Генераторы стабильного тока

Генераторы стабильного тока (ГСТ) применяют для питания усилительных каскадов стабильным током, не зависящим от изменений температуры и на­грузки. Простейший генератор стабильного тока состоит из источника питания Е _и.пс последовательно включенным резистором R, сопротивление которого во много раз превышает сопротивление нагрузки R _н(рис. 7.3, а).

В такой схеме протекает ток

(7.1)

Дифференцируя (7.1), получаем:

(7.2)

Следовательно, увеличивая R, можно уменьшить изменения тока нагрузки до требуемой величины. Однако применение подобной схемы нецелесообразно, так как большая часть мощности, потребляемой от источника питания, бесполезно расходуется на нагрев токозадающего резистора R.

Более рациональным является использование вместо токозадающего резистора R токозадающего транзистора (рис. 7.3, б). В этом случае ток нагрузки i _нопределя­ется пересечением нагрузочной линии с выходной характеристикой транзистора (рис. 7.3, в). Если сопротивление нагрузки равно , то ток нагрузки определяется точкой А; если сопротивление нагрузки увеличилось до значения , то ток нагруз­ки определяется точкой В. Относительное изменение тока в этом случае будет равно

Наиболее широкое распространение получил ГСТ, называемый «отражателем», или «зеркалом», тока (рис. 7.4). В этой схеме нагрузка включается в цепь коллектора то­козадающего транзистора VT₂, режим работы которого задается нелинейным дели­телем напряжения, состоящим из транзистора VT₁, работающего в диодном режиме, и резисторов R_o и R₁. Пренебрегая током базы, можно считать, что и .

Базы транзисторов соединены вместе и имеют одинаковый потенциал, равный Е₀. Для левой ветви , для правой . Следовательно,

Здесь и — прямые напряжения на эмиттерных переходах транзисторов VT₁ и VT₂. Транзисторы VT₁ и VT₂ создаются в едином технологическом процессе, по­этому . Следовательно,

Откуда получаем

(7.3)

Таким образом, ток i₂ пропорционален току i₁. Иначе говоря, ток i₂ зеркально от­ражает ток i₁. Если R₂= R₁ то

i₂ = i₁ если R₁ > R₂, то ток i₂>i₁ и наоборот. Следова­тельно, изменяя R₁ и R₂, можно устанавливать желаемую величину стабильного тока. При, R₁<< R₀ ток в левой ветви . Этот ток слабо зависит от тем­пературы. Следовательно, ток i₂, питающий нагрузку, которой является усили­тельный каскад, практически не зависит от температуры.

Схемы сдвига потенциала

В аналоговых интегральных микросхемах напряжение с выхода предыдущего кас­када передается на вход последующего без разделительных конденсаторов. При этом на вход последующего каскада поступает как переменное, так и постоянное напряжение. Для того чтобы получить необходимый режим работы последующе­го каскада по постоянному току, требуется, как правило, понизить постоянное напряжение, что достигается с помощью схемы сдвига потенциала. При этом вели­чина переменного напряжения не должна существенно уменьшаться. На рис. 7.5, а представлена схема сдвига потенциала, широко применяемая в аналоговых интег­ральных микросхемах. Она состоит из транзистора, генератора стабильного тока I₀ и резистора R_o. На входе схемы действует напряжение , на выходе — ; постоянное напряжение на выходе схемы определяется соотношением

Изменяя R₀, можно получить требуемое постоянное напряжение U_вых.0, определя­ющее режим работы последующего каскада. Переменное напряжение на выходе схемы равно

Здесь U_вx.m и U_{вых т} — амплитуды входного и выходного напряжений соответ­ственно;

R_i — внутреннее сопротивление ГСТ переменному току. Поскольку R_i>>R₀ напряжение .

Кроме рассмотренной схемы в аналоговых интегральных микросхемах для сдви­га потенциала находит применение схема, представленная на рис. 7.5, б. Она со­держит стабилитрон с низким дифференциальным сопротивлением и резистор R_o. Для этой схемы справедливы следующие соотношения:

(7.4)

При R_i<<R₀ выполняется условие .

Каскадные схемы

Каскодные схемы отличаются от обычных усилительных схем тем, что усилитель­ные каскады в них включены последовательно по постоянному току. Наибольшее распространение имеет комбинация, в которой первый каскад включен по схеме с ОЭ, а второй — по схеме с ОБ (рис. 7.6).

Нагрузкой первого каскада является входное сопротивление второго, равное h_11б, поэтому

То есть первый каскад не дает усиления напряжения, поэтому входная емкость рассматриваемой каскодной схемы, определяемая соотношением , возрастает незначительно.

Второй каскад, включенный по схеме ОБ, дает усиление

.

Результирующий коэффициент усиления

(7.5)

Таким образом, рассматриваемая каскодная схема дает такое же усиление, как и обычный каскад по схеме ОЭ, но при этом входная емкость каскада не возрастает.

Аналогичным образом создаются каскодные схемы ОИ-03 на полевых транзис­торах. Применяются также комбинации ОК—ОБ, обладающие высоким входным сопротивлением.

Выходные каскады

Выходные каскады, как правило, работают на низкоомную нагрузку. Поэтому в качестве выходных каскадов обычно применяют эмиттерные повторители (схема с ОК), обладающие низким выходным сопротивлением. Выходные каскады, обеспечивающие необходимую мощность во внешней нагрузке, должны обладать высоким КПД, что достигается путем применения двухтактных схем (рис. 7.7, а). В этом случае через транзистор VT₂ протекает ток в положительные полуперио­ды входного напряжения, а через транзистор VT₁ — в отрицательные. Вследствие того, что заметный ток транзистора появляется при U_вх > 0,7 В, ток через нагрузку в течение некоторых промежутков времени не протекает, поэтому выходное на­пряжение при прохождении через нуль имеет ступеньки (рис. 7.7, б), то есть вы­ходное напряжение не повторяет форму входного. Этот недостаток устраняется путем включения между базами транзисторов смещающих диодов (рис. 7.8, а), сдвигающих управляющие характеристики транзисторов на 0,7 В, в результате чего зависимость i_вых= f(u_вх) получается линейной (рис. 7.8, б).

Повышение КПД двухтактной схемы обусловлено тем, что при U_вх= 0 ток от источ­ника питания не потребляется. Если же на базу транзистора подано синусоидальное напряжение, то ток через транзистор протекает только в течение половины перио­да. При этом импульсы тока высотой можно разложить в ряд Фурье. Полагая, что U_{вых. т} = Е_и.п, можно рассчитать мощность, выделяемую в нагрузке:

Разложение импульсов тока в ряд Фурье позволяет определить постоянную со­ставляющую тока, потребляемого от источника:

Поскольку в схеме работают два транзистора, потребляемый ток необходимо удвоить. Следовательно, от источника потребляется мощность

.

Таким образом, КПД двухтактной схемы оказывается равным

,

то есть 78 %.

Транзисторы типов п-р-п и р-п-р, входящие в двухтактную схему, должны обла­дать одинаковыми параметрами. Вместе с тем, известно, что транзисторы р-п-р имеют более низкий коэффициент передачи тока по сравнению с транзистора­ми п-р-п. Поэтому в некоторых случаях вместо транзистора VT₂ типа р-п-р ис­пользуют составной транзистор типа р-п-р с токоотводящим резистором.

В некоторых схемах применяется защита двухтактного выходного каскада от пе­регрузок. С этой целью в базовые цепи выходных транзисторов включают токозащитные транзисторы (рис. 7.9). Если ток, потребляемый нагрузкой, превышает допустимое значение, то возрастают напряжения на резисторах R₁ и R₂ и отпира­ются транзисторы VT₃ и VT₄, что ведет к уменьшению токов базы транзисторов VT₁ и VT₂ и, как следствие, к уменьшению тока, отдаваемого в нагрузку.

Дифференциальные каскады

Дифференциальный каскад (ДК) представляет собой мостовую схему, в плечах которой включены идентичные элементы (рис. 7.10).

В аналоговых интегральных микросхемах вследствие того, что все элементы созда­ются в едином технологическом процессе, практически обеспечивается идентичность резисторов и транзисторов. ДК питается от двухполярного источника питания Е_и.п с заземленной средней точкой, что позволяет подавать сигналы непосредственно на базы транзисторов. Если входы транзисторов заземлены, то токи транзисто­ров одинаковы, и вследствие идентичности резисторов R_к1 и R_к2 напряжение на дифференциальном выходе U _вых.дмежду коллекторами будет равно нулю. Если на входы схемы поданы сигналы одинаковые по величине и фазе, называемые син­фазными, то токи обоих транзисторов будут изменяться на одинаковую величи­ну, соответственно будут изменяться напряжения U_вых1 и U_вых2, а напряжение U _вых.д по-прежнему будет сохраняться равным нулю. Если на входы схемы поданы одинаковые по величине, но сдвинутые по фазе на 180° сигналы, называемые дифференциальными, то возрастание тока в одном плече будет сопровождаться уменьшением тока в противоположном, вследствие чего появится напряжение на дифференциальном выходе. Таким образом, схема в идеальном случае реагирует на дифференциальный сигнал и не реагирует на синфазный. Изменение темпера­туры, паразитные наводки, старение элементов, флуктуации параметров транзи­сторов можно рассматривать как синфазные входные воздействия. Следова­тельно, ДК обладает очень высокой устойчивостью работы и малочувствителен к помехам.

Проанализируем работу схемы, заменив транзисторы их эквивалентными схема­ми и включив на вход источники противофазных сигналов U_вx1 и U_вx2, а также ис­точник синфазного сигнала U_с (рис. 7.11). На схеме показаны направления токов при подаче на вход дифференциального сигнала.

Рассмотрим несколько частных случаев.

1. Пусть U_c = 0; U_вx2 = 0; U_вx1 0. В этом случае схема работает как обычный уси­литель, транзистор VT₂ в работе не участвует, поэтому

(7.6)

2. Пусть U_c = 0; U_вx1 = 0; U_вx2 0. В этом случае работает транзистор VT₂, поэтому

. (7.7)

3. Пусть U_c 0; U_вx1 = 0; U_вx2= 0. В этом случае синфазно работают оба транзистора.При этом

(7.8)

(7.9)

При полной симметрии схемы К_c1 = К_c2 и напряжение на дифференциальном вы­ходе равно нулю, то есть при снятии сигнала с дифференциального выхода и по­даче на вход синфазного сигнала коэффициент усиления синфазного сигнала равен

. (7.10)

В реальных схемах всегда существует некоторое различие в значениях сопротив­лений и коэффициентов передачи токов, поэтому

Здесь и R_K — усредненные значения коэффициентов передачи тока эмиттера и сопротивлений резисторов, а и — отклонения истинных значений коэф­фициентов передачи тока и сопротивлений от усредненных значений. В этом слу­чае К_c1 К_c2 поэтому

(7.11)

Здесь — относительное отклонение сопротивления резистора от номиналь­ного значения;

— относительное отклонение коэффициента передачи тока эмиттера от но­минального значения.

При выполнении схемы ДК на дискретных компонентах трудно получить ма­лые значения и . В интегральном исполнении погрешности и незначительны.

Введем коэффициент асимметрии схемы , определив его следующим образом:

Тогда

(7.12)

4. Пусть U_c = 0; U_вx1 0; U_вx2 0. Это основной режим работы ДК, при котором напряжения U_вx1 и U_вx2 находятся в противофазе. В этом случае

; (7.13)

; (7.14)

. (7.15)

Коэффициент усиления дифференциального сигнала во много раз превыша­ет коэффициент усиления синфазного сигнала. Отношение к выражен­ное в децибелах, называется коэффициентом ослабления синфазного сигнала:

. (7.16)

Из соотношения следует, что для того чтобы увеличить коэффициент ослабления синфазного сигнала, необходимо увеличить сопротивление резистора R_э вклю­ченного в эмиттерную цепь. Однако при этом возрастает падение напряжения на этом резисторе, создаваемое постоянным током дифференциального каскада, что ведет к необходимости увеличивать напряжение источника питания Е_и.п. Поэто­му в реальных схемах вместо резистора R_э включают генератор стабильного тока, обладающий большим сопротивлением r_i переменному току и малым сопротив­лением r₀ постоянному току. В этом случае достигает 80-100 дБ. Типовая схема ДК с генератором стабильного тока представлена на рис. 7.12.

5. Помимо рассмотренного режима работы с симметричным входом на практике широко применяется режим работы, когда сигнал поступает на один из вхо­дов, а второй вход заземляется. Если сигнал подается на первый вход, то левое плечо ДК работает как усилительный каскад, в котором резистор R_э зашунтирован входным сопротивлением правого плеча. Правое плечо работает как каскад, включенный по схеме с ОБ, входным напряжением которого являет­ся напряжение на эмиттере. Пользуясь эквивалентной схемой (см. рис. 7.11), в которой точка Б₂ заземлена, нетрудно установить, что

,

.

Следовательно,

.

Если , то U_вх1 = 2 I_э1r_э. В этом случае коэффициент усиления левого пле­ча равен

.

□ Коэффициент усиления правого плеча равен

.

□ Напряжение на первом выходе равно

.

□ Напряжение на втором выходе равно

.

При симметрии схемы , , . При этом напряжение на дифференциальном выходе будет равно

Результирующий коэффициент усиления равен

. (7.17)

Отсюда следует вывод, что коэффициент усиления К_д._д не зависит от того, имеет ли ДК симметричный или несимметричный вход.

6.Во многих случаях усиленный сигнал снимают не между коллекторами, а с одно­го из коллекторов. Этот режим называют режимом работы с несимметричнымвыходом. При этом вход может быть симметричным или несимметричным.Если вход несимметричный, то при снятии сигнала со второго выхода коэф­фициент усиления ДК равен

.

При снятии сигнала с первого выхода коэффициент усиления ДК равен

.

В первом случае усиленный сигнал оказывается в фазе с сигналом, поданным на вход, а во втором — в противофазе.

7. Если вход симметричный, то при несимметричном выходе должен ослабляться синфазный сигнал, что достигается некоторым усложнением схемы. На рис. 7.13 представлена схема ДК с динамической нагрузкой (транзисторы VT₃ и VT₄),генератором стабильного тока I ₀ и несимметричным выходом. Транзистор VT₅ работает в режиме эмиттерного повторителя, на базу которого поступает сигнал с коллектора VT₁. Этот сигнал передается на базу транзистора VT₄, который по отношению к нему включен по схеме с ОЭ с динамической нагрузкой VT₂. В результате на выходе схемы происходит суммирование усиленных противо­фазных сигналов, поданных на базы VT₁ и VT₂, и вычитание синфазных, то есть в схеме осуществляется подавление синфазного сигнала. Сплошными стрел­ками на схеме условно показаны фазы усиливаемого дифференциального сиг­нала, а пунктирными стрелками — синфазного.

Широкое применение в ДК находят схемы с зеркалом тока (рис. 7.14). В такой схеме транзисторы VT₃ и VT₄, являющиеся динамическими нагрузками транзис­торов VT₁ и VT₂, образуют зеркальную пару, в которой изменения тока в левом плече зеркально отражаются в правом. Так, например, увеличение тока через тран­зистор VT₃ автоматически ведет к возрастанию тока через транзистор VT₄, нагруз­кой которого является транзистор VT₂, в результате чего напряжение на выходе увеличивается. Ток транзистора VT₂ находится в противофазе с током транзис­тора VT₁, поэтому при увеличении тока VT₁ уменьшается ток VT₂, что также ве­дет к возрастанию напряжения на выходе. В результате происходит сложение дифференциальных сигналов и вычитание синфазных.

Операционные усилители

Операционными усилителями (ОУ) называют усилители постоянного тока, предназ­наченные для выполнения различного рода операций над аналоговыми сигналами при работе в схемах с отрицательной обратной связью. Они обладают очень боль­шим коэффициентом усиления напряжения, имеют дифференциальный вход с высоким входным сопротивлением и несимметричный выход с низким выходным сопротивлением. Условное обозначение ОУ приведено на рис. 7.15, а. Общую информационную шину (корпус) и цепи питания на схемах обычно не показывают. Один из входов ОУ, отмеченный знаком «+», называется неинвентирующим. При подаче сигнала на этот вход и соединении второго входа с корпусом выходное напряжение находится в фазе с входным. Второй вход ОУ, отмеченный знаком «-» (иногда его обозначают знаком инверсии «о»), называется инвертирующим. При подаче сигнала на этот вход и соединении другого входа с корпусом напряже­ние на выходе ОУ находится в противофазе со входным. Во многих случаях источ­ник сигнала включается между обоими входами. Помимо трех сигнальных кон­тактов (двух входных и одного выходного) ОУ содержит дополнительные контакты (число контактов обычно составляет 14 или 16). Для облегчения понимания назна­чения контактных выводов применяется более полное условное обозначение ОУ (рис. 7.15, б). Символами NC обозначают выводы балансировки, символами FC — выводы частотной коррекции. Существуют и другие вспомогательные выводы.

Параметры ОУ

Параметры ОУ характеризуют эксплуатационные возможности операционного усилителя. Основные параметры перечислены ниже.

□ Коэффициент усиления напряжения без обратной связи К_и, показывающий, во сколько раз напряжение на выходе ОУ превышает напряжение сигнала, поданного на дифференциальный вход. Практически К_и =10⁵-10⁶.

□ Коэффициент ослабления синфазного сигнала K_осл.сф. показывающий, во сколь­ко раз дифференциальный сигнал сильнее синфазного. Практически определя­ется свойствами входного дифференциального каскада и составляет от 80 до100 дБ.

□ Напряжение смещения нуля U_см представляющее собой постоянное напряже­ние определенной полярности, которое необходимо подать на вход ОУ приотсутствии входного сигнала для того, чтобы напряжение на выходе стало рав­ным нулю. Отклонение выходного напряжения от нуля обусловлено хотя и очень малым, но неизбежно существующим дисбалансом плеч дифференциального каскада. Типовое значение U_см = (5-20) мВ.

□ Температурный дрейф напряжения смещения

характеризует изменение напряжения U_см при изменении температуры и со­ставляет от 1 до 30 мкВ/°С.

□ Входные сопротивления для дифференциального R _вх.диф синфазного R_вх.сф. сигналов. Сопротивление R _вх.диф измеряется со стороны любого входа в то время, когда другой вход соединен с общим выводом. Значения его лежат в пределах от сотен килоом до единиц мегаом. Сопротивление R_вх.сф измеряется между со­единенными вместе входными контактами ОУ и корпусом. Это сопротивление на несколько порядков выше сопротивления для дифференциального сигнала.

□ Выходное сопротивление R_вых. По отношению к внешней нагрузке ОУ ведет себя как генератор напряжения, обладающий внутренним сопротивлением, являющимся выходным сопротивлением ОУ. Величина этого сопротивления составляет десятки-сотни ом.

□ Входные токи. Это токи, протекающие во входных выводах при присоединении последних к корпусу. Если входной дифференциальный каскад выполнен на биполярных транзисторах, то эти токи являются токами баз, их величина состав­ляет от 10 до 100 мкА. Если входной дифференциальный каскад выполнен на полевых транзисторах, то эти токи существенно меньше, их величина составля­ет от 10 до 100 нА. Из-за асимметрии плеч дифференциального каскада эти токи различаются. В справочниках приводится среднее значение входного тока:

□ Разность входных токов характеризует степень дисбаланса ОУ.При больших сопротивлениях резисторов, включенных на входах ОУ, за счет раз­ности входных токов может появиться паразитный дифференциальный сигнал.

□ Частота единичного усиления f₁, характеризует частотные свойства ОУ в режи­ме усиления малых сигналов. Это та частота, на которой коэффициент усиления напряжения становится равным единице. В ОУ предусмотрено включение корректирующих цепочек с тем, чтобы устранить самовозбуждение на высоких частотах, неизбежно возникающее при больших коэффициентах усиления и охвате ОУ обратной связью. Поэтому частотная характеристика ОУ имеет специфичный вид (рис. 7.16). Если рассматривать зависимость логарифма коэффициента усиления как функцию логарифма частоты, то, начиная с не­которой частоты f ₀, наблюдается линейное уменьшение lg К вплоть до часто­ты f₁, на которой К= 1, a lgK = 0. Практически f₀ = 10-20 Гц, f₁ - 0,5-5 МГц.

□ Скорость нарастания выходного напряжения V_u характеризует быстродействие ОУ в режиме большого сигнала. Это скорость изменения выходного напряже­ния при подаче на вход ОУ ступенчатого напряжения. У обычных ОУ она со­ставляет от 0,5 до 5 В/мкс, у быстродействующих достигает 50 В/мкс.

Кроме указанных параметров в справочниках приводятся максимальные значения входного ± U_вх.тах и выходного U_{вых.тах} напряжений, а также напряжение источника питания ± Е_{и. п}, характеризующие амплитудные свойства ОУ (рис. 7.17). В справоч­никах также приводится величина потребляемого тока I_п и ряд других параметров.

Схемотехника ОУ

В состав ОУ входит несколько каскадов. Наиболее простое схемное решение имеет ОУ К14ОУД1 (рис. 7.18), изготовленный на кремневой пластине размером 1,1 х 1,1 мм и содержащий 9 транзисторов. Входной дифференциальный каскад выполнен на транзисторах VT₁, и VT₂, он питается от генератора стабильного тока на транзисторах VT₃ и VT₄. Второй дифференциальный каскад выполнен на тран­зисторах VT₅ и VT₆. Схема сдвига потенциала образована транзистором VT₇, ре­зистором R₉ и генератором стабильного тока VT₈. Выходной каскад на транзис­торе VT₉ представляет собой эмиттерный повторитель, охваченный неглубокой положительной обратной связью, компенсирующей ослабление сигнала схемой сдвига потенциала. Обратная связь осуществляется путем подачи части выход­ного сигнала на эмиттер VT₈, который включен для этого сигнала по схеме с ОБ, и затем на базу эмиттерного повторителя VT₉. Схема обеспечивает сравнительно невысокий коэффициент усиления К_и = 2 х 10³, дает ослабление синфазного сиг­нала К_осл.сф = 60 дБ и имеет невысокое входное сопротивление R_вх = 4 кОм.

Последующие разработки позволили улучшить параметры ОУ ценой усложне­ния схемы. Так, например, применение входного дифференциального каскада по каскодной схеме ОК—ОБ в ОУ К140УД7 позволило повысить входное сопро­тивление до 400 кОм при входном токе 200 нА, довести коэффициент усиления входного каскада до 300, повысить коэффициент ослабления синфазного сигна­ла до 70 дБ. Второй каскад выполнен на составных транзисторах с динамической нагрузкой и обеспечивает коэффициент усиления К_и = 200. Выходной каскад вы­полнен по двухтактной схеме с защитой от перегрузки. В схеме К140УД8 во вход­ном дифференциальном каскаде применены полевые транзисторы, что позволи­ло снизить входной ток до 0,2 нА и получить К_осл.сф = 70 дБ.

Большинство современных ОУ строится по двухкаскадной схеме. Упрощенная схема такого ОУ показана на рис. 7.19. Первый усилительный каскад выполняет­ся на транзисторах VT₁ и VT₂, питающихся от генератора стабильного тока I₀₁. Как правило, транзисторы в плечах ДК включаются по каскодной схеме ОК—ОБ или ОИ-ОЗ с динамической нагрузкой, обеспечивающей получение однофазного (несимметричного) выхода. Обычно на выходе ДК ставится эммитерный повто­ритель, обеспечивающий передачу сигнала на вход второго каскада. В общей сложности число транзисторов, образующих первый ДК, достигает 13 (схема К140УД8) и более. Во многих случаях в первом каскаде предусматривается балан­сировка нуля выходного напряжения.

Второй усилительный каскад выполнен на транзисторе VT₃ с динамической на­грузкой в виде генератора тока I₀₂. В каскаде предусматривается включение кор­ректирующего конденсатора между коллектором и базой транзистора, благодаря чему возрастает входная емкость каскада и уменьшается усиление на высоких частотах, что исключает возможность возникновения самовозбуждения при охвате ОУ отрицательной обратной связью. В коллекторную цепь включены ди­оды смещения VD₁ и VD₂, обеспечивающие нормальный режим работы выходно­го каскада, выполненного по двухтактной схеме с защитой от перегрузок.

Промышленностью выпускается большое разнообразие ОУ, которые делятся на две группы: общего применения и частного применения. ОУ частного применения подразделяются на быстродействующие (обладают V_u = 50-75 В/мкс), прецизи­онные (обладают высоким К_u =10 ⁶, высоким К_осл.сф - 120 дБ и малым U_см = 1 мВ), микромощные (питаются от источников питания Е_и.п = ±3 В или ±6 В и потребля­ют ток менее 1 мА), мощные (обеспечивают выходной ток до 1 А) и высоковольтные.

Применение ОУ

ОУ применяют в схемах с глубокой отрицательной обратной связью. Вид выпол­няемых ОУ операций определяется внешними по отношению к ОУ элементами. От параметров самого ОУ зависит только точность выполняемых операций. Рас­смотрим наиболее распространенные устройства на основе ОУ.

Инвертирующий усилитель осуществляет усиление аналоговых сигналов с по­воротом фазы на 180°. На рис. 7.20 представлена схема такого усилителя, а на рис. 7.21 — эквивалентная схема, на которой показано входное сопротивление ОУ R_вх а усилительные свойства ОУ отражены генератором напряжения K_uU_вх с внут­ренним сопротивлением R_вых.

Во входной цепи протекает пиременный ток, действующее значение которого равно

. (7.18)

Этот ток разветвляется на две ветви, то есть

Ток I₂ определяется входным и выходным напряжениями:

. (7.19)

Поскольку ,то

Следовательно, коэффициент усиления схемы равен

(7.20)

Отсюда следует, что K_u определяется внешними резисторами R₁ и R₂. Точность зави­сит от R_вх и K_u. Значения R_вх и K_u в современных ОУ достаточно велики, поэтому расчет по формуле (7.20) обеспечивает достаточно высокую практическую точность.

Неинвертпирующий усилитель осуществляет усиление электрических сигналов без поворота фазы. В схеме этого усилителя, показанной на рис. 7.22, а, сигнал пода­ется на неинвертирующий вход, а напряжение обратной связи — на инвертирую­щий. Величина напряжения обратной связи равна

.

Напряжение на дифференциальном входе равно

Принимая во внимание, что собственный коэффициент усиления ОУ достаточно высок, можно считать, что U_вх.д = 0. Следовательно, . Тогда

. (7.21)

Если R₂ = 0, то K_u = 1, то есть схема превращается в повторитель напряжения с высоким входным и низким выходным сопротивлениями.

Логарифмирующий усилитель получается в том случае, когда вместо резистора R₂ в цепь обратной связи включаютполупроводниковый диод (рис. 7.22, 6). При этом постоянный ток во входной цепи равен

.

Постоянный ток через диод равен

.

Принимая во внимание, что i₁=i₂ получаем

Отсюда

. (7.22)

То есть выходное постоянное напряжение пропорционально логарифму входно­го постоянного напряжения.

Интегрирующий усилитель получается в том случае, когда вместо резистора R₂ в цепь обратной связи включен конденсатор (рис. 7.23, а). При этом

.

.

Так как i₁ = i₂ получаем

.

Отсюда

. (7.23)

Дифференцирующий усилитель получается в том случае, когда конденсатор вклю­чен вместо резистора R₁ (рис. 7.23, б). При этом

,

Так как i₁ = i₂ получаем

.

Отсюда

. (7.24)

Активные фильтры получаются в том случае, когда вместо резисторов R₁ и R₂ включаются частотно-зависимые RC -элементы. Если вместо R₂ включены парал­лельно резистор R₂ и конденсатор С₂, то образуется фильтр нижних частот с гра­ничной частотой

.

Если вместо R₁ последовательно включены резистор R₁ и конденсатор С₁, то обра­зуется фильтр верхних частот с граничной частотой

Если RC- цепи включены одновременно вместо R₁ и R₂, то образуется полосовой фильтр.

Разновидности АИМС

Номенклатура аналоговых ИМС, выпускаемых промышленностью, позволяет реализовать самые разнообразные функциональные преобразования аналоговых сигналов. По характеру выполняемых преобразований аналоговые ИМС можно подразделить на несколько основных групп:

□ усилители;

□ перемножители;

□ компараторы;

□ стабилизаторы напряжения;

□ аналоговые коммутаторы;

□ аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи;

□ специализированные ИМС.

Усилители предназначены для усиления сигналов. К ним относятся усилители низких, промежуточных и высоких частот, видеоусилители, усилители импульс­ных сигналов и др. Наиболее распространенным видом аналоговых ИС являются операционные усилители, выполняющие функции базового элемента для по­строения многих аналоговых узлов.

Перемножители предназначены для перемножения двух аналоговых сигналов. С их помощью осуществляются различного рода преобразования сигналов - модуляция и демодуляция, умножение и деление частоты и т. д. Функцию пе­ремножения можно представить в виде у = кх₁х₂, где х₁ и х₂ — перемножаемые сиг­налы, k — масштабный коэффициент. Простейшая схема перемножителя может быть реализована на основе дифференциального каскада, напряжение на выходе которого у = k_дx₁x₂ , где

.

Здесь I₀ — ток, питающий дифференциальный каскад. Если сигнал х₂ подать на базу транзистора генератора тока, то этот ток будет пропорционален х₂, то есть I₀= k₁x₂. Следовательно,

.

Такая простейшая схема перемножителя обладает небольшим динамическим диа­пазоном, дрейфом токов и погрешностью масштабного коэффициента. Поэтому на практике применяют более сложные схемы, свободные от этих недостатков. Примером может служить интегральная схема К140МА1.

Пусть на входы перемножителя поданы сигналы.

Тогда на выходе схемы будет получен сигнал

.

Таким образом реализуется схема балансного модулятора.

Пусть на входы перемножителя поданы сигналы

;

.

Тогда на выходе схемы будет получен сигнал

.

Таким образом реализуется схема амплитудного модулятора.

Применение двух перемножителей, перемножающих сигналы, сдвинутые по фазе на 90°, с последующим их суммированием позволяет осуществить схему однопо­лосного модулятора.

Для осуществления амплитудного детектирования на один из входов перемножи­теля подают амплитудно-модулированный сигнал , где U_m1(t) — амплитуда высокочастотного сигнала, изменяющаяся во времени с низкой часто­той, а на второй вход — сигнал с постоянной амплитудой получен­ный путем глубокого ограничения сигнала х₁. В результате перемножения на вы­ходе перемножителя получается сигнал

После фильтрации этого сигнала получаем:

Этот сигнал повторяет форму огибающей высокочастотного сигнала.

Помимо модуляции и демодуляции сигналов перемножители позволяют осуще­ствить удвоение частоты, квадратичное детектирование, а также деление двух сигналов, извлечение квадратного корня, выделение тригонометрических функ­ций и др.

Компараторы предназначены для сравнения аналоговых сигналов с опорным на­пряжением. Их основу составляют операционные усилители. На один вход компаратора подается аналоговый сигнал, на другой — опорное напряжение. Если мгновенное значение напряжения аналогового сигнала меньше опорного, то на выходе компаратора формируется высокий уровень потенциала. Если мгновен­ное значение напряжения аналогового сигнала превышает опорное, то на выходе формируется низкий уровень потенциала. Величины выходных напряжений компаратора соответствуют уровням напряжений цифровых ИС, то есть ком­паратор осуществляет преобразование пороговых сигналов в цифровую форму. Компараторы находят применение в качестве пороговых устройств в автоматике, аналого-цифровых преобразователях, дискриминаторах амплитуды импульсов, а также в качестве усилителей считывания сигналов магнитной и полупроводни­ковой памяти.

Стабилизаторы напряжения предназначены для получения стабильных напря­жений, питающих интегральные схемы. Структурно стабилизатор напряжения состоит из управляющего элемента, представляющего собой составной транзи­стор, включенный между входом и выходом схемы, и дифференциального кас­када, вырабатывающего сигнал ошибки, подаваемый на базу составного транзис­тора. На один из входов дифференциального каскада поступает высокостабильное опорное напряжение, на второй — часть напряжения с выхода схемы. Сигнал ошибки пропорционален разности напряжений, действующих на входе диф­ференциального каскада. Когда напряжение на выходе схемы возрастает за счет некоторых дестабилизирующих факторов, сигнал ошибки частично запирает составной транзистор и падение напряжения на нем увеличивается, что ведет к уменьшению выходного напряжения, благодаря чему возрастает стабильность выходного напряжения.

Аналоговые коммутаторы предназначены для распределения во времени сиг­налов, поступающих на обработку от нескольких источников. В основе постро­ения этих ИС лежит схема электронного ключа на базе биполярного или поле­вого транзистора. Широкое распространение получили коммутаторы на базе МДП-транзисторов, включаемых последовательно между источником сигнала и потребителем и работающих в линейном режиме. Для того чтобы пропускать по­ложительную и отрицательную полуволны, коммутатор состоит из двух МДП-транзисторов, один из которых имеет встроенный электронный канал, а другой — встроенный дырочный.

Аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи предна­значены для преобразования, соответственно, аналоговых сигналов в цифровые и цифровых сигналов в аналоговые. Эти преобразователи выполняют в виде боль­ших интегральных схем (БИС), содержащих несколько тысяч элементов, из ко­торых образуются аналоговые и цифровые узлы, обеспечивающие генерирование эталонных напряжений, коммутацию аналоговых сигналов, сравнение аналоговых сигналов с эталонными напряжениями, усиление и преобразование сигналов, мас­штабирование, запоминание и целый ряд других операций. Все это осуществля­ется с высокой точностью и высоким быстродействием.

Специализированные ИМС предназначены для использования в бытовой ра­диоэлектронной аппаратуре. К таким ИМС относятся генераторы электрических колебаний различной формы, детекторы амплитудно-модулированных и частотно-модулированных колебаний, усилители и преобразователи частоты. Созданы ИМС,предназначенные для построения однокристальных супергетеродинных радио­приемников. Большое количество ИМС выпускается для применения в телеви­зионных приемниках. На базе этих ИМС разрабатываются селекторы каналов, тракты изображения, блоки строчной и кадровой развертки, блоки цветности и т. д.

В последнее время появились такие многоцелевые аналоговые БИС, как програм­мируемые ОУ и таймеры. Программируемые ОУ состоят из одного или несколь­ких ОУ, перестраиваемых на два и более режимов работы. Таймеры, настраивае­мые внешней коммутацией обратной связи, реализуют различные специальные аналоговые функции, характерные для импульсной техники.

Номенклатура аналоговых ИМС постоянно расширяется. Состав серий анало­говых ИМС не разрабатывается на базе основного функционального элемента, а включает в себя широкий класс микросхем различного схемотехнического исполнения, которые в совокупности позволяют реализовать отдельные группы устройств аналогового типа в микроэлектронном исполнении.

Контрольные вопросы

1. С какой целью в аналоговых интегральных схемах применяют каскады с динамической нагрузкой и составные транзисторы?

2. Для чего применяется схема сдвига потенциала?

3. Что такое генератор стабильного тока и для чего он служит?

4. Что представляет собой дифференциальный каскад?

5. Как реагирует дифференциальный каскад на синфазный и дифференциальныйсигналы?

6. Что такое коэффициент ослабления синфазного сигнала?

7. В чем заключаются особенности выходных каскадов аналоговых интегральных схем?

8. Какова структура электрической схемы операционного усилителя?

9. Почему усиление операционного усилителя зависит от внешних элементов?