Основы электротехники. Учебник для высшего профессионального образования вт. Еременко, А. А. Рабочий, А. П. Фисун и др под общ ред вт. Еременко. Орел фгбоу впо Госуниверситет унпк, 2012. 529 с
 Скачать 7.28 Mb.
|
|
15.5. Некоторые схемные решения, используемые в ДУ С целью улучшения свойств ДУ используют схемные решения, которые часто встречаются в схемах усилительных каскадов интегральных элементов. Одно из таких решений – генератор стабильного тока (ГСТ) (рис. 15.13), использованный в схеме ДУ, показанной на рис. 15.11. Рис. 15.13. Расчетная схема ГСТ Для определения свойств ГСГ используем уравнение баланса напряжений в контуре А U бэ3 + I 3 R 3 = I 1 R 2 + U бэ4 . Током, ответвляющимся в базу VT 3 , пренебрегаем. В этом случае I 1 =I 1 , а входной ток эра- вен току Учитывая, что I 3 ≈ э, определим величину тока э э =[I 1 R 2 +(U бэ4 - U бэ3 )] / R 3 (15.12) Если U бэ3 = U бэ4, то э = I 1 R 2 / Е + R 2 )]* R 2 / R 3 (15.13) Если Е стабильно и R 1 , R 2 , R 3 – точные, то э =Const независимо от сопротивления той части схемы ДУ, откуда он вытекает но обязательно при её наличии. В интегральных схемах ОУ широко используются ГСТ, называемые токовым зеркалом. Некоторые из этих схем показаны на рис. 15.14 – 15.16. Рис. 15.14. Схема токовое зеркало на биполярных транзисторах p-n-p Для схемы справедливы уравнения I 1 = к + I бз1 + I бз2 = (l+h 21,1 ) ∙I бз1 + I бз2 , к = h 21,2 ∙I бз2 , к / к = [(l+h 21,1 ) ∙I бз1 + I бз2 ] / h 21,2 ∙I бз2 (15.14) Если I бз1 = I бз2 , что может быть лишь при идентичных транзисторах, и h 21,1 = h 21,2 >> 1, ток Ток вцепи резистора з определяется напряжением п I 1 п – U бэ ) / за ток к практически не зависит от сопротивления резистора н (это свойство генератора тока. Равенство I 1 = коп- ределило название схемы – токовое зеркало. На транзисторах c проводимостью типа р схема токовое зеркало будет иметь вид см. рис. 15.15). Рис. 15.15. Токовое зеркало на транзисторах р Для схемы справедливы уравнения к = h 21 ∙ I бз1 ; I 1 = к + 2I бз1 , так как I бз1 = I бз2 потому что U эб1 = U эб2 ; I 2 = h 21 ∙ I бз2 = h 21 ∙ I бз1 ; I 1 = (Е – U эб1 ) / R н Определяем отношение токов, подставляя их значения I 2 / I 1 = h 21 ∙ I бз1 / (к + 2I бз1 ) = h 21 / (2 + h 21 ) ≈ 1. (15.15) При достаточно больших значениях ни Е получим Е, что соответствует свойству токового зеркала. Улучшенный вариант схемы рис. 15.14 показан на рис. 15.16. Рис. 15.16. Улучшенный вариант токового зеркала Основное уравнение для схемы рис. 15.16 имеет вид н = к+ +I бз1 + I бз2 - I бз3 Если R зд >> н, транзисторы идентичны и работают в линейном режиме, I бз1 << кто к = каток нагрузки н практически не зависит от величины сопротивления R н Токовое зеркало – динамическая нагрузка ДУ В схеме дифференциального усилителя (ДУ) на место резисторов включены транзисторы VT 3 , VT 4 по схеме токовое зеркало (рис. 15.17). Такое включение называют динамической нагрузкой. Это схемное решение позволило существенно улучшить технологичность многих интегральных схем. По свойству токового зеркала при идентичности параметров транзисторов в схеме соблюдается равенство к к. Ток в нагрузке (резисторе н) определяется соотношением н = к – I к2 (рис. 15.17). Рис. 15.17. Схема ДУ с динамической нагрузкой В режиме покоя (е г =0, U вх =0) для дифференциальной схемы справедливо следующее соотношение токов I к1 =I к4 = к э э э Если на вход подаётся усиливаемый сигнал (е г ≠ 0), создающий ток I вх в базовых цепях входных транзисторов, например, показанного на схеме направления, тов коллекторных токах появляются приращения к = э / 2 + h 21 ∙ I вх ; к = э / 2 - h 21 ∙ I вх Учитывая, что к = к, получим выражения для выходных величин н = к – к = 2 h 21 ∙ I вх ; U вых =2 h 21 ∙ I вх ∙ н (15.16) Если изменится полярность входного тока, изменится знак U вых Коэффициент усиления напряжения определится соотношением U вых /е г = 2 h 21 ∙ н / (R r + 2 h 11 ), (15.17) где R r – внешнее сопротивление вцепи базы транзистора Выражение (15.17) показывает, что коэффициент усиления схемы K U пропорционален сопротивлению резистора нагрузки R н Составные транзисторы В усилительных схемах, в том числе и дифференциальных, часто используются так называемые составные транзисторы, представляющие собой два или более транзистора, сблокированные водно целое, имеющее три вывода. Простейшие схемы составных транзисторов представлены на рис. 15.18. Рис. 15.18. Схемы составных транзисторов Схема а (см. рис. 15.8) имеет следующие значения h- параметров h 11 =h 11э1 +h 11э2 (э h 21 =h 21э1 +h 21э2 (1+h 21э1 ); h 12 = э h 22 = э. Схема имеет большое входное сопротивление и большой коэффициент усиления базового тока. В схеме б, называемой каскодной, h 11 = э h 12 = h 12э1 ∙h 12э2 ; h 22 = б h 21 = э б ≈ э. Здесь h 12 ≈ 0, поэтому схема имеет улучшенные частотные свойства (расширенную полосу пропускания. 16. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ 16.1. Общие сведения Операционный усилитель (ОУ) – это усилитель постоянного тока, имеющий большой коэффициент усиления в широком диапазоне частот (от 0 до десятков МГц, выполненный по интегральной технологии. ОУ позволяет реализовать усилительные устройства, приближающиеся по свойствам к идеальным усилителями поэтому относится к универсальным электронным схемам, на основе которых строят разнообразные функциональные узлы. Из теории усилителей известно [44], что при достаточно большом собственном коэффициенте усиления усилительного элемента свойства усилительного каскада, охваченного цепями внешних обратных связей, определяются свойствами этих связей. На основе ОУ выбором элементов цепей обратных связей можно обеспечить выполнение различных математических операций с аналоговыми сигналами сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование, логарифмирование, усреднение и др. Особенности схемотехники ОУ определяются тем, что в его схеме используются лучшие схемные решения усилительных устройств на входе ОУ – дифференциальный усилительный каскад, используются динамические нагрузки, схемы источников тока, токовое зеркало, эмиттерные повторители на выходе (рис. 16.1) Рис. 16.1. Упрощенная структурная схема ОУ (пример) В схемах ОУ изображают либо прямоугольником, либо треугольником с указанием входов и выхода, как показано на рис. 16.2. Рис. 16.2. Изображения ОУ: FC – выводы для частотной коррекции, NC – выводы для коррекции нуля Характерной особенностью ОУ является то, что входные сигналы подаются относительно одной общей для входа и выхода точки (шины, которая непосредственно связана с общей точкой двух последовательно соединенных источников питания. Эта точка может не выводиться из корпуса микросхемы, а образована внешними цепями. ОУ имеет два входа, один из которых называется инвертирующим, а другой неинвертирующим (инвертирующий вход помечают кружком. Часто эти входы называют соответственно инверсными прямым. Выводы для коррекции у современных ОУ могут отсутствовать. 16.2. Идеальный ОУ Основные принципы работы устройств, построенных на основе ОУ, базируются на понятии « идеальный ОУ» [12], те. виртуальный ОУ, для которого приняты следующие допущения собственный коэффициент усиления К ∞, входное сопротивление R вх = ∞, выходное сопротивление R вых = 0, полоса пропускания ∆f = (0- ∞) Гц, отсутствуют дрейф и шумы (при U вх =0, U вых =0). С учетом принятых допущений найдем основное уравнение для идеального ОУ. Для этого составим систему уравнений для схемы, показанной на рис. 16.3. Рис. 16.3. Расчетная схема для идеального ОУ Примем разность потенциалов между входами равной нулю, тогда U вх1 - U вх2 - I 1 Z 1 = 0; U вх1 - U вых - I 2 Z 2 - I 1 Z 1 = 0; I 1 = (U вх1 - U вх2 Учитывая, что I 1 = I 2 , получим U вых = -U вх1 Z 2 / Z 1 + U вх2 (1 +Z 2 /Z 1 ). (16.1) Уравнение (16.1) позволяет получить соотношения между входными и выходным сигналами для частных случаев а) U вх1 = 0, U вых = U вх2 (1+ Z 2 / Z 1 ) – неинвертирующее включение ОУ; б) U вх2 = 0, U вых = – U вх1 Z 2 /Z 1 – инвертирующее включение ОУ; в) Z 2 = 0 , U вых = U вх2 , – ОУ включен по схеме повторителя напряжения Схемы подключения входных сигналов на входы ОУ для перечисленных случаев показаны на рис. 16.4. Рис. 16.4. Неинвертирующее включение (а инвертирующее включение (б повторитель напряжения (в Выбирая различные виды входных элементов и обратных связей ОУ, можно строить различные функциональные узлы. Широко распространены сумматоры (вычитатели) аналоговых сигналов, интеграторы, дифференциаторы и др. Структурные схемы таких устройств показаны на рис. 16.5. Рис. 16.5. Сумматор (вычитатель) напряжений (1); интегратор входного напряжения (2); дифференциатор входного напряжения (3) Уравнения, связывающие входные и выходные напряжения для схем, изображенных на рис, имеют следующий вид Схема 1: U вых = –R 4 [(U 1 / R 1 ) – (U 2 / R 2 ) + (U 3 / R 3 )] ; Схема 2: U вых = – и ∫ U вх dt, где Т и – постоянная времени интегрирования, Т и = R 1 C 1 ; Схема 3: U вых = - T д *dU вх /dt, где Т д – постоянная времени дифференцирования, Т д = Уравнения, характеризующие свойства схем с ОУ, охваченными различного рода цепями обратных связей, имеют несложный вид только в том случае, если принимается предположение, что ОУ идеален. В практических уточняющих расчетах схем с применением ОУ часто используют схемную модель ОУ (схему замещения, в которой можно учесть реальные входное и выходное сопротивления ОУ, влияние величины и несимметрии входных токов, напряжение смещения нуля. Один из простых вариантов схемы замещения ОУ [12] показан на рис. 16.6. Рис. 16.6. Схема замещения ОУ для малых сигналов (вариант) В схеме замещения обозначено д дифференциальное напряжение, которое усиливается в схеме, причем д U вх1 – U вх2 +U см ; д – дифференциальное входное сопротивление К – собственный коэффициент усиления см напряжение смещения входа. Наличие входных токов по каждому входу имитируется двумя источниками тока I вх- , I вх+ . 16.3. Основные параметры и характеристики ОУ Различают входные, выходные характеристики и параметры и характеристики передачи. 1. Входные параметры 1.1 Напряжение смещения нуля см – это напряжение на выходе ОУ при нулевом входном сигнале, деленное на коэффициент усиления см = U вых / K, U вх = 0. 1.2 Входные токи – обусловлены конечным значением входных сопротивлений ОУ. Входные токи ОУ обеспечивают нормальную работу входного дифференциального каскада. Если этот каскад выполнен на полевых транзисторах, то входные токи столь малы, что сравнимы стоками различных утечек. Однако если источники входного сигнала, подключенные к входам ОУ, имеют разные внутренние сопротивления, то между входами образуется нежелательная разность потенциалов, которая после усиления появится на выходе. Поэтому резисторы, подключаемые к входам ОУ, следует по возможности выбирать с одинаковыми сопротивлениями. 1.3 Разность входных токов – образуется по приведенным выше причинами может иметь любой знак. 1.4 Входные сопротивления дифференциальное и синфазное. Дифференциальное входное сопротивление – это полное входное сопротивление со стороны любого входа при условии, что второй вход соединен с общим выводом схемы. Значение этого сопротивления от десятков кОм до сотен Мом. Входное синфазное сопротивление характеризует изменение среднего входного тока при приложении к входам ОУ синфазного напряжения. Синфазное сопротивление на несколько порядков выше сопротивления для дифференциального сигнала. 2. Коэффициент ослабления синфазного сигнала К олсф = U вхсф / U вхдиф при U выхсф = U выхдиф , это отношение напряжения синфазного (поданного на оба входа одновременно) сигнала к дифференциальному входному напряжению, которое обеспечило бы на выходе такой же сигнал, как ив случае подачи синфазного напряжения. Так как U вых = К (U вхдиф + +U вхсф /К олсф ), то ясно, что К олсф характеризует диапазон синфазного напряжения, при котором работа ОУ не нарушается. 3. Температурные дрейфы по напряжению – U cм /Град, потоку I вх /Град важны для особо точных (прецизионных) ОУ, оцениваются в мкВ/Град ив нА/Град. 4. Напряжение шумов, приведенное к входу, – это действующее значение U вых при нулевом входном сигнале и нулевом внутреннем сопротивлении источника сигнала, деленное на коэффициент усиления ОУ: U швх = U швых /К. Шумы оценивают в определенной полосе частот входного сигнала, поэтому размерность оценки шума имеет вид нВ/√Гц. Иногда в технических данных ОУ приводят значение коэффициента шума в дБ, как отношение мощностей приведенного шума ОУ к мощности шума внутреннего сопротивления (активного) источника, с помощью которого измеряют шумовые характеристики. 5. Коэффициент влияния нестабильности источника питания – это отношение приведенного к входу изменения выходного напряжения ОУ к вызвавшему его изменению питающего напряжения Кв ∆ см ∆U пит , [мкВ/В]. 6. Выходные параметры 6.1 Выходное сопротивление (указывается в паспортных данных) – это измеренное со стороны выходного зажима ОУ активное сопротивление Выходное напряжение и выходной максимально допустимый ток – эти параметры указываются при определенной (допустимой) величине сопротивления нагрузки 7. Характеристики передачи 7.1 Коэффициент усиления по напряжению К 7.2 Частота единичного усиления f 1 – частота входного сигнала, при которой модуль коэффициента усиления ОУ равен 1. Часто указывают граничную частоту, под которой подразумевается частота, до которой ОУ обеспечивает гарантируемое значение коэффициента усиления 7.3 Допустимая скорость нарастания напряжения – это максимальная скорость изменения выходного напряжения при максимальном значении его амплитуды, В/мкс; 7.4 Время установления выходного сигнала – время, за которое выходной сигнал нарастает от 0,1 до 0,9 амплитудного значения 7.5 Время восстановления – время возврата из режима насыщения. Амплитудная характеристика. Обычно амплитудная характеристика представляет собой зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного сигнала. Согласно такому определению ОУ будет иметь две характеристики для инвертирующего и неинвертирующего входов. Вид характеристик показан на рис. 16.7. Рис. 16.7. Амплитудные характеристики ОУ: 1 – по неинвертирующему входу 2 – по инвертирующему входу, 3 – по неинвертирующему входу при наличии смещения нуля Следует учитывать, что масштабы напряжений имеют разные значения по горизонтальной оси – мВ, по вертикальной оси – В, а также то, что в ОУ максимальное U вых не может превышать напряжение источника питания. 9. Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики (АЧХ и ФЧХ) (рис. 16.8). Рис. 16.8. Характеристики ОУ: АЧХ (а, ФЧХ (б) АЧХ показывает зависимость коэффициента усиления ОУ от частоты входного сигнала. ФЧХ показывает зависимость угла сдвига фаз входного и выходного сигналов от частоты входного сигнала. Наличие указанных характеристик обусловлено тем, что в схеме ОУ всегда имеются паразитные емкости и индуктивности, вносящие сдвиги фаз в сигналы в процессе их усиления. При этом с ростом частоты коэффициент усиления падает, а фазовый сдвиг увеличивается. Если фазовый сдвиг достигает значения 2π, то отрицательная обратная связь превращается в положительную, усилитель превращается в генератор беспорядочных колебаний (возбуждается, теряет устойчивость работы, а, следовательно, и усилительные свойства. На риса по вертикальной оси откладывается значение модуля коэффициента усиления ОУ (обычно в дБ, по горизонтальной оси отложены значения частот, как правило, в логарифмическом масштабе. Характерные точки АЧХ показывают диапазоны частот, в которых происходит изменение модуля коэффициента усиления f ср1 , f ср2 , f ср3 – частоты среза – это частоты, при которых происходит заметное уменьшение коэффициента усиления f пп – частота полосы пропускания – показывает диапазон частот, в котором модуль коэффициента усиления уменьшается от максимального значения не более, чем на 3 дБ f 1 – частота единичного усиления – частота, при которой входной сигнал уже не усиливается. На логарифмических АЧХ (ЛАЧХ) участки характеристики показывают отрезками прямых линий, имеющих наклон, соответствующий скорости изменения модуля коэффициента усиления ОУ при изменении частоты входного сигнала (риса. Фазочастотная характеристика на рис, б представлена для случая, когда входной сигнал подан на инвертирующий вход, поэтому начальное значение угла сдвига фаз Ψ = 180º. По мере роста частоты угол сдвига фаз увеличивается, достигая при некоторой частоте значения 360º , что приводит к потере устойчивости работы ОУ. С целью недопущения таких режимов производят частотную коррекцию характеристик при изготовлении ОУ (внутренняя коррекция, либо делают специальные контактные выводы в микросхеме ОУ для подключения корректирующих конденсаторов (внешняя коррекция. Коррекцией добиваются желательного изменения АЧХ и ФЧХ в заданном диапазоне частот усиливаемого сигнала. Особого внимания заслуживает случай, когда нагрузка ОУ носит емкостный характер, так как емкость вносит дополнительный сдвиг фаз в усилительный тракт, который может привести к самовозбуждению схемы. С целью предотвращения самовозбуждения в цепь отрицательной обратной связи ОУ обычно включают дополнительные конденсаторы для коррекции ФЧХ и АЧХ. |