Материал: Схемотехника аналоговых электронных устройств. Воробьева Е.И

1) между точками 1 и 2 (симметричный входной сигнал);

2) между точками 1 и 0 (несимметричный входной сигнал);

3) между точками 0 и 2 (несимметричный входной сигнал).

Сигнал с выхода каскада также можно снимать тремя способами: 1’) между точками 3 и 4 (симметричный выходной сигнал); 2’) между точками 3 и 0 (несимметричный выходной сигнал); 3’) между точками 0 и 4 (несимметричный выходной сигнал). Свойства дифференциального каскада сильно зависят от способов подачи и снятия сигнала. Наилучшие свойства каскад имеет в случае подачи симметричного сигнала между точками 1 и 2 и снятия симметричного же сигнала с точек 3 и 4. У идеально симметричного каскада в этом случае полностью отсутствует дрейф нуля и он полностью подавляет синфазные сигналы. Однако в действительности вследствие неодинаковости компонентов в плечах каскада, нарушающей симметрию плеч схемы, подавление, дрейфа оказывается неполным; при интегральном выполнении каскада на одной пластинке из полупроводника и хорошей технологии процесса можно добиться уменьшения напряжения дрейфа каскада по сравнению с обычным резисторным каскадом в несколько сотен раз и получить коэффициент подавления синфазных сигналов Пс свыше 1000 (более 60 дБ).

Коэффициент усиления дифференциального каскада при подаче на него симметричного сигнала по способу 1 (между точками 1 и 2) и снятия усиленного сигнала по способу 1 (между выходами 3 и 4) равен коэффициенту усиления обычного резисторного каскада и определяется теми же самыми формулами; постоянная составляющая напряжения между входами 1 и 2, так же как и между выходами 3 и 4, в этом случае отсутствует. Частотная и переходная характеристики, его на высоких частотах и в области малых времен такие же, как у обычного резисторного каскада. Однако как источник сигнала, так и нагрузка далеко не всегда симметричны, и на практике очень часто приходится подавать на вход дифференциального каскада несимметричный .сигнал по способу 2 или 3, а также и снимать усиленный сигнал несимметрично по способу 2’ или 3’. В этих случаях свойства дифференциального каскада ухудшаются; при подаче сигнала по способам 2 и 3,между входными зажимами каскада 1 и 0 (или 0 и 2) имеется большая постоянная составляющая напряжения, которую необходимо компенсировать, а при снятии сигнала по способу 2' или 3' реализуется только половина напряжения усиленного сигнала, в результате чего коэффициент усиления каскада оказывается вдвое меньше, в дополнение к большой и постоянной составляющей напряжения между зажимами 3 и 0 или 0 и 4. Для компенсации постоянной составляющей между входными зажимами при несимметричном источнике сигнала питание дифференциальных каскадов часто осуществляют от источника питания со средней точкой или выводом, соединяемым с нижним (непотенциальным) концом источника сигнала (рис. 4.1.6).

Рис. 4.1.6. Питание дифференциального каскада от двух источников или от одного источника со средней точкой

При работе дифференциального каскада на следующий обычный каскад с несимметричным входом усиленный сигнал с дифференциального каскада снимают по способу 2' или 3'; в этих случаях компенсация дрейфа и подавление синфазных сигналов дифференциальным каскадом ослабляются и зависят только от величины сопротивления Rэ в общем проводе эмиттирующих электродов, вводящего во входную цепь каскада последовательную отрицательную обратную связь по току. Для симметричных входных сигналов (дифференциальных) эта обратная связь в каскаде отсутствует, так как в этом случае текущий через Rэ ток сигнала одного плеча компенсируется равным ему током сигнала другого плеча; при подаче на вход несимметричного сигнала дифференциальный каскад работает как инверсный каскад с обратной связью, так как вносимая резистором Rэ обратная связь подает напряжение сигнала на ведомое плечо каскада. Для синфазных сигналов глубина отрицательной обратной связи, вносимой сопротивлением Rэ и подавляющей синфазные сигналы, здесь оказывается равной l+2SRэ, где S — крутизна характеристики выходного тока одного усилительного элемента каскада в точке покоя. Из сказанного следует, что подавление синфазных сигналов, а с ним и снижение дрейфа нуля у дифференциального каскада тем больше, чем выше крутизна характеристики усилительных элементов и чем больше величина Rэ.

Увеличить глубину обратной связи повышением крутизны характеристики усилительных элементов не удается, так как для увеличения крутизны нужно увеличивать ток покоя, а это заставляет снижать сопротивление резистора Rэ при заданной величине допустимого падения на нем напряжения питания. Кроме того, при этом возрастает расход энергии на питание каскада. Поэтому для повышения глубины обратной связи, улучшающей свойства каскада, следует увеличивать сопротивление резистора Rэ. Но его нельзя брать слишком большим, так как через этот резистор проходит ток покоя обоих усилительных элементов и при чрезмерно большом сопротивлении падение напряжения питания не будет недопустимо велико. Так, например, при токе покоя каскада 1 мА и допустимом падении напряжения питания на Rэ 5 В сопротивление этого резистора должно быть равно 5:0,001=5000 Ом. При использовании в каскаде биполярных транзисторов и токе каждого из них 0,5 мА значение 5 составит около 0,02 А/В, что даст подавление синфазных сигналов в 1+2*0,02*5000 200 раз, или около 43 дБ, что обычно оказывается недостаточным. При использовании полевых транзисторов, подавление будет значительно меньше, вследствие более низкой, у них, крутизны характеристики.

Рис. 4.1.7. Дифференциальные каскады: а — с простейшим стабилизатором тока в цепи эмиттеров; б — с улучшенным стабилизатором тока, имеющим повышенное сопротивление

Для увеличения глубины обратной связи при том же падении напряжения питания на Д3 в качестве последнего используют так называемый «электронный резистор» (стабилизатор тока), у которого сопротивление переменной составляющей тока много больше сопротивления постоянному току (рис. 4.1.7а).

Рис. 4.1.8. Биполярный транзистор в качестве стабилизатора тока

Наилучшим стабилизатором тока является включенный с общим эмиттером биполярный транзистор, обладающий большим выходным сопротивлением при наименьшем падении на нем напряжения питания (рис. 4.1.8); пригодны для этой цели также полевой транзистор и пентод. При токе коллектора 1 мА и падении напряжения питания коллектор — эмиттер 5В, сопротивление биполярного транзистора постоянному току равно 5000 Ом, а его выходное сопротивление переменной составляющей тока при включении с общим эмиттером в этих условиях оказывается порядка 30-50 кОм, т. е. примерно в 10 раз больше, чем для постоянного тока. Это дает возможность получить подавление синфазных сигналов уже порядка 60 дБ. Для увеличения выходного сопротивления транзистора, используемого в качестве стабилизатора тока, в цепь его эмиттера в современных схемах дифференциальных каскадов обычно вводят резистор Rт с небольшим сопротивлением (сотни или тысячи ом), повышающий, вследствие вносимой отрицательной обратной связи по току, выходное сопротивление стабилизирующего транзистора до нескольких сотен килоом, а в цепь базы вводят диод, осуществляющий температурную компенсацию (рис. 2.10.7б). Такие каскады дают подавление синфазных помех порядка 80 дБ и более.

4.1.5. Операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

Рис. 4.1.9. Операционного усилителя

На рис. 4.1.9. показано схематичное изображение операционного усилителя. Выводы имеют следующее значение:

V+ : неинвертирующий вход

V− : инвертирующий вход

Vout : выход

VS+: плюс источника питания (также может обозначаться как VDD, VCC, или VCC + )

VS−: минус источника питания (также может обозначаться как VSS, VEE, или VCC − )

Указанные пять выводов присутствуют в любом ОУ, они необходимы для его функционирования. Однако, существуют операционные усилители, не имеющие неинвертиующего входа. В частности, такие ОУ находят применение в аналоговых вычислительных машинах (АВМ). ОУ, применяемые в АВМ, принято делить на 5 классов, из которых ОУ первого и второго класса имеют только один вход. Операционные усилители первого класса — усилители высокой точности (УВТ) с одним входом. Они предназначены для работы в составе интеграторов, сумматоров, устройств слежения-хранения, электронных коэффициентов. Высокий коэффициент усиления, предельно малые значения смещения нуля, входного тока и дрейфа нуля, высокое быстродействие обеспечивают снижение погрешности, вносимой усилителем, ниже 0,01 %. Операционные усилители второго класса — усилители средней точности (УСТ) также с одним входом, обладающие меньшим коэффициентом усиления и большими значениями смещения и дрейфа нуля. Эти ОУ предназначены для применения в составе электронных устройств установки коэффициентов, инверторов, электронных переключателей, в функциональных преобразователях, множительных устройствах. Помимо этого, некоторые ОУ могут иметь дополнительные выводы (предназначенные, например, для установки тока покоя, частотной коррекции, балансировки или других функций).

Выводы питания (VS+ и VS−) могут быть обозначены по-разному. Часто выводы питания не рисуют на схеме, чтобы не загромождать её несущественными деталями, при этом способ подключения этих выводов явно не указывается или считается очевидным (особенно часто это происходит при изображении одного усилителя из микросхемы с четырьмя усилителями с общими выводами питания). При обозначении ОУ на схемах можно менять местами инвертирующий и неинвертирующий входы, если это удобно; выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху).

Основы функционирования.

Простейшее включение ОУ

Рассмотрим работу ОУ как отдельного дифференциального усилителя, то есть без включения в рассмотрение каких-либо внешних компонентов. В этом случае ОУ ведёт себя как обычный усилитель с дифференциальным входом, то есть поведение ОУ описывается следующим образом:

(4.1.7)

здесь

Vout: напряжение на выходе

V+: напряжение на неинвертирующем входе

V−: напряжение на инвертирующем входе

Gopenloop: коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи

Все напряжения считаются относительно общей точки схемы. Рассматриваемый способ включения ОУ (без обратной связи) практически не используется вследствие присущих ему серьёзных недостатков:

Коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи Gopenloop нормируется в очень широких пределах и может изменяться в тысячи раз (зависит сильнее всего от частоты сигнала и температуры).

Коэффициент усиления очень велик (типичное значение 106 на постоянном токе) и не поддаётся регулировке.

Точка отсчёта входного и выходного напряжений не поддаются регулировке.

4.1.6. Идеальный операционный усилитель

Для того, чтобы рассматривать функционирование ОУ в режиме с обратной связью, необходимо вначале ввести понятие идеального операционного усилителя. Идеальный ОУ является физической абстракцией, то есть не может реально существовать, однако позволяет существенно упростить рассмотрение работы схем на ОУ благодаря использованию простых математических моделей.

Идеальный ОУ описывается формулой обладает следующими характеристиками:

- Бесконечно большой коэффициент усиления с разомкнутой петлей обратной связи Gopenloop.

- Бесконечно большое входное сопротивление входов V- и V+. Другими словами, ток, протекающий через эти входы, равен нулю.

- Нулевое выходное сопротивление выхода ОУ.

- Способность выставить на выходе любое значение напряжения.

- Бесконечно большая скорость нарастания напряжения на выходе ОУ.

- Полоса пропускания: от постоянного тока до бесконечности.

Из перечисленных условий следует важнейшее свойство идеального ОУ, упрощающее рассмотрение схем с его использованием:

Идеальный ОУ, охваченный отрицательной обратной связью, поддерживает одинаковое напряжение на своих входах 

Другими словами, при указанных условиях всегда выполняется равенство:

Не следует думать, что ОУ выравнивает напряжения на своих входах, подавая напряжение на входы «изнутри». На самом деле ОУ выставляет навыходе такое напряжение, которое через обратную связь подействует на входы таким образом, что разность входных напряжений уменьшится до нуля.

Легко убедиться в справедливости равенства (2). Допустим, (2) нарушено— имеет место небольшая разность напряжений. Тогда входное дифференциальное напряжение, усиленное в ОУ, вызвало бы (вследствие бесконечного коэффициента усиления) бесконечно большое выходное напряжение, которое, в соответствии с определением ООС, ещё уменьшило бы разность входных напряжений. И так до тех пор, пока равенство (2) не будет выполнено. Заметим, что выходное напряжение может быть любым — оно определяется видом обратной связи и входным напряжением.

4.1.7. Простейший неинвертирующий усилитель на оу

Из рассмотрения принципа работы идеального ОУ следует очень простая методика проектирования схем:

Рис. 4.1.10. Обозначение операционного усилителя на схемах, неинвертирующая схема включения

Пусть необходимо построить цепь на ОУ с требуемыми свойствами. Требуемые свойства заключаются прежде всего в заданном состоянии выхода (выходное напряжение, выходной ток и т.д.), которое, возможно, зависит от какого-либо входного воздействия. Для создания схемы нужно подключить к ОУ такую обратную связь, чтобы при требуемом выходном состоянии достигалось равенство напряжений на входах ОУ (инвертирующем и неинвертирующем), а обратная связь была бы отрицательной.

Таким образом, требуемое состояние системы будет устойчивым состоянием равновесия, и система будет в нем находиться неограниченно долго. Пользуясь этим упрощённым подходом, несложно получить простейшую схему усилителя.

От усилителя требуется наличие на выходе напряжения, превышающего входное в K раз. В соответствии с приведённой выше методикой подадим на неинвертирующий вход ОУ сам входной сигнал, а на инвертирующий — выходной сигнал, поделённый в K раз резистивным делителем напряжения.

Пусть, K — коэффициент деления напряжения резистивным делителем R1R2: