книги / Применение аналоговых микросхем

W J Un

I

ется через R5 и С5 на базу транзистора VT2. Последний включен по схеме с общим эмиттером с небольшой отрицательной обрат­ ной связью, образованной резистором Яэ. Показанная схема при­ годна при малых выходных мощностях, так как на сопротивлени­ ях RilH и /?э теряется значительная мощность. Повышения вход­ ного сопротивления достигают с помощью положительной обрат­ ной связи через конденсатор С2.

Двухтактный каскад на комплементарных транзисторах часто применяют благодаря простоте управления и минимальному чис­ лу элементов (рис. 1.42). Нагрузка подключена к эмиттерам тран­ зисторов, а усиление по мощности пропорционально усилению по току. В состоянии покоя оба транзистора закрыты. При положи­ тельной полуволне входного сигнала открывается транзистор VT1,

содержать обе полуволны. Из-за нелинейности передаточных ха­ рактеристик транзисторов выходной сигнал в его средней точке будет искажен. Искажения будут особенно заметными у слабых сигналов, амплитуда которых близка к напряжению С/эв-

Для устранения этих искажений используют разные схемы, цель которых с помощью создания дополнительного напряжения смещения переместить рабочую точку транзисторов в линейную область передаточной характеристики каскада. Одна из таких схем приведена на рис. 1.43. Рабочая точка смещена с помощью схемы преобразования уровня постоянного напряжения, показан­ ной на рис. 1.36.

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Операционный усилитель (ОУ) является электронным функциональным блоком, предназначенным для использования в аппаратуре широкого применения — усилителях, генераторах, фильтрах и других типах аналоговых устройств. Чаще всего производится в виде полупроводниковой микросхемы, реже в виде гибридной. Идеальный ОУ, применяв-

Рис. 2.1. Функцио­ нальная схема ОУ с дифференциальным входом и несиммет­

ричным выходом

мый в качестве основного элемента при проектировании линей­ ных схем, характеризуется бесконечным значением входного

сопротивления (Явх-— о©), нулевым значением выходного сопро­

тивления (^вых—»0) и бесконечным значением коэффициента уси­ ления по напряжению (К'и-^0). ОУ может быть использован в инвертирующем, неинвертирующем или дифференциальном вклю­ чении с несимметричным или симметричным выходом. Наиболь­ шее распространение получили ОУ с дифференциальным входом и несимметричным выходом, функциональная схема которых при­ ведена на рис. 2.1.

выходе идеального ОУ с конечным коэффициентом усиления К'и равно: и Ьых=К'и{иВХ1—Нвх2). Напряжение на выходе реального

Типовые амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики ОУ приведены на рис. 2.2. Каждый полюс увеличивает спад ам­ плитудно-частотной характеристики ОУ на 6 дБ/окт.

Ниже даны определения основных параметров ОУ Напряжение смещения нуля Ucм— напряжение, которое надо

приложить ко входам ОУ для того, чтобы на его выходе получить

нулевое напряжение.

Разность входных токов / р — разница между токами, протека­ ющими во входных цепях ОУ, при установленном на его выходе нулевом напряжении.

Входной ток смещения / вх—- среднее значение постоянного то­ ка на входах ОУ при пулевом выходном напряжении.

Температурный дрейф напряжения смещения нуля — отноше­ ние изменения £/см к изменению температуры dUcu/dT:=UcM/Т, где температура приведена в градусах Кельвина.

Коэффициент подавления влияния источника питания Квип — приведенная ко входу чувствительность выходного напряжения к изменению напряжения источников питания, определяется отно­ шением изменения напряжения UCK к соответствующему измене­ нию напряжения источника питания AUn: Квип= (AUBbidK'u)/Un= =AUCM/AUn.

Свойства ОУ в динамическом режиме можно охарактеризовать временем установления и скоростью нарастания выходного на­ пряжения. Оба параметра определяются при небольшом коэффи-

циенте усиления ОУ после подачи на его вход идеального перепа­ да напряжения С/и. На выходе ОУ с помощью осцилдографа наблюдают нарастание выходного напряжения с конечной скоро­ стью и затем его колебательное установление до конечного зна­

чения (рис. 2.3).

Время установления ty— промежуток времени, в течение кото­ рого UBых изменяется от 0 до конечного значения с требуемой точностью Д.

t0.

Скорость нарастания в некоторых ОУ прямо пропорциональна

2.1.1. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ОУ

За последние 20 лет было создано несколько сотен типов по­ лупроводниковых и гибридных ОУ. Их параметры зависят от технологии изготовления и принципиальной схемы. Подходы к классификации ОУ многочисленны. Их разделяют по диапазону рабочих частот, потребляемой мощности, уровню выходного сиг­ нала или выходной мощности, примененной принципиальной схе­ мы и технологии изготовления. Например, исходя из потребляе­ мой мощности, можно разделить ОУ на микромощные (потребляение около 1 мкВт), средней мощности (сотни милливатт) и мощные (единицы ватт). Однако во всех случаях принято разде­ ление ОУ по поколениям. В настоящее время различают три по­ коления ОУ.

Операционные усилители первого поколения требуют, как пра­ вило, два вида частотной коррекции (внутреннюю и внешнюю) для обеспечения стабильности усилителя. Оконечные каскады в таких ОУ рассчитаны для работы в режиме АВ, что является причиной повышенных нелинейных искажений при малых значе­ ниях выходного сигнала. Типичными представителями являются ОУ К153УД1 и К153УД5

В ОУ второго поколения используют, как правило, одну цепь коррекции, которая иногда встроена в самом ОУ. К ним относятся ОУ К140УД7 и К140УД20. Операционные усилители третьего по­ коления характеризуются относительно малой потребляемой мощностью, широкой полосой пропускания частот, и очень хоро­ шими шумовыми свойствами. Для достижения большого входного сопротивления на входе ОУ используют полевые транзисторы.

выходной ток усилителя должен быть равен /Вых, то сопротивле­

нение этого равенства с необходимой точностью и обеспечивается регулировкой R9.

Обычно в таком усилителе результирующая частота единич­ ного усиления fTp«PfT, где /т — частота единичного усиления, свойственная использованному ОУ. Показанная на рис. 2.5 схема

тора С1, введенного для коррекции амплитудно-частотной харак­

=/©• Стабильность ОУ как системы автоматического регулирования

с обратной связью определяется величиной петлевого усиления К(р) = ${р)К'и{р). Выходное синусоидальное напряжение £Д>ых(р) растет неограниченно, если комплексное петлевое усиле­ ние К(р) достигает значения —1 . Это вполне возможно, так как любая реальная схема усилителя с обратной связью имеет огра­ ниченную полосу частот в том смысле, что модуль его петлевого усиления К на высоких частотах проходит единичное значение, спадая к нулю. Таким образом, задача проектирования устойчи­ вого ОУ с отрицательной обратной связью сводится к выбору наиболее подходящей характеристики К(р) на комплексной плос­ кости возле критической точки (—1 , + / 0).

Для построения схем на ОУ с обратной связью используют критерий Найквиста, применимый к системам, которые без об-

ратной связи устойчивы. Усилитель устойчив, если критическая точка находится слева от годографа амплитудно-частотной ха­ рактеристики схемы с обратной связью при изменении частоты от О до оо (рис. 2.8). Если кривая К(р) пересекает точку (—1, +/0), то система с обратной связью будет возбуждаться. Реальная си­ стема с обратной связью может возбуждаться, когда кривая К{р) приближается к критической точке под влиянием изменений уси­ ления, например из-за старения деталей или при импульсном воздействии на вход.

Состояние на грани устойчивости характеризуется синусо­ идальными колебаниями произвольной, но устойчивой амплиту­ ды. Это состояние имеет место, когда характеристика К(р) про­ ходит через критическую точку. Удаленность характеристик сис­ темы с обратной связью от критического состояния выражается двумя показателями: запасами устойчивости по фазе и по коэф­ фициенту усиления.

Запас устойчивости по фазе <р3 — это дополнение до —180° фазового угла петлевого усиления на частоте среза fcp системы с

ная модулю петлевого усиления на частоте fn, при которой дости­

Характеризовать устойчивость системы с обратной связью значе­ нием запаса по фазе более принято, чем значением запаса по усилению. Это объясняется тем, что фазовый угол, равный —180°, может не всегда достигаться, а частота /п не всегда существовать.

При проектировании реальных систем рекомендуется исходить из значений 201g/C3^ 1 0 дБ и <р3>60°.

В этом случае анализируемая система с обратной связью не обес­ печивает рекомендуемых значений запасов по фазе и усилению. Следовательно, необходимо провести соответствующую коррек­ цию амплитудно-частотной характеристики таким образом, чтобы достичь требуемых значений запасов, для чего в канал усиления включают соответствующие корректирующие элементы. Это и на­ зывается частотной коррекцией.

Критерии стабильности для наиболее часто встречающихся видов амплитудно-частотных характеристик систем с обратной связью приведены в табл. П2.1. Использование этой таблицы по­ ясним на примере.

Пр и мер. Определить запасы устойчивости ОУ, обладающего трехполюсной амплитудно-частотной характеристикой, соответст­

усилитель будет еще устойчив, когда его коэффициент, передачи при введении обратной связи уменьшится до Ки=К'и{(1-}- +p/Ç,„) =4000/(1+56,4) = 70 . При более глубокой отрицательной обратной связи, т. е. когда Ки<70, усилитель начнет возбуждать-

ся, генерируя сигналы с частотой fn— l/fifi+fih+ / 2/3= 14,3 МГц. Чтобы такой усилитель имел запас по усилению 201g/C3 = 10 дБ, коэффициент передачи по цепи обратной связи необходимо выби­

разомкнутой петлей обратной связи К'и(р) для достижения его устойчивой работы. Допустим, что на основе анализируемой схе­ мы усилителя надо создать инвертирующий повторитель напря­ жения с Ки= — 1. Из проведенного выше анализа следует, что такой повторитель будет неустойчивым. Скорректируем его час­ тотную характеристику с разомкнутой цепью обратной связи, до­ полнив, например, полюсом и приведя к виду амплитудно-частот­

hlK * = 344 Гц.

Для коррекции частотной характеристики системы с разомк­ нутой петлей обратной связи, можно использовать любую цепь коррекции из приведенных в табл. П2.2.

Корректирующие цепи рекомендуется использовать в качестве элементов обратной связи, которые реализуются добавлением соответствующих корректирующих емкостей в традиционную ре­ зисторную схему цепи обратной связи.

Распространенной причиной нестабильности ОУ является под­ ключение емкостной нагрузки к его выходу.

Конденсатор С„, подключенный к выходу ОУ, образует с его

собственным выходным сопротивлением #вых интегрирующую ЯС-цепь, постоянная времени которой, перемещаясь в область низких частот при повышении частоты выходного сигнала, дости­