Согласование ЦИМС. Текст лекции. Лекции Введение Прием доклада командира группы, осмотр внешнего вида курсантов и проверка готовности аудитории к занятию. Доведение темы и цели занятия. Модель операционного усилителя
 Скачать 0.59 Mb.
|
|
Текст лекции Введение Прием доклада командира группы, осмотр внешнего вида курсантов и проверка готовности аудитории к занятию. Доведение темы и цели занятия. 1. Модель операционного усилителя Операционный усилитель (ОУ)— унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока, удовлетворяющий следующим требованиям к электрическим параметрам: – коэффициент усиления по напряжению стремится к бесконечности (КU → ∞); – входное сопротивление стремится к бесконечности (RВХ → ∞); – выходное сопротивление стремится к нулю (RВЫХ → 0); – если входное напряжение равно нулю, то выходное напряжение также равно нулю (UBX = 0→UВЫХ = 0); – бесконечная полоса усиливаемых частот (fB→ ∞). История названия операционного усилителя связана с тем, что подобные усилители постоянного тока использовались в аналоговой вычислительной технике для реализации различных математических операций, например, суммирования, интегрирования и др. В настоящее время эти функции хотя и не утратили своего значения, однако составляют лишь малую часть списка возможных применений ОУ. Являясь, по существу, идеальным усилительным элементом, ОУ составляет основу всей аналоговой электроники, что стало возможным в результате достижений современной микроэлектроники, позволившей реализовать достаточно сложную структуру ОУ в интегральном исполнении на одном кристалле и наладить массовый выпуск подобных устройств. Все это позволяет рассматривать ОУ в качестве простейшего элемента электронных схем подобно диоду, транзистору и т. п. Следует отметить, что на практике ни одно из перечисленных выше требований к ОУ не может быть удовлетворено полностью. Достоверность допущений об идеальности свойств в каждом конкретном случае подтверждается сопоставлением реальных параметров ОУ и требований к разрабатываемым электронным средствам (ЭС). Так, если требуется разработать усилитель с коэффициентом усиления 10, то стандартный ОУ с коэффициентом усиления 25000, можно рассматривать для этого случая как идеальный. Операционные усилители представляют собой широкий класс аналоговых микросхем, которые позволяют производить усиление аналоговых сигналов, придавать им различную форму, складывать и вычитать сигналы, производить операции дифференцирования и интегрирования, создавать источники напряжения и генераторы колебаний различной формы. Операционный усилитель – это многокаскадный транзисторный усилитель, выполненный в виде микросхемы. Условное графическое обозначение операционного усилителя показано на рис.1.1. Первоначальное условное графическое обозначение (УГО) операционного усилителя состояло из треугольника как показано на рис.1.1,а. Слева к широкой стороне треугольника подводились входы, а в вершине треугольника расположен выход ОУ. Монолитный ОУ, в силу использования в нем дифференциального каскада, имеет два входа – инвертирующий (Вх1, обозначен знаком минус) и неинвертирующий (Вх2, обозначен знаком плюс). По боковым граням треугольника располагались выводы вспомогательных цепей – коррекции, питания, балансировки.
Через некоторое время был утвержден другой стандарт, в котором (рис.1.1,б) инвертирующий вход обозначался кружочком – знаком обозначающим инверсию сигнала. Кроме того, этим стандартом допускалось не показывать цепи питания и коррекции (рис.1.1,в), если они не являются какой-либо отличительной особенностью данного устройства и не используются как сигнально-управляющие цепи, при обязательном описании параметров этих цепей в технической документации. Такое упрощение УГО связано с тем, что в устройствах, содержащих большое количество ОУ, принципиальные электрические схемы становились неудобочитаемыми, а цепи питания, в то же время, не несли полезной информации о различных преобразованиях сигнала и только загромождали схему. На современном этапе УГО операционного усилителя унифицировано с УГО цифровых микросхем и представляет собой прямоугольник (рис.1.1,г). Входы находятся слева. На левом поле УГО операционного усилителя находится треугольник – общий знак усилителя, и знак бесконечности – знак операционного усилителя. На правом поле УГО находятся выводы выхода, цепей питания и вспомогательных цепей. Современным стандартом также допускается упрощенное УГО операционного усилителя (рис.1.1,д). При обозначении ОУ на схемах инвертирующий и неинвертирующий входы можно менять местами, если так удобнее, однако, традиционно инвертирующий вход изображается вверху, а неинвертирующий – внизу. Выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху, отрицательный – внизу). В общем случае к реальному ОУ приложено +UП и –UП. Как правило, эти два питания равны по величине и составляют несколько вольт. Типичные значения 3, 5, 6, 12, 15 В. К ОУ на оба входа прикладывается напряжение U1 и U2 между входом и землей. При этом на выходе образуется некоторое напряжение UВЫХ. Операционный усилитель характерен тем, что выходное напряжение UВЫХ пропорционально разности потенциалов на входах, а именно  , (1)где  – это потенциал входа со знаком «+» – это потенциал входа со знаком «-».Поскольку    (2)Сравнивая выражения (1) и (2) получаем, что  , (3)где K – коэффициент усиления напряжения. Формула (3) – основная формула ОУ. Типичные значения коэффициента усиления напряжения для ОУ без цепей обратной связи находятся в пределах 104 – 106. На протяжении многих лет в результате многих экспериментов была выработана типовая схема универсального ОУ состоящего из двух каскадов, модель которого показана на рис.1.2.
– дифференциального усилителя ДУ; – согласующего каскада СК; – усилителя амплитуды УА; – двухтактного выходного эмиттерного повторителя ЭП; – устройства задания тока УЗТ. Дифференциальный усилитель должен обеспечить: – малые дрейфы при усилении сигналов; – малые входные токи; – высокое входное сопротивление; – высокий коэффициент усиления по напряжению. Малый дрейф ДУ (транзисторы VT1 и VT4) обеспечивается самой схемотехникой дифференциального усилителя и различными мерами, обеспечивающими одинаковость параметров ДУ и температур его транзисторов. Малые входные токи ДУ обеспечиваются заданием значения тока I0 малой величины (десятки–сотни микроампер). Эта мера позволяет снизить входные токи усилителя и повысить входное сопротивление, но ухудшает частотные свойства ДУ. Высокий коэффициент усиления ДУ обеспечивается динамической нагрузкой в виде токового зеркала, выполненного на транзисторахVT2 и VT5. Согласующий каскад(транзистор VT7) предназначен для согласования низкого входного сопротивления усилителя амплитуды с высоким выходным сопротивлением дифференциального усилителя. Он должен обеспечить собственное высокое входное сопротивление и низкое выходное. Усилитель амплитуды (транзисторы VT8 и VT9) предназначен для обеспечения дальнейшего усиления сигнала по напряжению и обеспечения максимальной неискаженной амплитуды сигнала. В лучшем случае значение амплитуды выходного сигнала должно достигать значения напряжения питания (UВЫХUП). Применение динамической нагрузкой на транзисторе VT9 позволяет улучшить оба названных параметра. Двухтактный выходной эмиттерный повторитель (транзисторы VT10 и VT11) предназначен для обеспечения высокой нагрузочной способности операционного усилителя. Устройство задания тока (токовое зеркало на транзисторах VT3, VT6 и VT8) предназначено для задания режима работы операционного усилителя. Оно обеспечивает задание тока для дифференциального усилителя (VT3) и реализует динамическую нагрузку усилителя амплитуды (VT8). Коррекция частотной характеристики формируется при помощи интегрального корректирующего конденсатора СК, сформированного непосредственно на кристалле ИМС. Модель двухкаскадного ОУ, показанная на рис.1.2, содержит 11 транзисторов (реальные ОУ содержат большее количество транзисторов). В интегральной схемотехнике пассивные элементы – резисторы и конденсаторы, занимают на кристалле полупроводника площадь в десятки и сотни раз большую, чем активные элементы. Для экономии площади кристалла и улучшения усилительных свойств схемы в цепях смещения, нагрузки и связи применяют активные элементы (например, динамическая нагрузка, источники тока и др.). Основные параметры ОУ Операционный усилитель является сложным электронным устройством, правильное применение которого зависит от понимания особенностей его работы и знания основных требований, которых он предъявляет к схемам разрабатываемого электронного устройства. Для описания свойств ОУ используются следующие основные характеристики, которые можно разделить на следующие группы. Входные параметры, определяемые свойствами входного дифференциального каскада – напряжение смещения (Uсм) – напряжение, которое необходимо приложить между входами ОУ для получения нуля на выходе ОУ. – средний входной ток (Iвх) – среднее арифметическое значение входных токов, измеренных при таком входном напряжении, при котором выходное напряжение ОУ равно нулю. – разность входных токов (Iвх) – абсолютное значение разности токов двух входов усилителя, измеренных тогда, когда напряжение на выходе ОУ равно нулю. – температурный дрейф входного тока (Iвх/T) – коэффициент, равный отношению максимального изменения входного тока ОУ к вызвавшему его изменению окружающей температуры. Температурный дрейф входных токов приводит к дополнительной погрешности. Значения температурных коэффициентов входного тока и разности входных токов ОУ приводятся в справочных данных усреднёнными в определенном температурном диапазоне. Так как входные токи ОУ являются базовыми токами входных транзисторов, то их значение и дрейф зависят также от коэффициента усиления транзистора по току  . Учитывая, что временной дрейф транзистора сравнительно велик, то и значение временного дрейфа входных токов ОУ сравнительно велико.– входное сопротивление (Rвх) – сопротивление одного из входов ОУ, в то время как другой вход закорочен. Это сопротивление также называют входным сопротивлением для дифференциального сигнала. – входное сопротивление для синфазного сигнала (Rсф) – величина, равная отношению приращения синфазного входного напряжения к приращению среднего входного тока ОУ (Rсф обычно на 1-2 порядка больше Rвх). – максимальное входное дифференциальное (Uвх.д.max) и синфазное (Uвх.сф.max) напряжения. Передаточные параметры – коэффициент усиления (KUОУ) – отношение приращения значения выходного напряжения к вызвавшему его изменению дифференциального входного напряжения (сигнала). – коэффициент ослабления синфазного сигнала (Кос.сф) – отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала KUОУ к коэффициенту усиления синфазного сигнала Ку.сф (Ку.сф определяется как отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению синфазного входного сигнала). Следовательно, при подаче одинакового сигнала на оба входа выходные сигналы вычитаются. Если бы оба входа были совершенно симметричными, результирующий сигнал на выходе был бы равен нулю. Вследствие некоторой ассиметрии выходной сигнал отличается от нуля, но он значительно меньше, чем входной. Кос.сф обычно выражается в децибелах, Kос.сф=20lg(KUОУ/Kу.сф). – частота единичного усиления (fед) – частота, на которой модуль коэффициента усиления ОУ равен единице. Частота единичного усиления при 100%-ной ООС с цепями коррекции частотной характеристики ОУ называется частотой среза (fср).
Таким образом, для того чтобы сделать выходное напряжение равным нулю, необходимо подать на вход операционного усилителя некоторую разность напряжений. Эта разность напряжений называется напряжением смещения нуля U0. Оно составляет обычно несколько милливольт и во многих случаях может не приниматься во внимание. Когда же этой величиной пренебречь нельзя, она может быть сведена к нулю. Поэтому во многих интегральных операционных усилителях предусмотрены специальные клеммы. После устранения напряжения смещения нуля остаются только его возможные изменения в зависимости от времени, температуры и напряжения питания: Выходные параметры, определяемые свойствами выходного каскада ОУ – выходное сопротивление (Rвых) – отношение приращения выходного напряжения ОУ к вызвавшей его активной составляющей выходного постоянного или переменного тока. – максимальный выходной ток (Imax.вых) – предельная амплитуда выходного тока, который может быть дан в нагрузку. – максимальная мощность рассеивания (Рмакс) – максимально допустимая мощность, которая может быть рассеяна ОУ при наличии входного напряжения и подключенной нагрузке. – максимальное выходное напряжение (Uвых.max) в диапазоне линейного усиления. Для большинства типов ОУ величина Uвых.max=10 В. 2. Разновидности операционных усилителей Существует широкий набор схем, для успешной работы которых параметр какой-либо характеристики ОУ должен быть приближен к идеальному значению. В этом случае ОУ, как правило, свое название носит по названию этой характеристике. К таким ОУ относятся: – прецизионные ОУ – ОУ с малыми дрейфами и высоким коэффициентом усиления по напряжению; – мощные ОУ – ОУ с высоким значением выходного тока (до 10 А); – микромощные ОУ – ОУ с малым током потребления; – высоковольтные ОУ – ОУ на высокое напряжение питания (до 100 В); – ОУ с высоким входным сопротивлением (до 109 Ом); – быстродействующие ОУ (до 1000 В/мкс); – широкополосные ОУ (граничная частота до 1000 МГц); – с выходным напряжением “от шины до шины” (UВЫХUП). Остальные характеристики таких ОУ имеют, как правило, значения универсального ОУ. Таблица 2.1
В таблице приведены сокращения: – Ид. – идеальный ОУ; – Ун. (БТ) – универсальный ОУ с биполярными транзисторами на входе; – Ун. (ПТ) – универсальный ОУ с полевыми транзисторами на входе; – Пр. – прецизионный ОУ; – ММ – микромощный ОУ. 3. Схемотехника операционного усилителя
В интегральную схему ОУ впервые были введены два интегральных транзистора p–n–p структуры, которые удалось выполнить почти без изменения технологического процесса. Транзистор VT12 имеет боковую структуру, коэффициент его усиления по току не превышает 2, но такое значение в данной схеме оказалось достаточным. В предвыходном транзисторе VT12 (коэффициент усиления по току около 20) в качестве коллекторной области используется p–подложка, т.е. он имеет вертикальную структуру. Применение этих транзисторов p–n–p структуры значительно упростили схему ОУ. Входной дифференциальный каскад построен по схеме с резистивными нагрузками относительно небольшого номинала (транзисторы VT1VT4 и резисторы R1R3). Транзисторы входного ДУ работают в режиме микроамперных токов эмиттеров, что позволяет получить высокое входное сопротивление ОУ. Ток первого каскада задается генератором стабильного тока (транзистор VT3) на уровне I0=40 мкА. Таким образом, при сопротивлении резисторов R1 и R3 равном 25 кОм и поправочном коэффициенте m=1,5, дифференциальный коэффициент усиления по напряжению первого каскада  .Входное дифференциальное сопротивление ОУ, определяемое первым каскадом  кОм.Номиналы резисторов R1 и R3 ограничены размерами подложки и за счет них увеличить значение kU1 нельзя. Поэтому требуется использовать полный дифференциальный коэффициент усиления первого каскада (симметричный выход). Нагрузка, подсоединяемая к нему, должна быть хорошо сбалансированной. Исходя из этих предпосылок, схема второго каскада также выбрана балансной – это дифференциальный усилитель на транзисторах VT6VT7 и VT9VT10. Каждое плечо второго дифференциального каскада имеет модифицированную схему Дарлингтона, обеспечивающую входное сопротивление RВХ2 не менее 200 кОм. Этим самым слабо шунтируются нагрузки коллекторов дифференциального усилителя первого каскада (R1=R3=25 кОм). Коэффициент межкаскадного согласования при этом для каждого плеча  .Суммарный ток эмиттеров составных усилительных транзисторов второго каскада (VT6VT7 и VT9VT10) в номинальном режиме составляет 0,6 мА, поэтому (при R7=R8=10 кОм) коэффициент усиления второго каскада  .Второй каскад ОУ симметрично нагружен на два эмиттерных повторителя (транзисторы VT2 и VT11). Транзистор VT2 работает в схеме выделения полного дифференциального сигнала. С эмиттера транзистора VT11 выходной сигнал поступает на схему сдвига уровня (транзистор VT12). Схема сдвига уровня необходима для согласования постоянного потенциала на выходе второго дифференциального усилителя (+11 В) с постоянным потенциалом на входе усилителя амплитуды (‑14 В). Коэффициент передачи схемы сдвига уровня по переменному току ССУ можно принять равным 0,9. Каскад усиления амплитуды (транзистор VT13 и резистор R15) построен по схеме с ОЭ. Для повышения нагрузочной способности ОУ снабжен двухтактным эмиттерным повторителем на транзисторах VT14VT15. Для стабилизации коэффициента усиления и снижения нелинейных искажений выходного каскада, работающего в режиме В, усилитель амплитуды с выхода эмиттерного повторителя через резистор R14 охвачен цепью отрицательной обратной связи. Коэффициент усиления по напряжению этого каскада определяется соотношением резисторов R14 и R13  .Таким образом, коэффициент усиления по напряжению ОУ типа 153УД1 составляет  .Полученное значение коэффициента усиления в большинстве случаев применения ОУ отвечает требованию кU0. К данному ОУ для обеспечения нормального режима работы следует подключить значительное число внешних обслуживающих элементов. Во-первых, это цепи коррекции амплитудно-частотной характеристики, предназначенные для обеспечения устойчивой работы усилителя. Для этих целей в микросхеме предназначены выводы К1, К2 и К3. Во-вторых, это отсутствие каких-либо цепей, предназначенных для балансировки ОУ (компенсации напряжения смещения). В результате эти цепи необходимо реализовывать внешними элементами. В-третьих, у данного операционного усилителя отсутствуют цепи защиты выходного каскада от короткого замыкания, что не позволяет ему длительно работать на большую емкостную нагрузку и сильно ограничивает возможности его эксплуатации. Преобразователи напряжение–ток Промышленностью выпускаются операционные усилители с токовым выходом, которые, по сути, являются преобразователями напряжение-ток (ПНТ). Область применения их достаточно широка – модуляторы, регулируемые сопротивления, управляемые генераторы, перестраиваемые фильтры и т.д. В частности, ПНТ можно использовать как высококачественный умножитель низкочастотных сигналов в схемах регулировки усиления. Функциональная схема ПНТ (ОУ) 1427УД1 (зарубежный аналог NE5517, LM13600, LM13700), поясняющая принцип регулирования уровня сигнала, представлена на рис.3.3.
Входной сигнал поступает на базы транзисторов дифференциального каскада VT1VT2 в виде напряжения UВХ и выходит на выходе – коллекторах транзисторов VT8VT10 – в виде тока IВЫХ. Подача потенциала UУПР на вход токового зеркала VT3VT4 изменяет ток дифференциального каскада, который задает режим по постоянному току всего устройства и тем самым меняет величину амплитуды выходного тока при неизменной величине входного напряжении. Выходной ток IВЫХ, протекая по нагрузочному сопротивлению RН, создает выходное напряжение UВЫХ. Для согласования с нагрузкой применяется буферный усилитель на ОУ DA. Заключение. Подведение итогов занятия. Доведение оценок с указанием курсантов, которые работали активно, и тех, кто работал слабо. На самоподготовке необходимо еще раз внимательно повторить вопросы лекции. Задание на самоподготовку: Выяснить, за счет каких свойств ОУ находят все большее применение в технике. подполковник А.Петухов (воинское звание, подпись, инициал имени, фамилия автора) «_____» ___________ 2022 г. |
