигнал подается непосредственно на шину, соединяющую базы транзисторов. Однако это приводит к погрешности, так как сигнал рассогласования отличается от нуля на значение суммарного базового тока . В схеме на рис. 2.42,в эта погрешность уменьшена за счет использования эмиттерного повторителя в 1+β раз. Вариант отражателя тока, изображенный на рис. 2.43, позволяет «отражать» ток как в увеличенном, так и в уменьшенном масштабе, в зависимости от соотношения сопротивлений R1 и R2 в эмиттерах транзисторов Т1 и Т2. Отраженный ток I₂ можно определить в виде . При выходной ток определяют из выражения .

Входной ток согласно рис. 2.43 выражается следующим образом: . Если то ток зависит только от напряжения источника питания и резистора . Из выше сказанного следует, что отражатели тока можно использовать в качестве источников стабильного тока (ИСТ). Важным достоинством отражателей тока является возможность создания сразу нескольких источников стабильного тока при единственной токозадающей цепи.

На рис. 2.44 приведена упрощенная схема дифференциального каскада с однофазным выходом, на двух комплементарных парах взаимно согласованных биполярных транзисторов. Транзисторы Т1 и Т2 первой пары включены по схеме, по сути не отличающейся от схемы обычного дифференциального каскада (см. рис. 2.41) Транзисторы Т3 и Т4 второй пары образуют отражатель тока, использующийся в качестве динамической нагрузки в коллекторных цепях Т1 и Т2. Пусть на базы транзисторов Т1 и Т2 поступают соответственно сигналы и . При этом коллекторный ток изменится на величину . Приращение будет повторено отражателем тока в коллекторной цепи транзистора Т4 и даст приращение коллекторного потенциала . Точно такая же величина получится под действием приращения , обусловленного сигналом . В результате получаем на выходе: , где - коэффициент усиления; - входное сопротивление следующего каскада. Таким образом, использование отражателя тока позволяет не только получить высокий коэффициент усиления (до нескольких тысяч), но и удвоить сигнал на однотактном выходе ДУ.

Операционные усилители.

Операционным усилителем называют высококачественный интегральный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом, предназначенный для работы в схемах с цепями обратных связей. Название усилителя обусловлено первоначальной областью его применения - выполнение различных операций над аналогичными сигналами (сложение, вычитание, интегрирование и др.). В настоящее время операционные усилители (ОУ) играют роль многофункциональных узлов при реализации разнообразных устройств электроники различного назначения. Они применяются для усиления, ограничения, перемножения, частотной фильтрации, генерации, стабилизации сигналов в аналоговых и цифровых устройствах.

Идеальный ОУ имеет: бесконечно большие: коэффициент усиления по напряжению; входное сопротивление и КООС; нулевое выходное сопротивление и бесконечно широкую полосу пропускания. Естественно, что на практике ни одно из этих свойств не может быть осуществлено полностью, однако к ним можно приблизиться с достаточной для многих областей применения точностью. На рис. 2.45,а дано упрощенное обозначение ОУ без выводов для подключения источников питания, общей шины и внешних элементов, а на рис. 2.45,б приведены некоторые из этих выводов.

Кроме выводов для подключения напряжения питания здесь обозначены выводы частотной коррекции (FC), которые используются в ОУ без внутренней коррекции, и выводы балансировки (NC). Если неинвертирующий вход ОУ соединен с общей шиной и сигнал подан на инвертирующий вход (обозначен кружком), то выходной сигнал окажется сдвинутым на 180°, т. е. произойдет инвертирование сигнала. Если с общей шиной соединен инвертирующий вход, а сигнал подан на неинвертирующий, то выходной сигнал окажется в одной фазе с входным сигналом. Таким образом, входной сигнал может быть подан лишь на один вход ОУ (инвертирующий или неинвертирующий).

Необходимо отметить, что электропитание ОУ (как и ДУ) почти всегда осуществляется от двух источников с одинаковым (по модулю) напряжением (+Е и —Е) и общей точкой. И еще, на практике ОУ обычно охватывается глубокой ООС, для подключения которой используется инвертирующий вход.

Промышленностью освоен выпуск целого ряда ОУ различного назначения. Основная масса – ОУ общего применения. С их помощью, строят узлы аппаратуры, имеющие суммарную погрешность на уровне 1%.

Характерным представителем первого поколения таких ОУ служит ОУ 140УД1 (рис. 2.46). Входной дифференциальный каскад на транзисторах Т₁ и Т₂ с диффузионными резисторами в коллекторных цепях R₁, R₂ и R₈. Токи эмиттеров этих транзисторов задаются ИСТ, выполненным на транзисторе Т₃ (см. рис. 2.41). Сигналы с выходов первого каскада подаются на базы транзисторов Т₅ и Т₆, составляющих второй ДУ. Отличительной особенностью этого каскада является отсутствие нагрузочного резистора в цепи коллектора транзистора Т₅. Несимметричный выходной сигнал

снимается с коллектора транзистора Т₆ и передается на вход согласующего каскада выполненного на транзисторах Т₇ и Т₈. Как и в усилителях постоянного тока прямого усиления, какими являются первые два дифференциальных каскада ОУ, от каскада к каскаду происходит увеличение выходных напряжений. В операционном же усилителе необходимо, чтобы при отсутствии сигнала на его входе потенциалы обоих входов и выхода были бы одинаковы. Следовательно, нужно возросший потенциал коллектора транзистора Т₆ снизить до уровня потенциала на входе ОУ.

Эта задача в согласующем каскаде решается следующим способом. Транзистор Т₈ является источником стабильного тока, поэтому падение напряжения от этого тока на резисторе R₉ тоже величина постоянная. Достаточно так подобрать сопротивление R₉, чтобы сумма падений напряжения была равна разности потенциалов между базой транзистора Т₇ и входными выводами 9 и 10. Тогда потенциал выходного вывода 5 окажется равным потенциалам входов.

Согласованием уровней потенциалов входа и выхода функции согласующего каскада не ограничиваются. Он повышает коэффициент усиления за счет положительной обратной связи, образованной с помощью делителя выходного напряжения на резисторах R₁₀ и R₁₂. При положительном сигнале на прямом входе 10 на выходе 5 также появляется усиленное положительное напряжение. Часть этого напряжения, снимаемая с резистора R₁₂, через резистор R₁₁ поступает на эмиттер Т₈, уменьшая напряжение и тем самым подзапирая его относительно режима покоя. Уменьшение коллекторного тока Т₈ уменьшит падение напряжения на резисторе R₉, а значит, повысит потенциал на базе Т₉, что приведет к дальнейшему увеличению выходного напряжения.

Выходной каскад на транзисторе Т₉ и резисторах R₁₀ и R₁₂ представляет собой обычный эмиттерный повторитель, предназначенный для усиления мощности сигнала и снижения выходного сопротивления усилителя.

С развитием технологии изготовления интегральных схем произошли значительные изменения в схемотехнике операционных усилителей, связанные с использованием транзисторов различного типа проводимости, отражателей тока и динамических нагрузок. Это операционные усилители второго поколения. В их основу положена так называемая трехкаскадная схема, типичным примером которой является сравнительно простой ОУ 544УД1, приведенный на рис. 2.47.

Входной каскад ОУ 544УД1 выполнен по дифференциальной схеме на n-канальных полевых транзисторах Т₁ и Т₂ с управляющим p-n-переходом. В качестве нагрузки использована схема отражателя тока на транзисторах Т₃, Т₄ и Т₅, а ток истоков стабилизирован генератором тока на транзисторах Т₆ и Т₇. Однофазный выход дифференциального каскада через эмиттерный повторитель на транзисторе Т₉ подключен ко входу каскада промежуточного усиления на транзисторе Т₁₀ с динамической нагрузкой в коллекторе в виде источника тока на транзисторе Т₈. Конденсатор С включается для сужения полосы пропускания каскада с тем, чтобы предотвратить самовозбуждение усилителя.

Третий, выходной каскад построен по двухтактной схеме на комплементарных транзисторах Т₁₄ и Т₁₈, работающих в режиме класса АВ. Транзисторы Т₁₁ и Т₁₂ в диодном включении служат для задания рабочих точек транзисторов выходного каскада.

Отличительной особенностью ОУ второго поколения является их защита от перегрузок. Рассмотрим работу схемы защиты одного из выходных транзисторов (например, транзистора Т₁₈). При нормальном режиме падение напряжения на резисторе в эмиттере транзистора Т₁₈ мало, поэтому транзистор Т₁₇ заперт и не оказывает влияния на работу транзистора Т₁₈. Однако как только ток в нагрузке превысит допустимое значение(например, при коротком замыкании вывода 6 на корпус), падение напряжения на резисторе в эмиттере транзистора Т₁₈ окажется больше напряжения открывания транзистора Т₁₇. При этом схема переводится в режим источника тока, так как через открытый транзистор Т₁₇ часть тока транзистора Т₁₅ ответвляется в нагрузку, ограничивая ток эмиттера транзистора Т₁₈ на допустимом уровне. Схема защиты на транзисторе Т₁₆ работает аналогичным образом.

Основным параметром ОУ, как и любого усилительного устройства, является коэффициент усиления. Прежде всего, это коэффициент усиления по напряжению без обратной связи . Этот параметр иногда называют полным коэффициентом усиления по напряжению. На низких и средних частотах его часто обозначают, как и он может достигать нескольких десятков тысяч.

Весьма важными параметрами ОУ являются точностные: напряжение смещения нуля, его температурная чувствительность, ток смещения и средний входной ток. Все эти параметры определяются входным каскадом ОУ и их величины желательно предельно уменьшать.

Входные и выходные цепи ОУ представляются входным и выходным сопротивлениями. Обычно эти параметры приводятся для ОУ без цепей ООС. Чаще всего желательно повышать и снижать . Выходную цепь ОУ представляют также такие параметры, как максимальный выходной ток ( мА) и минимальное сопротивление нагрузки ( кОм), а иногда и максимальная емкость нагрузки. Входная цепь ОУ может быть представлена входной емкостью, т. е. емкостью между входными выводами и общей шиной.

Среди параметровОУ следует отметить КООС и коэффициент ослабления влияния нестабильности источника питания . Оба эти параметра в современных ОУ имеют свои значения в пределах 60—120 дБ.

К частотным параметрам ОУ прежде всего относится граничная частота единичного усиления или абсолютная граничная частота (или ), т. е. частота сигнала, при которой . Кроме того, иногда используются параметры, представляющие собой скорость нарастания и время установления выходного напряжения. Эти параметры определяются по реакции ОУ на воздействие скачка напряжения на входе.

Одними из важнейших характеристик ОУ являются его амплитудные (передаточные) характеристики. Они представлены на рис. 2.48 в виде двух зависимостей . Одна из этих зависимостей соответствует инвертирующему, а другая - неинвертирующему входам ОУ. Когда на обоих входах ОУ , то на выходе будет присутствовать напряжение ошибки , определяемое, точностными параметрами (на рис. 2.48 не показано ввиду его малости). Наличие иногда может существенно изменять амплитудную характеристику ОУ.

 

Амплитудную характеристику ОУ несколько условно можно разделить на наклонный и горизонтальный участки. Рабочим участком является наклонный (линейный) участок характеристики, угол наклона которого определяется значением . При изменении для горизонтального участка характеристики выходное напряжение остается постоянным. Это напряжение является максимальным выходным напряжением ОУ. Иногда для инвертированного и неинвертированного сигналов различаются по значению (например, для ОУ К140УД5А). Обычно значения ненамного меньше напряжения питания Е. Частотные свойства ОУ представляются его АЧХ, при построении которой приводится в дБ, а частота откладывается по горизонтальной оси в логарифмическом масштабе. Такую АЧХ ОУ принято называть логарифмической амплитудно-частотной характеристикой (ЛАЧХ). Рассмотрим ЛАЧХ ОУ, которая в общем случае представляется характеристикой обычного УПТ. На рис. 2.47 приведена типовая ЛАЧХ для ОУ К140УД10, спад имеет место только в области высоких частот.

Используя (2.16) и (2.10), можно представить модуль в следующем виде:

, (2.45)

где - постоянная времени ОУ, которая при дБ определяет частоту сопряжения (среза) усилителя (см. рис. 2.46) . Заменив в (2.45) на , получим выражение (дБ)

. (2.46)

Выражение (2.46) представляет собой запись ЛАЧХ. При низких и средних частотах коэффициент усиления ОУ равен , т.е. ЛАЧХ представляет собой прямую линию, параллельную оси частот. С повышением частоты начнет уменьшаться за счет влияния второго члена в правой части (2.46). С некоторым приближением можно считать, что на высоких частотах спад происходит со скоростью 20 дБ/дек, т.е. возрастание частоты в 10 раз приводит к уменьшению на 20 дБ. Действительно, при можно упростить подкоренное выражение в правой части (2.46). При этом получим

. (2.47)

Таким образом, ЛАЧХ и ОВЧ представляется прямой линией с наклоном к оси частот 20 дБ/дек. Точка пересечения рассмотренных прямых, представляющих ЛАЧХ ОУ, соответствует частоте сопряжения .

Отметим, что спад иногда представляется в дБ/октава. Октавой называется изменение частоты в 2 раза. Нетрудно получить, что спад 20 дБ/дек соответствует 6 дБ/октава. Такая скорость спада характерна для простых RС-фильтров НЧ и для скорректированных ОУ.

Реальная ЛАЧХ ОУ несколько отличается от вида на рис. 2.49. Это отличие имеет максимальное значение в 3 дБ на частоте /д (пунктир на рис. 2.49). Однако для удобства анализа ЛАЧХ ОУ обычно аппроксимируют прямолинейными отрезками. Такие графики принято называть диаграммами Боде.

Следует различать ОУ с внутренней и внешней коррекцией. В ОУ с внутренней коррекцией за счет специальных RС-цепей, выполненных в одном полупроводниковом кристалле со всем усилителем, обеспечен спад дБ/дек. Для ОУ с внешней коррекцией необходимый спад получают за счет подключения внешних RС-цепей к специальным выводам (например, выводы ЧК на рис. 2.42, б).

К ОУ с внутренней коррекцией относятся ИМС К140УД6, К140УД8, К140УД12, К140УД13, К154УД1, К544УД1, К544УД2, К574УД1 и др. В таких ОУ для области спада ЛАЧХ можно рассчитать на заданной частоте по следующей формуле: . Подставив в эту формулу вместо , получим максимальное значение .

Среди усилителей, выполненных на основе ОУ, наиболее часто используются инвертирующий и неинвертирующий варианты. На рис. 2.50 приведена принципиальная схема инвертирующего усилителя наОУ. Цепи электропитания, частотной коррекции и другие вспомогательные цепи здесь для простоты восприятия не показаны. Входной сигнал подан на инвертирующий вход, следовательно, будет находиться в противофазе с входным напряжением. Резистор соответствует сопротивлению источника сигнала . Неинвертирующий вход соединен с общей шиной через резистор . Нетрудно показать, что на рис. 2.50 ОУ охвачен параллельной ООС по напряжению (цепью резистора ).

Если положить, что здесь используется идеальный ОУ, то разность напряжений на его входе должна стремиться к нулю. Поскольку неинвертирующий вход соединен с общей шиной, потенциал на инвертирующем входе (в точке А) тоже должен быть равен нулю. Точку А принято называть «кажущейся землей» или «точкой виртуального нуля». Тогда можно записать для токов в рассматриваемой схеме на идеальном ОУ: , т. е. . Отсюда получим выражение для коэффициента усиления инвертирующего усилителя по напряжению

. (2.48)

Выражение (2.48) повторяет общую запись для при глубокой параллельной ООС по напряжению (2.32). Знак «-» в (2.48) указывает на инвертирование сигнала. Таким образом, для идеального ОУ определяется отношением внешних резисторов.

Для реального ОУ использование (2.48) приводит к появлению погрешностей в расчете . Чем больше в ОУ и , тем меньшую погрешность дает использование этой формулы. Так, при кОм, кОм, кОм погрешность в определении по (3.48) составит примерно 9%, а при (остальные параметры те же) - менее 0,1%. Обычно допускается использование выражения (2.48) при (т.е. при глубине ООС , что справедливо для большинства практических случаев).

Входное сопротивление инвертирующего усилителя на ОУ имеет относительно небольшую величину, что определяется параллельной ООС. можно определить из выражения:

. (2.49)

Из (2.49) следует, что при больших сопротивление определяется внешним резистором . Рекомендуется, чтобы кОм.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя на реальномОУ отличается от нуля, но все же невелико и определяется как небольшим сопротивлением так и глубокой ООС по напряжению. Для сопротивления при можно записать

. (2.50)

Из (2.50) следует, что выходное сопротивление снижается пропорционально уменьшению .

Для реального ОУ на выходе усилителя при всегда будет присутствовать напряжение ошибки , которое порождается двумя точностными параметрами входного каскада ОУ: и . С целью снижения стремятся, чтобы общие эквиваленты резисторов, подключенные ко входам ОУ, были равны. Так, для схемы (рис. 2.45) необходимо, чтобы

. (2.51)

Назначение резистора - снижение токовой ошибки. При выполнении условия (2.51) и можно записать

. (2.52)

С целью снижения можно осуществить установку нуля на выходе усилителя с помощью специальной схемы смещения, которая задает на инвертирующий вход ОУ небольшое напряжение, компенсирующее на выходе . Отметим, что этот метод предполагает наличие дополнительных элементов и не гарантирует постоянства нуля на выходе устройства.

Рассмотренный выше инвертирующий усилитель на ОУ является УПТ. В некоторых случаях (в частности, для уменьшения ) возникает необходимость в создании усилителей только переменного тока на ОУ. Для этого можно использовать усилитель (рис. 2.50), включив в него разделительный конденсатор (или конденсаторы на входе и выходе). На рис. 2.51 приведена принципиальная схема инвертирующего усилителя переменного тока на ОУ с разделительным конденсатором С во входной цепи. Здесь имеет место дозированная параллельная ООС по переменному напряжению и 100%-ная ООС по постоянному напряжению.

Для расчета основных параметров инвертирующего усилителя переменного тока в области средних частот можно использовать выражения (2.48)—(2.50). Все основные выводы, справедливые для инвертирующего УПТ на ОУ, справедливы и здесь.

Конденсатор С не позволяет пройти на вход ОУ сигналам постоянного тока (в том числе и паразитным), что приносит рассматриваемому усилителю уже преимущества, характерные для усилителей с разделительными элементами. Постоянная времени в ОНЧ равна . Подставив в (2.9), нетрудно определить коэффициент частотных искажений . При использовании разделительного конденсатора на выходе рассматриваемого усилителя расчет коэффициента следует проводить как для входной, так и для выходной цепей, а затем полученные значения сложить.

Другой широко распространенный вариант включения ОУ реализуется в виде неинвертирующего усилителя, принципиальная схема которого приведена на рис. 2.52. Входной сигнал здесь поступает на неинвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий подается сигнал обратной связи. Нетрудно показать, что в инвертирующем усилителе на ОУ имеет место последовательная ООС по напряжению.

Поскольку и сигнал ООС подаются на разные входы ОУ, то для идеального ОУ можно записать:

, откуда для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя по напряжению получим

. (2.53)

Сравнивая (2.53) с (2.48), можно записать: . Для неинвертирующего усилителя на реальном ОУ (2.53) справедливо при достаточной глубокой ООС (при ), что обычно и имеет место на практике. Отметим, что обычно значения суммы , лежат в пределах от 50 кОм до 1 МОм.

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя на ОУ всегда имеет большую величину. Этот факт определяется значительным и глубокой последовательной ООС. Для формула (2.28) имеет следующий вид:

. (2.54)

Из (2.54) видно, что в неинвертирующем усилителе входное сопротивление возрастает при уменьшении . Обычно составляет единицы или десятки ГОм.

Поскольку как в неинвертирующем, так и в инвертирующем усилителях на ОУ имеет место ООС по напряжению, то при одинаковой глубине ООС . Для расчета можно использовать формулу (2.50).

Для снижения токовой ошибки в неинвертирующем усилителе следует выполнять условие (2.51), где следует заменить на . Однако в реальных случаях неинвертирующий усилитель часто используется при весьма больших МОм. Кроме того, входной сигнал на неинвертирующем входе (без инвертирования) усиливается ОУ и затем в той же фазе поступает на инвертирующий вход. В результате на обоих входах ОУ появляются синфазные сигналы. Все это приводит к повышению и является недостатком рассматриваемого усилителя на ОУ.

При увеличении глубины ООС в неинвертирующем усилителе будет уменьшаться и при 100%-ной ООС станет равным единице. Такой усилитель принято называть неинвертирующим повторителем или просто повторителем. На рис. 2.53 приведена принципиальная схема повторителя на ОУ. Здесь 100%-ная последовательная ООС по напряжению создана цепью резистора . В повторителе реализуется максимальное входное и минимальное выходное сопротивления для используемого типа ОУ. Рассчитать эти параметры можно с помощью (2.54), положив в ней и (2.50) соответственно. Повторитель на ОУ, как и любой другой повторитель (эмиттерный или истоковый), используется как согласующий каскад.

Для уменьшения токовой ошибки в повторителе стараются выполнить равенство: . Однако из-за больших это не всегда удается осуществить. При МОм резистор перестает выполнять свою компенсирующую роль и его вообще не ставят. В этом случае можно записать: .

Неинвертирующий усилитель на ОУ может быть выполнен и как усилитель переменного тока. Для этого следует использовать разделительный конденсатор во входной (или выходной) цепи. Отметим, что для получения минимальных искажений в ОНЧ разделительный конденсатор следует включать не в выходную, а во входную цепь усилителя.

Помимо инвертирующего и неинвертирующего усилителей на основе ОУ выполняются и другие варианты усилительных устройств.

Теперь рассмотрим коррекции частотных характеристик. Под коррекцией будем понимать изменение ЛАЧХ и ЛФЧХ для получения от устройств на ОУ необходимых свойств и прежде всего обеспечение устойчивой работы. Напомним, что ОУ всегда используются с цепями глубокой ООС. Однако при некоторых условиях ООС может превратиться в ПОС и усилитель потеряет устойчивость. Поскольку обратная связь глубокая, то особенно важно обеспечить фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами, гарантирующий отсутствие возбуждения.

Для обеспечения устойчивой работы устройств на ОУ в нем используются внутренние или внешние цепи коррекции, с помощью которых добиваются общего фазового сдвига при разомкнутой цепи ООС менее 135° на максимальной частоте. При этом автоматически получается, что спад дБ/дек.

В качестве критерия устойчивости устройств на ОУ удобно использовать критерий Боде, который можно сформулировать следующим образом: «усилитель с цепью обратной связи устойчив, если прямая его коэффициента усиления в дБ пересекает ЛАЧХ на участке со спадом 20 дБ/дек». Таким образом, цепи частотной коррекции вОУ должны обеспечивать спад дБ/дек вОВЧ.

При последовательном включении нескольких ОУ иногда цепью общей ООС охватывает два каскада. В этом случае также следует вводить корректирующие цепи, обеспечивающие надлежащий запас устойчивости всего устройства. В справочниках на ОУ без внутренней коррекции иногда приводятся сведения по коррекции частотных характеристик, предлагаются наиболее подходящие схемы и номиналы элементов для конкретного типа ОУ и вида ЛАЧХ.

 

Вопросы для самопроверки

1. Какими основными параметрами характеризуется усилитель?

2. Назовите виды искажений в усилителях и объясните причины их возникновения.

3. Нарисуйте принципиальную схему усилительного каскада с ОЭ и объясните функциональное назначение входящих в него элементов.

4. Объясните принцип работы усилительного каскада с ОЭ использованием входных и выходных характеристик транзистора.

5. Приведите эквивалентную схему каскада с ОЭ для области средних частот и выведите формулы для коэффициентов усиления по напряжению и току, входного и выходного сопротивлений каскада.

6. Поясните влияние разделительных конденсаторов на работу каскада с ОЭ в области низких частот.

7. Какими причинами объясняется уменьшение коэффициента усиления каскада с ОЭ в области высоких частот?

8. Какие причины влияют на стабильность режима покоя в каскаде с ОЭ и как ее можно повысить?

9. Нарисуйте принципиальную схему усилительного каскада с ОБ. Объясните принцип работы усилительного каскада с ОБ.

10. Приведите эквивалентную схему каскада с ОБ для области средних частот и выведите формулы для коэффициентов усиления по напряжению и току, входного и выходного сопротивлений каскада

11. Нарисуйте принципиальную схему каскада с ОК.

12. Составьте эквивалентную схему каскада с ОК и выведите формулы для коэффициентов усиления по напряжению и току, входного и выходного сопротивлений каскада.

13. Сделайте сравнительный анализ каскадов с ОЭ, ОБ и ОК по основным качественным показателям.

14. Нарисуйте принципиальную схему усилительного каскада с ОИ на полевом транзисторе и объясните функциональное назначение входящих в него элементов.

15. Приведите эквивалентную схему каскада с ОИ для области средних частот и выведите формулы для коэффициентов усиления по напряжению и току, входного и выходного сопротивлений каскада.

16. Что понимают под обратной связью в усилителях, и для каких целей ее вводят в усилители?

17. Какие виды обратных связей в усилителях Вы знаете?

18. Нарисуйте структурную схему усилителя с последовательной обратной связью по напряжению и выведите выражение для коэффициента усилителя с ООС по напряжению.

19. Поясните, как можно использовать метод короткого замыкания нагрузки для определения способа снятия сигнала обратной связи?

20. Каким образом меняется входное сопротивление усилителя при введении параллельной и последовательной ООС по напряжению?

21. Какие режимы усиления применяются в выходных усилителях мощности сигналов, и чем они характеризуются?

22. Нарисуйте принципиальную схему бестрансформаторного выходного каскада, работающего в режиме класса В или АВ.

23. Какие особенности и трудности возникают при построении усилителей постоянного тока? Как их удается избежать?

24. Приведите принципиальную схему дифференциального усилителя и объясните принцип его работы.

25. Что такое синфазная и дифференциальная составляющие входного сигнала дифференциального усилителя?

26. Какими качественными основными показателями оценивается работа дифференциального усилителя?

27. Приведите принципиальную схему отражателя тока и объясните принцип его работы.

28. Какие функции может выполнять отражатель тока?

29. Какие усилители принято называть операционными?

30. Нарисуйте схему инвертирующего усилителя на ОУ и выведите формулы для коэффициента усиления, входного и выходного сопротивлений такого усилителя.

31. Нарисуйте схему неинвертирующего усилителя на ОУ и выведите формулы для коэффициента усиления, входного и выходного сопротивлений такого усилителя.

32. Приведите схему повторителя на ОУ и укажите возможные варианты его использования.