1. Основные характеристики аэу. 6Тема Основные характеристики аэу 1 Классификация аэу
 Скачать 1.22 Mb.
|
|
Тема 6. Дифференциальный усилитель 6.1 Особенности УПТ УПТ служат для усиления сколь угодно медленно-изменяющихся сигналов, включая сигналы с частотой ω = 0. Особенности УПТ: - необходимость согласования потенциалов; Так как сигнал может содержать постоянную составляющую, нельзя применять в качестве связи реактивные элементы (конденсаторы, индуктивности, трансформаторы), поэтому необходимо согласовывать потенциалы в разных частях схемы (между каскадами, с генератором входных сигналов, с нагрузкой). - явление дрейфа напряжения в УПТ. Дрейфом нуля называется наличие ложного выходного сигнала при закороченном входе (Uвх = 0). Дрейфом выходного напряжения называется изменение величины Uвых при неизменном Uвх, оценивающееся изменением за сутки. Причины возникновения дрейфа напряжения: - нестабильность источников питания; - старение элементов схемы; - изменение параметров транзисторов (из-за изменения инжекционных свойств); - температурная зависимость. Способы уменьшения дрейфа в УПТ: - стабилизированные источники питания; - отрицательная обратная связь (ООС); - термостабилизация и термокомпенсация; - МДМ (модуляция-демодуляция) усилителей с преобразованием; - специальные схемы УПТ с ограниченной нестабильностью. Наибольшая нестабильность вызывается температурным дрейфом, связанным с изменением Iко, β. Поэтому предпочтительнее кремниевые транзисторы, т.к. тепловой ток кремниевых транзисторов меньше теплового тока германиевых. В схемах термостабилизации используется ООС (рис.3.5, 3.6). В схемах для термокомпенсации используются терморезисторы, стабилитроны и выпрямительные диоды (рис.3.8). 6.2 Дифференциальный усилитель Дифференциальный усилитель (рис.6.1) усиливает разность входных сигналов, которая называется дифференциальным сигналом. Строится на биполярных или полевых транзисторах. ДУ представляет собой параллельно-балансный каскад – два УПТ с общей эмиттерной нагрузкой Rэ, т.е. сбалансированный мост. Плечи моста: Rк1 = Rк2 и транзисторы VT1 и VT2, которые должны быть идентичны. В одну диагональ включено питание, в другую – нагрузка Rн. Питание каскада осуществляется от двух источников Eк = Eэ, т.е. суммарное напряжение питания Еп = Ек + Еэ.  Рисунок 6.1 – Схема дифференциального усилителя С помощью Еэ уменьшается потенциал эмиттеров VT1 и VT2 относительно общей точки, при этом отпадает необходимость согласования потенциалов. На отдельных транзисторах трудно получить абсолютную симметрию, поэтому качественные ДУ строятся на интегральных микросхемах. 6.2.1 Режимы работы ДУ Существуют следующие режимы работы ДУ: а) режим покоя (источники входных сигналов закорочены на землю); Uвх1 = Uвх2 = 0, следовательно, Uбэ1 = Uбэ2 = - Uэ. В свою очередь Uэ = - Еэ + (Iэ1 + Iэ2)Rэ < 0, тогда можно сделать вывод, что Uбэ1 = Uбэ2 > 0. Оба транзистора работают в активном режиме. Текут токи покоя Ik1 = Ik2 >0, которые создают на Rк1 и Rк2 одинаковое падение напряжения, следовательно, Uk1 = Uk2 и Uвых = Uk1 – Uk2 = 0. Достоинства схемы в режиме покоя: - не нужен источник компенсирующей ЭДС для согласования потенциалов; - отсутствие дрейф нуля. Например, рассмотрим дрейф от нестабильности напряжения питания. Допустим, увеличилось Ек, очевидно увеличиваются токи коллекторов Ik1 = Ik2, напряжения коллекторов изменятся на одну и ту же величину ∆Uk1 = ∆Uk2 и ∆Uвых = 0. б) режим с входными сигналами; Сигнал можно подавать тремя способами: 1. Входной сигнал подан между базами (рисунок 6.2), ес>0.  Рисунок 6.2 - Фрагмент схемы ДУ при подаче сигнала на два входа Тогда Uвх1 = ес/2, Uвх1 = -ес/2. Приращения токов коллектора ∆Ik1 = -∆Ik2, приращения напряжений ∆Uk1 = -∆Uk2,  Изменение тока коллектора вызывает изменение тока эмиттера ∆Iэ1 = -∆Iэ2, общий ток эмиттера Iэ = Iэ1 + Iэ2, следовательно,  Ток эмиттера постоянный, Uэ = const, ∆Uэ = 0. 2. Если сигнал подается на один из входов ДУ, а другой вход заземляется, то входы называются дифференциальными (рис. 6.3).  Рисунок 6.3 – Фрагмент схемы ДУ с одним входом  Iэ1 + Iэ2 = const - ток эмиттера постоянный за счет обратной связи по постоянной составляющей. Следовательно, ∆Iэ2 = -∆Iэ1, ∆Iк2 = -∆Iк1, ∆Uк2 = -∆Uэ1,  3) сигналы поданы на оба входа ес1 и ес2 от двух независимых источников (рис.6.4).  Рисунок 6.4 - Фрагмент схемы ДУ с двумя входами Здесь справедлив принцип суперпозиции.  где K – коэффициент усиления ДУ. Если выходной сигнал снимается между коллекторами, то выход называется симметричным. А если с одного из коллекторов, то несимметричным. Тема 7. Разновидности схем дифференциальных усилителей 7.1 Дифференциальный усилитель с генератором стабильного тока Синфазный сигнал – это сигнал, действующий одновременно на обоих входах ДУ, например, сигнал вследствие изменения напряжения питания, температуры и др. Это помеха, влияние которой надо ослабить. Для уменьшения действия синфазного сигнала (СС) необходимо стабилизировать ток эмиттера Iэ, т.е. чтобы он всегда был постоянным. Допустим, на оба входа действует СС. Он стремится увеличить токи коллектора, а их сумма есть ток эмиттера, который является постоянным. Поэтому ток коллектора не увеличивается, Uk и Uвых не изменяются. Для стабилизации тока эмиттера требуется увеличивать эмиттерное сопротивление Rэ, но тогда необходимо увеличить напряжение питания, что делать нежелательно. Вместо Rэ целесообразно использовать источник тока или генератор стабильного тока (ГСТ), который имел бы малое сопротивление по постоянному току и большое по переменному (рис.7.1).  Рисунок 7.1 – Схема ДУ с ГСТ В схему ГСТ входят: транзистор VT3, диод VD, резисторы R1, R2 и R3 и источник питания Еэ. Ток Iэ определяет сумму токов Iэ1 и Iэ2 для транзисторов VT1 и VT2, а задается он от ГСТ на VT3 (схема с общей базой). Его выходное сопротивление намного больше Rэ в схеме (рис.6.3). Смещение на базу VT3 подается через делитель R1, R2, VD. Диод VD необходим для термокомпенсации. Выполняется условие R1>>R2, Rэ. Ток через R1 постоянный, т.к. R1 большое и от температуры не зависит. В свою очередь I1 = I2 + Iб3. При повышении температуры входная характеристика смещается влево, т.е. увеличивается ток эмиттера Iэ3. Одновременно уменьшается сопротивление диода VD, увеличивается ток I2 и уменьшается ток Iб3, равный I1 I2. Ток Iк3 = Iб3 также уменьшится. Таким образом, ток эмиттера дифференциального усилителя Iэ поддерживается стабильным. Из несложных преобразований можно получить ток эмиттера Iэ аналитическим путем. Так как Iб3 Iэ и можно считать Iэ3 Iк3 = Iэ, то  (7.1)Поскольку Iб3 I1, то I1 = I2. Из рисунка 7.1 находим  (7.2)Из (7.1), учитывая, что UVD ≈ Uбэ3 находим Iэ  т.е. ток Iэ зависит от температуры незначительно, что и требуется от ГСТ. Основной задачей при проектировании схем ДУ является увеличение коэффициента усиления усилителя и входного сопротивления. Используются следующие разновидности схем ДУ: - на входах ДУ ставятся составные транзисторы (пара Дарлингтона), у которых гораздо выше входное сопротивление и коэффициент передачи тока равен произведению коэффициентов передачи тока обоих транзисторов; - на входах ДУ ставятся эмиттерные повторители, у которых входное сопротивление сотни кОм; - ДУ с полевыми транзисторами на входах; - ДУ с динамической нагрузкой. 7.2 Дифференциальный усилитель с динамической нагрузкой Для увеличения коэффициента усиления усилителя KU необходимо увеличить коллекторную нагрузку Rk, но тогда потребуется увеличить напряжение источника питания Ек. В интегральных схемах увеличение Rk ведет к увеличению площади и габаритов микросхемы. Поэтому в ИС используется динамическая нагрузка, т.е. вместо резисторов Rk1 и Rk2 ставятся транзисторы VТ3 и VТ4, которые имеют низкое сопротивление по постоянному току и высокое – по переменному. Транзисторы VТ3 и VТ4 имеют полярность, противоположную к основным (рис.7.2).  Рисунок 7.2 – Схема ДУ с динамической нагрузкой Транзисторы VT1 и VT2 (n-p-n-типа) – основные, транзисторы VТ3 и VТ4 (p-n-p-типа) – коллекторная нагрузка. Эти транзисторы соединены коллекторами. Транзистор VТ3 используется в диодном включении. В эмиттерной цепи ставится генератор стабильного тока (ГСТ) для уменьшения влияния синфазного сигнала на работу схемы. Вход ДУ – дифференциальный, выход однотактный. Транзисторы VТ3 и VТ4 включены по схеме токового зеркала – отражателя токов. Ток Ik1, протекая через VТ3, создает одинаковое смещение на базах транзисторов Uбэ3 = Uбэ4. Поэтому Ik4 = Ik3, а Ik3 является током Ik1. Следовательно, Ik4 = Ik1. VТ4 повторяет изменения токов VT1, т.е. Ik4 полностью повторяет Ik1, поэтому VТ3 и VТ4 называется токовым зеркалом. Найдем Iвых, Uвых и КU. Допустим, на вход подан сигнал ес. Приращение токов базы ∆Iб1 = Iвх и ∆Iб2 = -Iвх. Тогда токи коллекторов Ik1 = Iэ/2 + βIвх и Ik2 = Iэ/2 - βIвх. Т.к. Ik4 = Ik1, то Ik4 = Iэ/2 + βIвх. Ток на выходе ДУ равен Iн = Ik4 – Ik2 = 2 βIвх. Очевидно, что ток на выходе ДУ усилился в раз и удвоился. Выходное напряжение ДУ равно  где Rн - входное сопротивление последующего каскада. Коэффициент усиления ДУ  При Rг →0  Сопротивление Rн может быть обеспечено в несколько сотен кОм, следовательно, коэффициент усиления по напряжению ДУ может достигать нескольких сотен и тысяч. Таким образом, отражатель токов позволяет получить высокий коэффициент усиления по напряжению и увеличить в 2β раз сигнал по току на однотактном выходе. Тема 8. Основные параметры ОУ Операционный усилитель – универсальный усилитель постоянного тока (УПТ) с дифференциальным входом и однотактным выходом. Идеальный ОУ имеет следующие параметры: - коэффициент усиления по напряжению KU → ∞; - входное сопротивление Rвх → ∞; - выходное сопротивление Rвых → 0. Такие характеристики позволяют применять глубокую обратную связь (ОС) и свойства ОУ определяются только параметрами элементов цепи ОС. Используя различные ОС, можно осуществлять различные математические операции. Поэтому усилители были названы операционными. Условное обозначение ОУ приведено на (рис.8.1). вход 1 – неинвертирующий вход, т.е. выходной сигнал совпадает по фазе с входным; вход 2 – инвертирующий вход, т.е. выходной сигнал в противофазе с входным; выход – однотактный; +Еп и Еп – выводы двух источников питания Еп.  Рисунок 8.1 – Условное обозначение ОУ Реальные ОУ имеют дополнительные выводы для подключения внешних цепей частотной коррекции, формирующих требуемый вид АЧХ усилителя. Основные параметры ОУ: а) коэффициент усиления дифференциального сигнала (до 105)  б) коэффициент ослабления синфазного сигнала (10-3 – 10-5)  в) коэффициент ослабления синфазного сигнала ОУ в децибелах (80 – 100дБ)  г) входное сопротивление Rвх обычно порядка (0,4 – 1) МОм; д) выходное сопротивление Rвых = 20 2 кОм; е) АЧХ – K = F(f) – зависимость коэффициента усиления от частоты (линеаризованная характеристика в логарифмическом масштабе – диаграмма Боде) приведена на (рис.8.2,а).  Рисунок 8.2 – ЛАЧХ и ФЧХ ОУ АЧХ ОУ представляет суммарную АЧХ отдельных каскадов. Изменение частоты в десять раз (на декаду) приводит к уменьшению коэффициента усиления по напряжению в десять раз, (т.е. на минус 20 дБ). Двухкаскадный ОУ имеет два излома АЧХ (каждый каскад вносит один излом); ж) фазочастотная характеристика (ФЧХ) ОУ – зависимость фазы сигнала от частоты φ = F(f) (рис.8.2,б). Каждый каскад на высоких частотах вносит фазовый сдвиг, равный минус π/2. ФЧХ запаздывает на n ∙ π/2, где n – число каскадов ОУ. Для стабилизации работы ОУ требуется коррекция АЧХ и ФЧХ. з) fT частота единичного усиления (среза), т.е. частота, при которой К = 1; и) амплитудная характеристика или передаточная характеристика ОУ – зависимость выходного напряжения от входного Uвых = f(Uвх) приведена на (рис.8.3). Обычно Uвыхmax = (Еп – 1) В.  Рисунок 8.3 – Амплитудная характеристика ОУ к) если при Uвх = 0 также и Uвых = 0, имеет место баланс ОУ. В реальных ОУ внутри схемы может иметь место разбаланс, из-за которого появляется Uвыхсдв ≠ 0 при Uвх = 0 (рис.8.4). л) Uвх смещения нуля или начальное смещение это постоянное напряжение, подаваемое на один из входов, чтобы выходное напряжение стало равным нулю. (рис.8.4). Оно примерно равно 1...3 мВ; н) разность входных токов Iвхсдв = Iб1 – Iб2 = 5…50 нА; м) диапазон допустимых синфазных напряжений – это максимальное одинаковое напряжение на обоих входах, чтобы ОУ не вошел в насыщение или отсечку – 3…13 В;  Рисунок 8.4 – Разбаланс ОУ н) скорость нарастания выходного напряжения при подаче на вход единичного скачка (1В), примерно равна 0,1…10 В/мкс (кривая разгона). 8.1 Схема трехкаскадного ОУ Схема-модель трехкаскадного операционного усилителя представлена на (рис.8.5).  Рисунок 8.5   – Схема трехкаскадного ОУВходной дифференциальный усилитель построен на транзисторах VT1 VT4. Основные транзисторы VT1 и VT2 p-n-p-типа. Динамическая нагрузка (VT3 и VT4 n-p-n-типа) представляет собой токовое зеркало или отражатель токов. ДУ с токовым зеркалом имеет дифференциальный вход и однотактный выход. ГСТ1 в эмиттерной цепи служит для стабилизации эмиттерного тока и уменьшения дрейфа напряжения. Каскад обеспечивает требуемые входные параметры ОУ. Второй каскад, построенный на составном транзисторе VT5 и VT6 по схеме с ОЭ, является усилителем амплитуд (β = β5 ∙ β6). Обеспечивает необходимый KU коэффициент усиления по напряжению ОУ. В качестве нагрузочного сопротивления каскада служит источник тока ГСТ2. Емкость Ск 30п для коррекции частотной характеристики. Диоды VD1 и VD2 для создания смещения начальной рабочей точки в выходном каскаде. В выходной каскад входят: комплементарная пара транзисторов VT7 (n-p-n-типа) и VT8 (p-n-p-типа), диоды VD1 и VD2, генератор стабильного тока ГСТ2, транзистор VT6. Выходной каскад является двухтактным усилителем мощности класса АВ. Делитель напряжения, состоящий из ГСТ2, VD1, VD2 и VT6, создает смещение рабочей точки транзисторов VT7 и VT8. Причем. Rд << Rвых гст2 = RвыхVT6. Необходимое начальное смещение задается диодами VD1 и VD2. Эти же диоды обеспечивают температурную стабилизацию режима покоя выходного усилителя. При отсутствии сигнала на входе ОУ Uвх = 0 ток через нагрузку Iн = 0. Через транзисторы VT7 и VT8 течет небольшой начальный ток, обусловленный смещением плюс UVD1 на транзисторе VT7 и минус UVD2 – на транзисторе VT8. Диоды включены в прямом направлении и всегда открыты, так как даже при подаче положительного перепада напряжения с коллектора VT6 за счет источников напряжения питания + Еп1 и Еп2 на аноды диодов подано более положительное напряжение, чем на катоды. Можно считать, что базы обоих транзисторов закорочены по переменному току, так как сопротивление диодов по переменной составляющей близко к нулю. Транзисторы VT7 и VT8 открыты поочередно. При подаче с коллектора VT6 положительного перепада напряжения транзистор VT8 запирается, а VT7 – отпирается. Ток течет по цепи: + Еп1, кэVT7, Rн, Еп1. При подаче с коллектора VT6 отрицательного перепада напряжения транзистор VT7 запирается, а VT8 – отпирается. Ток течет по цепи: + Еп2, Rн, кэVT8, Еп2. 8.2 Внешние цепи В операционных усилителях используются внешние цепи: - цепи коррекции частотной характеристики – частотно-зависимые RC-цепи; - цепи балансировки для установки нулевого напряжения на выходе при нулевом входном; - цепи защиты: 1) от пробоя на входе при высоком входном напряжении. При входном дифференциальном напряжении больше напряжения отпирания диода диоды отпираются и закорачивают вход ДУ, защищая его (рис.8.6,а);  Рисунок 8.6 – Цепи защиты ОУ 2) от короткого замыкания на выходе включается последовательно резистор примерно 400 Ом (рис.8.6,б); 3) от переполюсовки источника питания (рис.8.6,в), при неправильной полярности включения; 4) от перенапряжения источника питания (рис.8.6,г); - цепи обратной связи. Обычно в ОУ используется отрицательная обратная связь, т.к. без нее даже при Uвх диф = 0 коэффициент усиления стремится к бесконечности и Uвых может достичь предельного значения. Отрицательная обратная связь (ООС) позволяет: - создать схему с заданными функциями; - достичь нужного коэффициента усиления; - повысить стабильность и устойчивость схемы; - добиться необходимых Rвх и Rвых; - уменьшить линейные и нелинейные искажения. |