книги / Электронные усилители

л

наличие двух входов и двух выходов позволяет применить ДК

АЧХ и т. д., модуляторах, умножителях частоты, фазовых детекто­ рах);

симметричность схемы позволяет ослабить синфазный сигнал, получить большие полосу пропускания и динамический диапазон, чем в каскаде на одном транзисторе;

возможность плавной и позиционной регулировки коэффициен­ та усиления изменением значения напряжения смещения или тока /о, что находит применение в схемах с автоматической регулиров­ кой усиления (АРУ).

6.2. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Операционным называется усилитель электрических сигналов, предназначенный для выполнения различных операций над анало­ говыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью.

Название «операционные усилители» (ОУ) связано с их при­ менением в области аналоговой вычислительной техники для вы­ полнения математических операций: сложения, вычитания, умно­ жения, деления, дифференцирования, интегрирования и т. д. Пос­ троение операционных усилителей на дискретных усилительных элементах ограничивало получение большого коэффициента уси­ ления. Такие ОУ обладали высоким дрейфом нуля, низкой надеж­ ностью, большими себестоимостью и габаритными размерами. С развитием микроэлектроники и связанных с ней разработок новых схемотехнических решений удалось получить ОУ с параметрами значительно более высокого качества.

В настоящее время ОУ выпускаются в виде полупроводниковых интегральных микросхем и используются для построения каскадов различных радиотехнических устройств.

Операционные усилители (их условные обозначения показаны на рис. 6.14, а, б) имеют один или два входа.

Операционный усилитель, имеющий два симметричных входа, выходной сигнал которого является функцией входного напряже­ ния или тока, называется дифференциальным. Один из входов

«(обозначается « называется инвертирующим и характери-

зуется изменением фазы выходного сигнала относительно входного на 180° Второй вход ОУ называется неинвертирующим. Входной и выходной сигналы синфазны. Выводы + U, —U, _L предназначе­ ны для подключения ОУ к двухполярному источнику сигнала. Вы­ воды FN предназначены для получения нулевого выходного напря­ жения при отсутствии постоянного сигнала на входе. Выводы FC предназначены для коррекции частотной характеристики ОУ. Для компенсации напряжения смещения к выводам FN подключаются переменные резисторы.

Термины, определения и буквенные обозначения электрических параметров ОУ приведены в ГОСТ 18421—73, ГОСТ 19480—74 :(СТ СЭВ 1817—79, СТ СЭВ 4755—84, СТ СЭВ 4756—84), ГОСТ 2.710—81 (СТ СЭВ 2182—80). Отечественной промышленностью выпускаются ОУ как в полупроводниковрм, так и в гибридном ис­ полнении.

Статические и динамические свойства ОУ характеризуются большим числом электрических параметров, значения которых из­ меняются в широких пределах. Параметры ОУ можно распределить на четыре основные группы. Первая группа отражает выходное напряжение покоя и ег,о стабильность, а также влияние на эти па­ раметры температуры и нестабильности источника питания. Вторая группа определяет усилительные свойства для синфазного и диф­ ференциального входного устройства, частотные и переходные ха­ рактеристики. К третьей группе относятся параметры, характери­ зующие усиление в режиме «большого» сигнала. Четвертая груп­ па характеризует шумовые свойства.

При создании различных устройств к ОУ предъявляют следу­ ющие требования: способность усиливать сигналы при f „-Ю; нуле­ вое входное и выходное напряжение при отсутствии сигнала; вы­ сокое входное и низкое выходное сопротивление; большой коэффи­ циент усиления по напряжению; нормированная частотная харак­ теристика.

Требования к усилительным устройствам на ОУ повышаются, и часто для их удовлетворения недостаточно усложнения схемотех­ нических решений самих ОУ. Поэтому следует рассмотреть как методы улучшения параметров ОУ, так и схемы с реализацией ОУ. Все требования можно разделить на общие и устанавливаемые нор­ мативно-техническими документами.

К общим требованиям относятся: способность усиливать сигна­ лы при f „ = 0 ; нулевое входное и выходное напряжение при отсут­ ствии сигнала.

Сигналы c fH= 0 усиливаются путем использования непрсредственной связи между каскадами, основным недостатком которой

является дрейф нуля. Нулевое напряжение на входе получают в результате применения дифференциального каскада. Использова­ ние непосредственной межкаскадной связи приводит к увеличению потенциала рабочей точки последующих каскадов и большому отклонению значения выходногр напряжения от нуля.

Компенсация потенциала осуществляется следующими способа­

ми:

с помощью делителя напряжения (рис. 6.15,а). Недостаток способа — потери части полезного сигнала в делителе напряже­ ния;

использованием стабилитрона в делителе (рис. 6.15, б), что поз­ воляет уменьшить недостаток первого способа благодаря малому динамическому сопротивлению. Но для получения низкого уровня шумов требуется значительный постоянный ток выходного каска­ да;

применением ГСТ (рис. 6.15, в). Такая схема не приводит к потере полезного сигнала. Недостатки: значительное выходное сопротивление, невысокое быстродействие. Для уменьшения недос­ татков используется схема с введением стабилитрона;

применением комплементарных транзисторов. Указанный спо­ соб является наиболее простым, позволяющим сопрягать любые потенциалы (рис. 6.15, г).

Рис. 6.15

Нормированные параметры и характеристики ОУ следующие. Коэффициент усиления ОУ — отношение приращения значения

усиления в результате применения дополнительных каскадов ухуд­ шает ряд других параметров схемы. При этом для обеспечения за­ данного коэффициента усиления по напряжению стремятся увели­ чить коэффициент усиления входного и выходного каскадов.

Входные каскады — дифференциальные. Использование в ка­

а применение каскодной нагрузки позволяет повысить К и до '(0,3 .. .2,0)-105 (рис. 6.13, 7.2). В приведенных схемах усиление достигается увеличением сопротивления нагрузки. Крутизна каска­

так как сопротивление нагрузки обратно пропорционально зависит от 1К- Дальнейшее увеличение коэффициента усиления ограничено значением Ки = (1 . . . 2 )-1 0 5 и вызвано тепловой обратной связью

синфазного сигнала в точках 1 и 2, поступающего через высокоом­ ный резистор R3 с движка потен­ циометра R4. Таким путем удает­

щение нуля по постоянному току, которое может быть вызвано ре­ гулировкой R2, компенсируется с помощью подстройки R4.

Электродвижущая сила (Е см ) ОУ — значение напряжения смещения при включении между выводом ОУ и источником входно­

го напряжения резистора, значение сопротивления которого стре­ мится к нулю.

Е см = f ( £ / c „ - / . х . d u см I d T , d I BK/ d T ) ,

где Uсм — напряжение смещения ОУ (значение постоянного входно­ го напряжения, при котором выходное напряжение равно нулю).

К простым методам уменьшения Uc„ и dUcJ d T относят раз­ баланс каскада, либо введение на вход компенсирующего напря­ жения.

Одной из причин температурного дрейфа напряжения смещения является разброс параметров, в частности / к В ОУ разброс пара­ метров компенсируют параллельным соединением нескольких пар транзисторов. При таком решении параметры транзисторов ус­ редняются.

Для повышения температурной и временной стабильности и компенсации напряжения смещения ОУ применяют метод, осно­ ванный на введении бездрейфового усилителя, и метод периоди­ ческой коррекции.

В тех случаях, когда требуется снижать UCM и его дрейф, це­ лесообразно переходить к ОУ с преобразованием сигнала. Входные

токи ОУ без преобразования сигнала определяются входными то­ ками бипрлярных и полевых транзисторов.

Для дифференциальных каскадов 1"вх (‘в+Х + ‘ вх )/2* Входные токи вызывают две составляющие погрешности: состав­

составляющую, вызываемую неравенством входных токов £ + и i - : UbcByL=AiByi-R.

Для снижения входных токов и их температурного дрейфа не­ обходимо выбирать малый ток коллектора / к , большой коэффици­ ент передачи по току h 2l3, что, однако, снижает быстродействие схемы. Для увеличения коэффициента передачи по току применя­ ются составные транзисторы по схеме Дарлингтона, которая поз­ воляет уменьшить входные токи в 20 .. .50 раз при том же токе коллектора / к . Указанный способ также уменьшает быстродейст­ вие ОУ. Уменьшение входного тока до 1 .. .20 нА достигается при­ менением «супер-p» транзисторов, обладающих коэффициентом пе­ редачи по току порядка тысяч единиц при / к =1 .. .100 мкА.

«Супер-p» транзисторы обладают малым допустимым напряже­ нием U(K, благодаря чему их можно использовать в каскадах со следящей связью, обеспечивающей U6K, близкое к нулю.

Разность входных токов в дифференциальном каскаде опреде­

Применение полевых транзисторов позволяет уменьшить вход­ ной ток на 2 .. .3 порядка. Недостаток заключается в том, что воз­ растают UCM и dUw/dT.

Уменьшение ошибки, вызванной входными токами, достигается выравниванием суммарного сопротивления резисторов, подключен­ ных ко входу ОУ. Компенсация выполняется введением сопротив­ ления в цепь ООС.

Входное сопротивление ОУ — сопротивление однрго из входов ОУ, в то время как другой вход закорочен.

Увеличение входного сопротивления каскада на ОУ достигается включением на его входе буферного каскада на согласованных транзисторах. Для ОУ, имеющих токи (единицы микроампер и вы­ ше), применяются согласованные пары биполярных транзисторов VT1 и VT2 (рис. 6.17).

Напряжение шума ОУ — напряжение на выходе операционно­ го усилителя в заданной полосе частот при входном напряжении, равном нулю.

Выходное сопротивление ОУ — величина, равная отношению приращения выходного напряжения ОУ к вызвавшей его активной составляющей выходного постоянного или синусоидального тока

при заданном значении частоты сигнала и заданном уровне посто­ янной составляющей выходного напряжения.

Одно из требований к ОУ — получение минимального выход­ ного сопротивления, которое достигается использованием в качест­ ве выходного каскада эмиттерног,о повторителя или составного эмиттерного повторителя. Значение выходного сопротивления ОУ составляет 10 .. .100 Ом.

Амплитудная характеристика О У — зависимость установивше­ гося значения выходного напряжения ОУ от значения входного на­

Амплитудно-частотная характеристика ОУ — зависимость мо­ дуля коэффициента усиления ОУ от частоты.

Вследствие наличия паразитных емкостей и многокаскадной структуры усилитель по частотным свойствам аналогичен фильт­ ру низких частот. Фильтром низких частот является схема, кото­ рая без изменения передает сигналы низких частот. На высоких частотах при этом возникает затухание сигнала и запаздывание его по фазе. Амплитудно-частотная и фазовая характеристики приве­ дены на рис. 6.19, б. Частота среза фильтра определяется на уров­ не 3 дБ: f=\/2nRC, где R —сопротивление фильтра (рис. 6.19, а); С — емкость фильтра.

Типовая амплитудно-частотная характеристика многокаскадно­ го ОУ приведена на рис. 6.20. АЧХ и ФЧХ аппроксимированы пря­ мыми линиями, при этом погрешность аппроксимации АЧХ на граничной частоте не превышает 3 дБ, а погрешность ФЧХ — 5,7°. В этом случае угол наклона АЧХ фильтра 1-го порядка характе­ ризуется спадом 6 дБ/окт. или 20 дБ/дек. (где окт. — октава — увеличение частоты сигнала в 2 раза; дек. — декада — увеличение частоты сигнала в 10 раз). В усилительных устройствах увеличе­ ние сигнала 20 дБ/дек. в логарифмических координатах пропор­ ционально приращению коэффициента усиления в 10 раз при изме­ нении частоты в 10 раз в линейных координатах. Наклон ФЧХ фильтра 1-го порядка — 90° на декаду. Для фильтра п-го пррядка спад частотной характеристики составляет: л-6 дБ/окт. или 20-л дБ/дек.

Из рис. 6.20 следует, что при fi> f АЧХ ОУ параллельна гори­

как фильтр 2 -го порядка, фазовый сдвиг которого при f=fz равен 180°.

При применении отрицательной обратной связи и сдвиге фазы выходного сигнала относительно входного^на 180° отрицательная обратная связь станет положительной. Возникнут условия для са­ мовозбуждения усилителя. Для устранения возбуждения ОУ при­ меняется коррекция ОУ, при которой наклон АЧХ на любой часто­ те не должен превышать 40 дБ/дек.

Операционные усилители выпускаются двух типов: со встроен­ ной (внутренней) коррекцией и с внешней коррекцией. Операцион­ ные усилители с внутренней частртной коррекцией сохраняют ус­ тойчивое состояние независимо от частоты сигнала, при наличии и отсутствии сигнала (рис. 6 .2 1 , характеристика 1) и при различных значениях корректирующей емкости (рис. 6 .2 1 , характеристики 2,3).

Недостаток внутренней коррекции — ограничение максимальной граничной частоты синусоидального сигнала, при котором сохраня­ ется эффективный диапазон синусоидального заданного выходного напряжения ОУ.

К ОУ с внутренней коррекцией относятся ОУ типов 140УД6, 140УД8, 544УД1 с частотой единичного усиления 1 МГц.

Рассмотрим способы коррекции усилителя. Однополюсная кор­ рекция вводится с помощью дополнительного конденсатора или ре­ зистора (рис. 6.21, характеристики 2, 3). При емкости конденсато­ ра Ск =3 пФ усилитель имеет граничную частоту 10 МГц, увели­ чение Ск в 10 раз уменьшает граничную частоту до 1 МГц,

Коррекция характеристики по типу «полоса—нуль» заключает­

ся в следующем. Первоначально создается спад усиления харак­ теристики 6 дБ/окт., а затем с некоторой частоты / 3 формируется частотная характеристика параллельно горизонтальной оси (рис. 6.22). При таком способе коррекции вторая точка излома устраня­

ла

Рис. 6.20