Дифференциальные усилительные каскады

Выходные каскады усиления напряжения работают на нагрузку, где нужно обеспечить максимальный размах (например, пластины электронно-лучевой трубки), поэтому качество каскада определяется величиной выходного напряжения (в данном случае).

Если плечи V₁ и V₂ симметричны, то через резистор Rэ не протекает переменная составляющая тока, поэтому отсутствует последовательная ООС по току через Rэ. В этом случае можно не ставить емкость Сэ. При симметричных плечах расчет ведется на одно плечо, как для обычного каскада с ОЭ, но при расчете смещения следует учитывать, что , потому что через Rэ протекают токи обоих плеч. В случае несимметричных плеч смещение для первого плеча рассчитывается по формуле , а для второго (так как транзисторы V₁ и V₂ имеют разные рабочие точки).

При выборе транзистора помимо условия должно выполняться равенство , где Uр - ”раствор” выходной характеристики. Для симметричных плеч .

Раствор характеристики - весь активный участок от области насыщения до области отсечки. Выходной каскад работает при больших амплитудах, поэтому транзистор должен обеспечивать запас в 30-50 % выходного напряжения. Иначе возможны нелинейные искажения.

При расчете верхней граничной частоты надо учитывать, что , где и . Выходной каскад нагружен только на резистивную нагрузку.

Каскад стабилен, мало чувствителен к нестабильности коллекторного напряжения. Недостаток - сравнительно малая величина выходного напряжения; для развертки луча электронно-лучевой трубки требуется большой размах напряжения. Поэтому в усилителях приборов используется дифференциальный каскад, в плечах которого стоят каскоды.

Два плеча, в которые включены каскоды: первый каскод, состоящий из транзисторов V₁-V₂, и второй каскод, состоящий из транзисторов V₁'-V₂'. В каждом каскоде один транзистор включен по схеме с ОЭ, другой - с ОБ. Особенность - наличие R_б1 и R_б2. В обычном каскоде нижний транзистор не усиливает, потому что его коллекторной нагрузкой является открытый переход Э-Б верхнего транзистора. Это приемлемо для предусилителя, но не для выходного каскада. Резисторы R_б1 и R_б2 включены в качестве коллекторной нагрузки транзисторов V₁ (V₂), таким образом, “нижние” транзисторы каскода становятся усиливающими. Выходное напряжение каскада .

.

Поскольку каскад выходной, в нем эффективна коррекция высоких частот малой эмиттерной емкостью. и - цепи коррекции высоких частот каждого плеча.

В такой сложной схеме идеальную симметрию плеч обеспечить трудно, поэтому для исключения последовательной ООС по переменному току вводится большая электролитическая емкость Сэ.

Особенности расчета.

Как правило, оба плеча стараются сделать симметричными. Эта симметрия определяется базовыми делителями и , задающими смещение. При симметрии плеч расчет каскада по частоте ведется на один транзистор каскода, а именно на транзистор, включенный по схеме с ОБ.



На входы подаются одинаковые по амплитуде, но разные по фазе напряжения (дифференциальный каскад). Каскад требует удвоенного коллекторного напряжения. Как правило, выходные каскады усиления напряжения и мощности строятся на дискретных корпусных транзисторах, потому что корпус позволяет рассеивать тепло.

Если каскод не обеспечивает необходимого входного напряжения, то применяют схемы типа "бобовый стебель", т.е. в каждом плече можно ставить необходимое количество транзисторов. Соответственно нужно увеличивать напряжение питания.

7.2 Выходные каскады усиления мощности

7.2.1 Условие отдачи максимальной мощности в нагрузку

Упрощенная принципиальная схема. Эквивалентная схема.

Максимальная мощность ; здесь , тогда . Условие отдачи максимальной мощности . Представим , тогда

.

Таким образом, условие отдачи максимальной мощности в нагрузку . В обычном каскаде с ОЭ R_i(10⁴10⁵) Ом, а R_н(110) Ом, поэтому условие не выполняется. Выход из этой ситуации - в трансформаторном включении нагрузки.

7.2.2 Включение нагрузки через выходной трансформатор

R₁-R₂ - омическое сопротивление обмотки (R₂<<R_н). Понижающий трансформатор с коэффициентом трансформации . Условие отдачи максимальной мощности - R₁=R_i. Трансформатор имеет КПД . Мощность, которая передается на вторичную обмотку, , где и . Тогда

.

Условие отдачи максимальной мощности в нагрузку при ее трансформаторном включении - . За счет правильного выбора коэффициента трансформации можно легко обеспечить выполнение этого условия.

Недостатки:

1) через трансформатор протекает ток I_к0 (постоянная составляющая), который подмагничивает сердечник и создает угрозу нелинейных искажений;

2) низкий КПД каскада в режиме А.

Режим А: рабочая точка выбирается на середине активного участка. Режим характеризуется отсутствием нелинейных искажений, неэкономич-ностью (большой ток покоя I_к0).

Режим В: рабочая точка выбирается на границе области отсечки. Режим экономичный (I_к00), но вызывает нелинейные искажения (вторая полуволна будет полностью отсечена).

Режим АВ: рабочая точка выбирается на участке АВ. Режим более экономичен, чем режим А, но вызывает нелинейные искажения.

В приборах контроля не должно быть нелинейных искажений, поэтому используется режим А.

Коэффициент использования транзистора по току (для режима А). Коэффициент использования транзистора по напряжению . Мощность, выделяемая переменной составляющей,

.

Здесь - мощность, отбираемая от источника питания, тогда - КПД каскада. В режиме А он не больше чем 0,25. Для повышения КПД каскада используют двухтактные выходные каскады, в которых каждый из составляющих их транзисторов работает в режиме В и пропускает только одну полуволну, но в целом каскад работает в режиме А, пропуская обе полуволны. Двухтактные каскады применяются при трансформаторном и бестрансформаторном включении нагрузки.

7.2.3 Двухтактные каскады усиления мощности

1. Трансформаторное включение нагрузки.

Каскад имеет два плеча: одно - V₁ с полуобмоткой трансформатора R_I в нагрузке, второе - V₂ с полуобмоткой R_II. Плечи симметричны, оба - каскады с ОЭ. Особенность: транзисторы подключены к трансформатору со средней точкой для обеспечения питания от одного источника. Суммарный ток, намагничивающий сердечник, равен разности , поэтому каскад дифференциальный. Каскад имеет два входа, на которые подаются одинаковые по амплитуде, но разные по фазе сигналы Uвх₁ и Uвх₂, поступающие от фазоинвертора. и - цепи, задающие смещение. Оба каскада работают в режиме В (рабочая точка - на границе области отсечки), что обеспечивает экономичность. Плечи работают тактами:

Каскад с ОЭ инвертирует сигнал. Транзистор n-p-n-типа пропускает первую полуволну и не пропускает вторую. Результирующий сигнал . Через каждое плечо протекает ток в течение полупериода, а через нагрузку - весь период. Таким образом, каждое плечо работает в режиме В, а каскад в целом - в режиме А, что уменьшает нелинейные искажения. Ток покоя близок к нулю, поэтому КПД каскада составляет 70-80 %.

Дополнительные преимущества:

;

(сигнал сдвинут по фазе).

Ограничимся первой гармоникой, так как нет нелинейных искажений. Для симметричных плеч и , тогда результирующий ток в первичной обмотке трансформатора . Отсутствует подмагничивание сердечника постоянной составляющей. В результате выходной трансформатор при достаточно большой мощности может иметь не слишком большие габариты.

Суммарный ток, протекающий через источник питания, , значит, через блок питания не протекает переменная составляющая, которая вызывает неустойчивость усилителя из-за появления паразитной ООС через источник питания. Таким образом, повышается устойчивость каскада. Такой усилитель может обеспечивать выходную мощность 5-6 Вт. При большей, как правило, возникают нелинейные искажения. Нагрузкой может быть обмотка исполнительного элемента (реле, пускатель двигателя и т.п.).

Недостаток - наличие трансформатора, который увеличивает габариты и является источником нелинейных искажений.

2. Бестрансформаторный двухтактный каскад.

Схем бестрансформаторных каскадов очень много, приведем только один пример. Такой каскад стро-ится на так называемой комплементарной паре, т.е. паре транзисторов с разной проводимостью (V₁ - n-p-n-транзистор, V₂ - p-n-p). Комплементарная пара образует плечи, но это не дифференциальный каскад, так как имеется только один вход. "Минус" источника питания заземлен. Каскад V₃ обычно предусилительный. Цепь - делитель, задающий смещение на V₁ и V₂. Смещение выбирается таким образом, чтобы оба транзистора работали в режиме АВ. В точке 1 должно обеспечиваться равенство , тогда диод будет всегда открыт. На вход подается синусоида. Отрицательная полуволна с точки 1 поступает одновременно на V₁ и V₂. Транзистор V₂ открывается, а V₁ закрывается. Ток в нагрузку идет через V₂. Полярность сигнала меняется. В точку 1 приходит положительная полуволна, которая открывает V₁ и закрывает V₂. Ток в нагрузку течет через транзистор V₁. Таким образом, ток в нагрузке течет оба полупериода (нет нелинейных искажений). КПД такого каскада не превышает 60 % (из-за режима АВ). Большие мощности получить не удается.

Если главным является большой ток в низкоомной нагрузке, а вопросы КПД не так существенны, то в качестве выходного каскада можно применять мощный эмиттерный повторитель (как правило, на составном транзисторе). Здесь можно ставить три транзистора и больше. В мощных каскадах их нельзя выбирать одинаковыми: чем “ниже” в схеме транзистор, тем он должен быть мощнее, так как его базовый ток является эмиттерным током “верхнего” транзистора. Крутизна составного транзистора , а выходное сопротивление . Таким образом, крутизна растет, а выходное сопротивление падает. Каскад легко согласуется и передает ток в низкоомную нагрузку. Это менее экономичный каскад, так как должен работать в режиме А (рабочие точки всех транзисторов - на середине активного участка).

7.2.4 Выбор радиатора к транзистору выходного каскада

В мощных выходных каскадах (а иногда и в выходных каскадах усиления напряжения) приходится ставить радиатор для отвода тепла от транзистора.

Нужно решить две задачи:

1) оценить, нужен ли радиатор;

2) выбрать его площадь.

Решаем задачу 1.

Максимальная мощность каскада , где - допустимая мощность рассеяния на коллекторе, - максимальная температура коллектора (справочные величины), - рабочий диапазон температур, при которых эксплуатируется прибор. С другой стороны, ( выбираем, рассчитываем). Формируется таблица, по данным которой строится допустимая линия мощности на выходной характеристике. Возможны варианты, когда линия допустимой мощности

1) пересекает динамическую линию нагрузки;

2) не пересекает ее.

Если допустимая линия мощности пересекает линию динамической нагрузки, то нужен радиатор.

Решаем задачу 2.

Радиатор выбирается в диапазоне площадей S(20200) см². Чем глубже заходит линия мощности под линию нагрузки, тем больше площадь. Площадь больше 200 см² неэффективна, так как увеличения теплопередачи не происходит.

Рассчитываем максимальную мощность с радиатором: , где - тепловое сопротивление радиатора. Снова строим линию допустимой мощности, используя с радиатором. Если она не пересекает динамическую линию нагрузки, значит, радиатор выбран правильно; если пересекает, нужно увеличить площадь радиатора.

8. Интегральная схемотехника

8.1 Основные типы усилителей на ИМС

8.1.1 Линейная усилительная секция

Секция имеет один вход и один выход, может быть одно-, двух- или трехкаскадной. Однокаскадная усилительная секция серии 119УН1А и двухкаскадная К118УН1А были рассмотрены ранее. Примером трехкаскадной усилительной секции является К175УВ1А.

8.1.2 Дифференциальный усилительный каскад

Имеет два входа и два выхода.

Базовая схема.

Эта схема подробно рассмотрена как выходной каскад усилителя напряжения в п.7.1.

Дифференциальный каскад имеет несколько схем включения.

1. Противофазное включение.

Два входа действуют одновременно, на них подаются разнополярные сигналы одинаковой амплитуды. На выходе формируется симметричное напряжение. Схема используется в качестве выходного каскада усиления напряжения.

2. Парафазное включение.

Один источник входного сигнала (второй вход заземлен). Несимметричный вход, симметричное напряжение на выходе. Схема используется в качестве фазоинвертора с усилением.

3. Синфазное включение.



На вход подаются одинаковые по знаку (фазе) сигналы. Плечи симметричны, поэтому одинаковые по фазе и амплитуде выходные сигналы плеч дают разностное нулевое выходное напряжение. Если плечи несимметричны, но , то на выходе будет . Дифференциальный усилитель с синфазным включением используется в качестве схемы сравнения амплитуд сигналов по двум каналам, часто встречается в схемах автоматики.

Синфазная помеха.

При полной симметрии плеч она не возникает, потому что сигналы от плеч компенсируются на резисторе Rэ, нет передачи сигнала от одного плеча к другому через эмиттерную цепь. При отсутствии симметрии плеч ситуация изменяется: в цепи эмиттера возникает разностный сигнал, который передается на соседнее плечо и усиливается. Таким образом, синфазная помеха - это паразитный сигнал, который формируется на выходе одного плеча синфазно с основным напряжением. Этот сигнал складывается с основным, нарушая баланс плеч. Итог: . Выход заключается в том, чтобы уменьшить коэффициент усиления синфазной помехи по сравнению с коэффициентом усиления основного сигнала. Для основного сигнала коэффициент усиления - , для помехи - , так как возникает последовательная ООС по току. Надо обеспечить условие . Можно увеличивать Rэ, но этот путь имеет ограничения: значительное увеличение Rэ вызовет изменение напряжения на транзисторе, который будет работать не в режиме. Следует использовать вместо Rэ динамическое сопротивление транзистора R_i, что реализуется в генераторе стабильного тока.

Рассмотрим схему К118УД1А.

V₁-V₂ - плечи дифференци-ального каскада, V₃-V₄ - генератор стабильного тока. Транзистор V₄ поставлен для термокомпенсации. Используется симметричное коллекторное питание Ек. Цепочка резисторов с выводами 8, 11 и 12 и транзистор V₄ задают смещение на V₃. Заземляя один из выводов, можно изменить величину тока, протекающего через делитель, а значит, и смещение на V₃, которое задает ток ГСТ. Чем больше ток V₃, тем меньше его внутреннее сопротивление. Таким образом, изменяя смещение, можно регулировать величину динамического эмиттерного сопротивления в дифференциальном каскаде, а значит, влиять на коэффициент передачи синфазной помехи.

В итоге схема включения выглядит так:



Через вывод 2 подключается конденсатор большой емкости (С50 мкФ).

Коэффициент ослабления синфазного сигнала - , где - коэффициент усиления синфазной помехи.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала - отношение коэффициента усиления выходного сигнала к коэффициенту усиления синфазного сигнала. К_0сс характеризует качество усилителя. У современных схем К_0сс(80100) дБ.

Дифференциальные каскады применяются самостоятельно для построения качественных усилителей, в том числе многокаскадных. Широкое применение они нашли как составная часть принципиальных схем операционных усилителей.

8.1.3 Операционные усилители

8.1.3.1 Базовая схема

В этой схеме два входа: первый - инвертирующий, второй - неинвертирующий. Связь между плечами осуществляется через общее сопротивление Rэ.

Идеальный операционный усилитель - усилитель, у которого коэффициент усиления и входное сопротивление бесконечно велики, а выходное сопротивление бесконечно мало. Для сильного влияния на входное и выходное сопротивления вводится ООС, поэтому операционные усилители обычно используются как усилители с обратной связью.

Знаком "-" на схеме отмечен инвертирующий вход, "+" - неинвертирующий. Использована параллельная ООС по напряжению. Коэффициент усиления такого усилителя . Если реализуется условие , то коэффициент усиления будет определяться коэффициентом передачи цепи ОС (т.е. навесной цепью).

Рассчитаем величину :

, . При .

Тогда . В условиях, когда , , т.е. коэффициент усиления ОУ не зависит от внутренних элементов схемы, а определяется только параметрами резисторов цепи обратной связи.

При и . Формула для реализуется только при очень высоком коэффициенте усиления (у современных операционных усилителей ). Базовая схема такое усиление обеспечить не может, поэтому для приближения к условиям идеальности схемы операционных усилителей в современной интегральной микроэлектронике строят по следующей блок-схеме:

Здесь ДК - дифференциальный каскад, ОУ - каскад операционного усилителя, ЭП - эмиттерный повторитель.

Дифференциальный каскад и операционный усилитель обеспечивают подъем коэффициента усиления , малое выходное сопротивление обеспечивается эмиттерным повторителем, а большое входное - дифференциальным каскадом, в плечи которого можно поставить полевые или составные транзисторы.

8.1.3.2 Принципиальная схема простейшего операционного усилителя

Рассмотрим схему 140УД1А.

Первый каскад:

- V₁-V₂ - плечи дифференциального каскада;

- V₃-V₄ - ГСТ, который используется в качестве динамической эмиттерной нагрузки, для того чтобы уменьшить синфазную помеху;

- V₄ - транзистор, включенный по схеме термокомпенсации.

Второй каскад: V₅-V₆ - каскад операционного усиления. У него цепь термокомпенсации с транзистором V₄ служат динамической эмиттерной нагрузкой.

Третий каскад:

- V₇ вместе с сопротивлением R - цепь сдвига нулевого уровня;

-V₈-V₉ - эмиттерный повторитель с усилением.

Специальные схемы операционного усилителя.

1. Дифференциальный усилитель, операционный усилитель и эмиттерный повторитель (V₉) - без особенностей.

2. Новая цепь - цепь сдвига нулевого уровня V₇-R. Операционный усилитель - типичный УПТ, поэтому на коллекторе операционного каскада (V₆) - высокое постоянное напряжение, которое подается на эмиттерный повторитель. Если не принять специальных мер, то оно попадает в нагрузку, т.е. без сигнала в нагрузке будет протекать ток. Надо обеспечить условия, чтобы в отсутствие сигнала напряжение на эмиттерном повторителе было нулевым. Цепь сдвига нулевого уровня «гасит» излишнее постоянное напряжение, доводя его до нуля. Можно подобрать режим транзистора V₇ и величину R таким образом, чтобы все излишнее напряжение гасилось на R, а на выходе V₇ формировался нуль. Это простейшая схема сдвига нулевого уровня, часто используются более сложные.

3. На V₉ обычный эмиттерный повторитель, но в нем существует ПОС через V₈, которая не ухудшает устойчивость усилителя, так как сам эмиттерный повторитель имеет стопроцентную ООС. За счет ПОС коэффициент передачи эмиттерного повторителя, состоящего из V₈-V₉, становится равным двум.

4. Диод D заперт, не используется по назначению. В запертом диоде увеличивается емкость перехода, поэтому D - фактически дифференциальная емкость перехода, введенная для повышения устойчивости операционного усилителя.

Определим инвертирующий и неинвертирующий входы:

10 - неинвертирующий;

9 - инвертирующий;

4 - нулевой (на вход 7 подается +Ек, на 1 - -Ек).

Большинство ОУ имеют симметричное питание, поэтому в схеме всегда есть нулевая точка.

12, 2 и 3 - контрольные выводы;

12 - для включения цепи фазовой коррекции, которая повышает устойчивость усилителя;

5 - выход.

Ясно, что такой усилитель не может быть идеальным.

Способы улучшения характеристик ОУ.

1. Повышение входного сопротивления:

- плечи дифференциального каскада можно построить

на полевых транзисторах (но ухудшатся частотные свойства);

на составных транзисторах;

на супер-бета транзисторах (1000), но усилитель будет непригоден для усиления больших сигналов (малые входные токи);

- использовать ГСТ вместо резистора Rэ;

- включить эмиттерный повторитель перед плечами дифференциального каскада (разделительный эмиттерный повторитель).

2. Повышение коэффициента усиления:

- поставить ГСТ вместо коллекторной нагрузки в плечах дифференциального каскада и в каскаде операционного усиления;

- использовать сложные схемы эмиттерного повторителя с усилением;

- применить каскоды в плечах дифференциального каскада.

3. Понижение выходного сопротивления (эмиттерный повторитель V₉ строится на составных транзисторах).

Для пользователя усложнение схем операционных усилителей не повышает трудностей в их применении, поскольку коэффициент усиления зависит от элементов внешней цепи обратной связи.

8.1.3.3 Схемы включения операционных усилителей

1. Операционный усилитель с инвертирующим входом.

Входной сигнал подается на резистор R₁ в цепи обратной связи, и часть его гасится на этом сопротивлении. Нужно выбирать R₁ таким образом, чтобы падение напряжения было не очень большим. , , .

При таком включении входное сопротивление операционного усилителя мало: ; поскольку , . При включении операционного усилителя (ОУ) с инвертирующим входом резистор R₁ шунтирует вход каскада.

2. Операционный усилитель с неинвертирующим входом.



Нет ограничений при выборе R₁, но должно выполняться условие , чтобы не уменьшать коэффициент усиле-ния. При этом , цепь обратной связи не шунтирует вход операционного усилителя. В этой связи включение операционного усилителя с неинвертирующим входом предпочтительнее.

8.1.3.4 Качественные показатели операционного усилителя

1. Коэффициент усиления для любого типа включения.

2. Качественные показатели ОУ, характеризующие несимметрию плеч дифференциального каскада. Как правило, полной симметрии добиться нельзя, , поэтому различают входной номинальный ток (используется в расчетах) и входной ток сдвига . Входной ток сдвига имеет температурный коэффициент , который определяет температурную стабильность операционного усилителя.



Напряжение смещения U_см - виртуальное напряжение, которое следовало бы подать на вход ОУ, чтобы скомпенсировать несимметрию плеч дифференциального каскада. Из-за несимметрии плеч напряжение на выходе ОУ в отсутствие входного сигнала не равно нулю, поэтому на один из входов нужно подать напряжение смещения для установки нуля на выходе.

Способы подачи:

- от отдельного источника питания (не экономично);

- автоматическое (за счет протекания тока через элементы схемы).

Для установки автоматического смещения в цепь одного из входов операционного усилителя вводится резистор смещения R₃. Как правило, R₃R₁. С помощью R₃ устанавливается нуль на выходе ОУ.

3. АЧХ операционного усилителя.

Она строится в двойном логарифмическом масштабе.



1

Далее будет показано, что наклон спадающей части АЧХ характеризует устойчивость ОУ. Операционный усилитель абсолютно устойчив, если наклон составляет 20 дБ/дек. По логарифмической АЧХ находится частота единичного усиления f₁, характеризующая частотные свойства устойчивого ОУ.

Качественные показатели ОУ отличаются от обычных, так как классификация была задана американскими разработчиками.

4. Скорость нарастания выходного сигнала при максимальном входном, .

По наклону характеристики можно судить о скорости нарастания . Фактически характеристика определяет передачу фронта: в случае 1 фронт будет затянут сильнее, чем в случае 2, т.е. .

5. Переходная характеристика - реакция операционного усилителя на единичный импульс ( - амплитуда первого выброса). Характеристика определяет устойчивость ОУ (устойчивость обратно пропорциональна величине первого выброса).

6. Амплитудная характеристика .

Характеристика быстро выходит на насыщение, так называемое "защелкивание" ОУ. Такая выходная характеристика бывает у ОУ без ООС. С отрицательной обратной связью коэффициент усиления намного меньше, выходная характеристика становится линейной.

7. Входное и выходное сопротивления.

Входное сопротивление зависит от способа включения: ОУ с неинвертирующим входом имеет большее входное сопротивление. Выходное сопротивление определяется эмиттерным повторителем. У качественных усилителей R_вых1 мОм.

8. Коэффициент ослабления синфазного сигнала.

Аналогично дифференциальному усилителю коэффициент . В последних поколениях ОУ K_0CC(100120) дБ.

9. Погрешность преобразования сигнала (ошибки ОУ).

Рассчитывается отдельно.

8.1.3.5 Применение операционных усилителей. Схемы включения

1. Схемы для выполнения математических операций.

Схема 1. В цепь обратной связи вместо R₂ включается емкость. Коэффициент передачи .

Умножение на оператор - это операция интегрирования, поэтому такая схема называется интегратор. Если на вход подается прямоугольный импульс, то на выходе будет сильно интегрированный сигнал.

Постоянная времени .

Схема 2. Коэффициент передачи этой схемы .

Умножение на оператор - операция дифференцирования, поэтому схема называется дифференциатор.

Если на вход подать прямоугольный импульс, то на выходе дифференциатора будет два коротких импульса.

Схема 3 (алгебраическое сложение).

. Сложение с весовыми коэффициентами (вес для каждого из слагаемых). Схема широко применяется в автоматике: складывает разные напряжения с учетом их важности.

Существуют также схемы логарифмирования, умножения и т. д. Используются в аналоговых ЭВМ, которые применяются для моделирования относительно медленно протекающих процессов (в электросетях, в гидротехнике). Аналоговые ЭВМ дают точное математическое решение с очень малой ошибкой.

2. Схемы усилителей приборов.

Схема импульсного широкополосного усилителя.

R₂-R₁ - цепь обратной связи, С_с-R₃ - цепь связи с источником сигналов, развязана с генератором по постоянному току. При этом R₃ - резистор смещения, позволяет установить ноль. С - убыстряющая емкость, С100 пФ. При передаче импульса для перепада (фронта) эта емкость представляет собой короткое замыкание, потому что в момент перепада импульса формируется почти стопроцентная ООС. Это расширяет полосу пропускания, и фронт передается без затягивания. Емкость усиливает глубину обратной связи через R₁-R₂.

Схема узкополосного усилителя.

Двойной Т-образный мост.



Этот мост имеет коэффициент передачи . Двойной Т-образный мост - фильтр "пробка". Близкий к идеальному фильтр имеет характеристику, обозначенную пунктиром. При включении фильтра в цепь ООС операционного усилителя . При f<f₀ или f>f₀ =1 и .

В этом случае при f=f₀ коэффициент передачи цепи обратной связи бесконечно мал, т.е. коэффициент усиления резко возрастает: . Качество узкополосного усилителя определяется добротностью на полуширине.

Узкополосные усилители широко применяются для выделения слабых сигналов на фоне шумов в радиотехнике и приборах контроля.

Схема повторителя напряжения.

Простейший повторитель Повторитель со следящей связью

Сравним:

Эмиттерный повторитель: стопроцентная ООС, неинвертирующий сигнал, .

Повторитель напряжения: стопроцентная ООС, сигнал подается на неинвертирующий вход, , высокое входное сопротивление.

Для увеличения входного сопротивления вводится следящая связь: ПОС на фоне стопроцентной ООС. Величина R' по переменному току бесконечно велика (переменная составляющая не протекает через R'), т.е. R' - виртуально большое сопротивление.

Почти все функциональные схемы в микроэлектронике (включая генераторы, если применять ПОС) можно сделать, используя операционные усилители, поэтому операционные усилители - основа современной микроэлектроники.

8.1.3.6 Вспомогательные цепи операционных усилителей

1. Регулировка коэффициента усиления.

Схема 1.

Регулировка усиления осуществляется за счет потенциометрического делителя в цепи входного сигнала (снимается часть входного сигнала). Преимущества: простота, экономичность. Недостаток - часть входного сигнала нерационально гасится на делителе, нужен генератор с большим запасом амплитуды. Кроме того, потенциометр создает дополнительный шум при движении ползунка.

Схема 2.

Регулировка осуществляется изменением глубины ООС. Достоинства: экономичность, широкий диапазон регулировки. Недостатки: изменение глубины ООС влияет на устойчивость усилителя, потенциометр создает шумы.

Схема 3.

Регулировка производится с помощью оптрона - оптоэлектронного прибора на основе пары "светодиод - фотосопротивление". При изменении управляющего сигнала изменяется интенсивность свечения светодиода, а значит, и величина фотосопротивления. Так как фоторезистор включен параллельно R₂, при изменении величины фотосопротивления меняется глубина ООС. Фактически это разновидность схемы 2, но нет потенциометра, создающего дополнительный шум, т.е. схема пригодна для усиления очень слабого сигнала.

2. Цепи защиты.

Защита входа от перегрузок.

Дополнительно включен опорный диод (стабилитрон). Может быть включено несколько диодов в разных направлениях.

Опорный диод имеет ВАХ типа:

При достижении сигналом уровня U_огр фактически происходит пробой, так как при напряжении больше опорного происходит короткое замыкание через низкое сопротивление стабилитрона. Сигнал не достигнет входа усилителя. Так, в частности, осуществляется защита от статического напряжения.

Защита от короткого замыкания на выходе.

Последовательно с нагрузкой включается ограничительное сопротивление.

Защита от неправильного включения источника питания.

Операционный усилитель очень чувствителен к тому, как включен источник питания Ек по полярности.

8.1.3.7 Понятие об активных фильтрах

Фильтр - электронное устройство, которое пропускает определенный диапазон частот. Широко используется в технике.

АЧХ в фильтрах выглядят таким образом:

Фильтр высоких частот (ФВЧ).

Фильтр низких частот (ФНЧ).

Полосовой фильтр.

Заградительный фильтр.

Типы фильтров.

1. Пассивные - фильтры, созданные RCL-цепями. Достоинства: простота, экономичность. Недостатки: в них затухает сигнал, на них влияют сопротивления генератора и нагрузки, изменяя параметры.

2. Активные - фильтры, которые создаются RC-цепями и операционными усилителями. Достоинства: сохраняют и даже усиливают амплитуду сигнала, кроме того, из-за низкого выходного сопротивления операционного усилителя нагрузка не влияет на параметры фильтра, от чего АЧХ фильтра более стабильна.

Активные фильтры бывают первого, второго порядка и т. д.

1. Фильтры первого порядка.

 ФВЧ ФНЧ

Повторители на операционных усилителях, во входной цепи которых RC-цепи с емкостью или сопротивлением на выходе. Такие фильтры имеют

логарифмическую АЧХ со спадом 20 дБ/дек.

Фильтры с подобными характеристиками можно построить на операционных усилителях.

Дифференциатор (ФВЧ) Интегратор (ФНЧ)

Фильтры первого порядка отличает простота и экономичность, но качество фильтрации у них низкое. Идеальный ФНЧ имеет мгновенный спад АЧХ. Для улучшения качеств фильтра увеличивается его порядок, т.е. фильтры второго и третьего порядков имеют более крутой спад логарифмической АЧХ.

2. Фильтры второго порядка.

ФВЧ ФНЧ

Двойное дифференцирование и интегрирование (одно - с помощью RC-цепи, другое - с помощью операционного усилителя). Такие фильтры имеют наклон логарифмической АЧХ 40 дБ/дек. Видно, что нагрузка отделена от RC-цепей, задающих АЧХ. Недостаток - используется инвертирующий вход, имеющий низкое входное сопротивление. Подобные фильтры можно построить при использовании неинвертирующего входа. Например, ФВЧ, так называемый фильтр Саллена и Кея. Неинвертирующий вход и RC-цепь формируют ПОС. Должно возникнуть самовозбуждение, но через R_ос на инвертирующий вход подается ООС, глубину которой можно регулировать. В итоге обеспечивается устойчивая работа фильтра без самовозбуждения, если ООС по глубине будет превышать ПОС.

Из комбинации ФНЧ и ФВЧ можно легко создавать полосовые фильтры.

На схеме представлен полосовой фильтр первого порядка, имеющий один дифференциатор и одну интегрирующую RC-цепь.

Разновидностью полосового фильтра является узкополосный усилитель с двойным Т-образным мостом.

Существует теория оптимальных фильтров со сложным математическим аппаратом. Фильтры широко используются в устройствах обнаружения слабых сигналов, радиотехнике и т.д.

8.1.3.8 Понятие об устойчивости операционного усилителя

Структурная схема операционного усилителя:

ОУ - трехкаскадный усилитель с ООС (межкаскадной).

Каждый каскад можно представить в виде эквивалентной схемы, но с разными параметрами.

Фактически это генератор ЭДС К₀U_вх, нагруженный на RC-цепь с емкостью на выходе. Это инерционное звено первого порядка.

ФЧХ такого каскада имеет вид:

Каскад осуществляет поворот фазы на - при частоте f_в и на - при f.

АФХ каскада

АЧХ каскада

Одиночный каскад с ООС абсолютно устойчив, поскольку даже при бесконечной частоте сдвиг фазы не превышает -. Его АФХ никогда не пересечет точку (-1;j0) - критерий Найквиста, а логарифмическая АЧХ имеет наклон 20 дБ/дек.

Увеличим число каскадов до двух.

АЧХ имеет наклон 40 дБ/дек. На бесконечности теоретически возможен поворот фазы на . Двухкаскадный усилитель, охваченный ООС, является устойчивым.

Для трехкаскадного усилителя .

Существует большой диапазон частот, где фаза поворачивается на -180^о и больше, т.е. ООС превращается в ПОС, и операционный усилитель возбуждается. В этом случае говорят, что усилитель ограниченно устойчив. Признаки ограниченно устойчивого усилителя - АФХ, которая может охватить точку (-1;j0), и наклон логарифмической АЧХ 60 дБ/дек. Для этого случая вводится так называемый запас по фазе для: .

Выше был рассмотрен случай трех идентичных каскадов, охваченных ООС. Но в операционном усилителе каскады не идентичны, поэтому АЧХ реального операционного усилителя имеет все три вида наклонов. Точки излома графика - полюсы логарифмической АЧХ. В теории устойчивости операционных усилителей частота f_в называется частотой среза.

Линия Ко* в АЧХ операционного усилителя, соответствующая выбранной глубине ООС, опускается все ниже и пересекает различные участки наклона спадающей АЧХ. При этом глубина ОС растет. Видно, что с введением ООС расширяется полоса пропускания, но горизонталь, характеризующая коэффициент усиления, приближается к границе устойчивости, т.е. расширение полосы пропускания сопровождается ухудшением устойчивости усилителя. В этой связи не рекомендуется выбирать глубину ОС такой, чтобы горизонталь пересекала участок логарифмической АЧХ с наклоном 60 дБ/дек. Операционный усилитель должен работать только в области устойчивости или абсолютной устойчивости. Это связано с тем, что в диапазоне ограничения устойчивости трудно обеспечить хороший угол запаса. Таким образом, операционный усилитель будет устойчиво работать, если горизонталь, соответствующая выбранной глубине ООС, на логарифмической АЧХ пересекает участки с наклоном 20 дБ/дек и 40 дБ/дек.

Если требуется обеспечить больший запас устойчивости при большой глубине ООС, то вводится так называемая цепь фазовой коррекции.



Цепь фазовой коррекции, повышающая устойчивость усилителя, вводится перед эмиттерным повторителем (точка 12 в схеме 140УД1А ). Цепь уменьшает полосу пропускания.

Эквивалентная схема ОУ

В условиях, когда нет цепи фазовой коррекции,, .

С цепью фазовой коррекции . Но можно выбрать и , тогда. Итог: при введении цепи фазовой коррекции формируется новый полюс.

Выбранная глубина ООС была опасной, потому что горизонталь пересекала участок АЧХ с наклоном 60 дБ/дек. При введении цепи фазовой коррекции эта горизонталь стала пересекать АЧХ на участке с наклоном 40 дБ/дек, что вполне до-пустимо для нормальной работы ОУ.



В новых моделях ОУ фазокорректирующая емкость С ставится внутри схемы (не является навесной).

1

С - емкость фазовой коррекции (емкость Миллера). Вместе с и ОУ получается интегратор, который формирует новый полюс на АЧХ таким образом, что наклон 20 дБ/дек сохраняется даже при единичном усилении, т.е. при стопроцентной ООС. Такой ОУ абсолютно устойчив. Но введение цепей фазовой коррекции всегда ухудшает частотные свойства и улучшает устойчивость (быстродействие).

Экспериментальные показатели устойчивости.

В инженерной практике используется оценка устойчивости ОУ по выбросам выходной характеристики и АЧХ.



Эти выбросы связаны с углом запаса. При величины =23,3 % и М=2,3 дБ (минимальный угол запаса устойчивости). При =8,8 % и М=0,3 дБ

8.1.3.9 Погрешности операционного усилителя

Все погрешности ОУ делятся на 2 группы:

1) мультипликативные;

2) аддитивные.

За счет влияния аддитивной погрешности появляется Есдв. Источники аддитивной погрешности - нессимет-ричность плеч каскада (наличие Uсм и Iсм), температурный дрейф параметров транзистора, шумы и наводки.

Под действием мультипликативной погрешности изменяется угол наклона характеристики. Источниками мультипликативной погрешности являются неравенство бесконечности коэффициента усиления и коэффициента ослабления синфазного сигнала, нестабильность параметров цепи ОС (R₂, R₁).

Реально оба вида погрешностей действуют одновременно.

Расчет погрешности.

1. Мультипликативная погрешность:

а);

, при ;

- ошибка, связанная с конечностью величины ;

при .

Чтобы уменьшить величину ошибки, нужно увеличить коэффициент усиления и глубину ООС, но без потери устойчивости;

б) конечность коэффициента ослабления синфазного сигнала: .

Наиболее сильно синфазная помеха проявляется при неинвертирующем включении ОУ.

;

;

;

в) нестабильность R₂ и R₁:

.

Сопротивление R₂ должно иметь большую точность, чем R₁.

2. Аддитивная погрешность:

а) несимметричность плеч ДК.



Представим ОУ в виде эквивалентной схемы, на которой показаны все дестабилизирующие факторы. Найдем U_вых от действия этих факторов: ; при R₂>>R_1.

Таким образом,

;

_см - ошибка, связанная с несимметричностью плеч. Видно, что _см тем меньше, чем меньше U_см и I_сдв, т.е. чем лучше симметрия плеч. Кроме того, для улучшения _см надо уменьшать R₁. Параметры U_см, I_сдв, U_вхНОМ справочные данные;

б) температурная погрешность:

.

Чтобы найти температурную погрешность, нужно сопоставить U_вых его дифференциальный параметр: , и .

- изменение U_вых на 1^оС.

Если задан температурный диапазон T, то общая ЭДС от температурной погрешности

- полная дрейфовая ЭДС на выходе (дрейф нуля).

Приведенный ко входу дрейф нуля . .

Для оценки полной погрешности надо сложить все ее параметры: .