Файл: конспект лекций схемотехника.pdf

джерело струму. Живлення каскаду проводиться від джерелЕК1 і ЕК 2 з однаковою напругою ЕК 2 ЕК1 .

Зважаючи на послідовне з'єднання цих джерел, сумарна напруга живлення схеми ЕК ЕК1 ЕК 2 . За допомогою напруги живлення знижують потенціал емітерів транзисторів VТ1 ,VТ2 щодо спільної точки схеми («землі»).

Це дозволяє подавати сигнали на входи підсилювача без введення додаткової компенсуючої напруги.

2. Збільшення Rвх .

замість біполярних транзисторів в ДПК використовують польові (як вхідні транзистори);

використання вхідних транзисторів із надвеликим h21е або складених транзисторів;

використання на вході каскаду з СК. 3. Збільшення Kд .

Для підвищення коефіцієнта підсилення диференційного підсилювача, перш за все, необхідно збільшувати опір колекторного навантаження RK .

Використання мікрорежиму в інтегральних мікросхемах, тобто зменшення струмів колекторів IK1 та

IK 2 дозволяє істотно збільшити вхідний опір

диференційного підсилювача, але не змінює коефіцієнт підсилення. У цьому режимі для отримання великого коефіцієнта підсилення потрібен дуже великий опір RK ~ 1

мегаом. Проте такий великий опір RK має низку суттєвих недоліків, особливо в інтегральних ДПК:

1)в інтегральних мікросхемах площа, необхідна під резистор, приблизно пропорційна його опору, тому резистор із великим опором займає дуже багато місця на кристалі;

2)у резистора з великим опором велика паразитна

169

ємність, яка призводить до збільшення постійної часу в області верхніх частот і до погіршення частотних властивостей диференційного підсилювача;

3) при збільшенні RK збільшується падіння напруги на ньому. Для отримання необхідної напруги UКЕ потрібно

збільшувати напругу живлення.

Тому в інтегральних ДПК використовують динамічні навантаження. Як динамічне навантаження використовують динамічний опір транзистора, тобто опір транзистора для змінних складових. Великий динамічний опір має закритий колекторний перехід біполярного транзистора в активному режимі роботи.

На рисунку 7.18 зображений ДПК із динамічним навантаженням у вигляді струмового дзеркала на транзисторах VT3 , VT4 .

-Eж2

Рисунок 7.18 – Диференціальний підсилювальний каскад з динамічним навантаженням

Ця схема має високий коефіцієнт підсилення ( Kд становить декілька тисяч) і однофазний вихід. У схемі сигнал транзистора VT1 не втрачається, а за допомогою струмового дзеркала передається у вихідний ланцюг, додаючись до сигналу транзистора VТ2 .

170

8 Операційні підсилювачі

Загальні відомості

Операційним підсилювачем (ОП) називається ППС, який виконаний в інтегральному виконанні (у вигляді мікросхеми), має великий коефіцієнт (сотні тисяч) підсилення в широкому діапазоні частот (від нуля до одиниць мегагерц). Назва «Операційний підсилювач» пов'язана з тим, що спочатку підсилювачі такого класу призначалися для виконання математичних операцій (додавання, віднімання, інтегрування і т. п.) в аналогових обчислювальних машинах. Умовне позначення ОП наведене на рисунку 8.1.

Рисунок 8.1 – Умовні позначення операційного підсилювача: а – згідно ЄСКД; б – за функціональною ознакою (підсилювач); в – застаріле позначення

Операційні підсилювачі мають два входи (інвертувальний і неінвертувальний, на схемі інвертувальний вхід позначають кружечком) і один вихід. Обидва входи називають диференційними. Оскільки вхідний каскад ОП є диференційним, вихідна напруга ОП Uвих залежить від різниці напруг

Uвх.д Uвх Uвх ,

Uвх.д – називається диференційним вхідним сигналом;

171

Uвх – вхідна напруга на неінвертувальному вході; Uвх – вхідна напруга на інвертувальному вході

Якщо Uвх Uвх , то полярність вихідного сигналу збігається з полярністю сигналу Uвх (сигнал не інвертується). Якщо Uвх Uвх , то полярність вихідного

сигналу протилежна полярності сигналу Uвх (сигнал

інвертується).

Операційний підсилювач не чутливий до синфазної складової вхідних сигналів, яка дорівнює

Uвх.сф 12 Uвх Uвх .

Тому коефіцієнт підсилення ОП визначається лише для диференційного вхідного сигналу

Операційний підсилювач має один вихід і два виводи для підключення джерела живлення: Eж1 і Eж2 . Для ОП використовується, як правило, симетричне (відносно корпусу) джерело живлення ( Eж1 Eж2 ).

Виводи, призначені для корекції нуля операційних підсилювачів, позначаються символами NC (Null Correction), а ті, до яких підключаються елементи частотної корекції, – FC (Frequency Correction). Необхідно зазначити, що в деяких типах операційних підсилювачів ці виводи корекції можуть бути відсутніми.

Структура операційного підсилювача

Більшість операційних підсилювачів виконується у вигляді трикаскадних підсилювачів. Основу ОП становить

використовується як вхідний каскад підсилювача. Вихідним каскадом ОП, як правило, є емітерний повторювач, що забезпечує необхідну навантажувальну здатність всієї схеми. Оскільки коефіцієнт підсилення за напругою емітерного повторювача близький до одиниці, необхідне значення KОП операційного підсилювача досягається за

допомогою додаткових підсилювальних (проміжних) каскадів.

Рисунок 8.2 – Структурна схема операційного підсилювача

Вхідний диференційний підсилювач має великий коефіцієнт підсилення диференційного вхідного сигналу і велике ослаблення синфазного вхідного сигналу. Диференційний підсилювач має також великий вхідний опір для будь-яких вхідних сигналів. Вхідний каскад є найбільш відповідальним каскадом ОП.

За вхідним розміщений проміжний каскад, який здійснює основне підсилення струму і напруги ОП. В ОП використовується безпосередній (гальванічний) зв'язок між каскадами, тому проміжний каскад повинен забезпечити також пониження напруги спокою, щоб на виході ОП напруга спокою дорівнювала нулю.

Вихідний каскад повинен забезпечити малий вихідний опір ОП і струм, достатній для живлення передбачуваного навантаження. Крім того, цей каскад повинен мати великий вхідний опір, щоб не навантажувати проміжний каскад. Як вихідний каскад в ОП використовується двотактний емітерний повторювач, який працює в режимі В (або АВ). Використання режиму В дозволяє підвищити ККД вихідного каскаду, зменшити втрати в його транзисторах і спростити процес охолоджування кристала.

173

8.1Характеристики і параметри ОП

Властивості операційного підсилювача визначаються багатьма параметрами і характеристиками. Розробники операційних підсилювачів прагнуть зробити його «невиразним» у конкретній електронній схемі, тобто таким, щоб його властивості не впливали на властивості всієї схеми. Цього можна досягнути шляхом збільшення коефіцієнта підсилення ОП. У цьому випадку через дуже великий коефіцієнт підсилення ОП властивості схеми визначатимуться лише елементами зворотного зв'язку.

Ідеальний ОП

Поняттям ідеального операційного підсилювача (ІОП) дуже зручно користуватися під час аналізу і розрахунку схем із ОП, оскільки отримані розрахункові співвідношення в цьому випадку не містять параметрів ОП. Проте вони цілком допустимі під час проектування схем спільного призначення, оскільки типові значення похибок при виборі параметрів пасивних елементів (резисторів, конденсаторів) близько 2–10 % істотно перевищують похибки при використанні характеристик ІОП. Врахувати параметри неідеального ОП можна на кінцевих етапах проектування або, провівши моделювання отримуваних схем.

Параметри ідеального ОП:

1) нескінченний коефіцієнт підсилення напруги

(KОП ) ;

2)нескінченний повний вхідний опір;

3)нульовий повний вихідний опір;

4)вихідна напруга дорівнює нулю (Uвих 0) за рівних

напруг на обох входах Uвх Uвх ;

5) нескінченна ширина смуги пропускання (відсутність затримки під час проходження сигналу через підсилювач).

174

Принцип «уявної землі»

В ідеальному операційному підсилювачі дотримується так званий принцип «уявної землі»: вхідна напруга і струм ОП дорівнюють нулю. Пояснити це можна таким чином. Оскільки вихідна напруга ОП, як і будь-якого іншого підсилювача, обмежена напругою джерела живлення, то за умови досить великого коефіцієнта підсилення KОП вхідна

напруга буде дуже малою (при джерелі живлення, що дорівнює 15В і коефіцієнті підсилення 100000, максимальна вхідна напруга дорівнює 150 мкВ). Тому в розрахунках можна вважати, що ця напруга дорівнює 0. Вхідний струм ОП є дуже малим через великий вхідний опір ОП.

Використання принципу «уявної землі» істотно спрощує розрахунки схем на основі ОП, проте користуватися цими правилами потрібно лише тоді, коли ОП працює в лінійному режимі і не входить у насичення.

Передавальна характеристика ОП

Передавальна характеристика ОП – це залежність вихідної напруги від вхідної диференційної напруги. Передавальну характеристику ОП наведено на рисунку 8.3, яка апроксимована кусково-ламаною лінією.

У передавальній характеристиці ОП можна виділити три характерні області: лінійну область і області насичення. У лінійній області вихідна напруга прямо пропорційна вхідній диференційній напрузі. Лінійна область з обох боків (зверху і знизу) обмежена областями насичення. У будьякому випадку напруга на виході ОП не може перевищити

напругу будь-якого з джерел живлення, тобто Eж .

Максимально можлива вихідна напруга, як правило, приблизно на 2 В менша абсолютної величини напруги живлення, а при низькоомному навантаженні діапазон зміни вихідної напруги скоротиться ще більше.

175