Какую роль в оу выполняет входной каскад

11

Входные каскады ОУ

Первый каскад определяет входное сопротивление и потребля­емый ток на входе, оказывает основное влияние на формирование таких показателей, как уровень шума, дрейф нуля, а следователь­но, на реальную чувствительность усилителя.

Рассмотрим основные требования, предъявляемые к первому каскаду: большой коэффициент усиления, максимальное ослабле­ние синфазного сигнала, минимальное смещение, минимальный дрейф нуля, минимальный входной ток, минимальное температур­ное изменение входных токов, минимальный уровень шума на вхо­де. Каждое из этих требований может быть реализовано только на основе специальных схемных решений.

Каскад построен по обычной схеме дифференциального уси­лителя на двух транзисторах VT1 и VT2 с резисторами нагрузки в коллекторной цепи R1 и R2. В цепь эмиттеров включен ГСТ на транзисторах VT3 и VT4. Особенность этого каскада — использо­вание в коллекторной нагрузке диффузионных резисторов, у кото­рых сопротивление ограничено из-за размеров и составляет всего 20. 30 кОм, что не позволяет получить большой коэффициент усиления. Кроме того, схему отличает сравнительно низкое вход­ное сопротивление, которое равно удвоенному входному сопро­тивлению каждого транзистора ДУ.

Усовершенствование схемы входного каскада ОУ ведут по нескольким направлениям:

а) применение пинч-резисторов вместо обычных диффузионных в коллекторной нагрузке, что позволяет резко увеличить сопро­тивление нагрузки и, следовательно, коэффициент усиления;

б) применение динамической нагрузки вместо резисторной.

В качестве нагрузки применяют обычно ГСТ, что позволяет по­лучить большое сопротивление по переменному току и большой ко­эффициент усиления;

в) применение супербета-транзисторов, что позволяет одно­временно повысить коэффициент усиления и увеличить входное со­противление. Вследствие того что эти транзисторы имеют очень тонкую базу, они допускают очень малое напряжение U _КБ во из­бежание пробоя. Применение на входе этих транзисторов дает воз­можность получить входные токи I _вх = 5. 20 нА. Наибольший ко­эффициент усиления можно получить, применив различные виды схем на составных транзисторах: схему Дарлингтона, каскодную схему ОЭ — ОБ, схемы ОК — ОЭ и ОК — ОБ.

Применение схемы Дарлингтона позволяет получить больший коэффициент усиления по току; благодаря большому коэффициенту при минимальном токе можно получить значительный ток в коллекторной цепи второго транзистора.

Применение каскодной схемы ОЭ-ОБ и схемы ОК-ОБ позволяет получить высокое входное сопротивление при таком же высоком выходном сопротивлении и устойчивом усилении в широком диапазоне частот, что является основным достоинством этих схем.

Нагрузкой этих схем, как правило, также является ГСТ, что обеспечивает максимальный коэффициент усиления.

Усилительные каскады с операционными усилителями.

В зависимости от того, на какой вход ИМС ОУ воздействует входной сигнал, различают три типа усилителей: инвертирующий, неинвертирующий и дифференциальный.

Общей особенностью всех типов ОУ является наличие цепи отрицательной обратной связи с выхода на инвертирующий вход ИМС ОУ, образованной резисторами. Эта особенность приводит к тому, что между входами ИМС (если считать ее идеальной) должно быть нулевое напряжение ?/₀— Такой подход называют принципом виртуального нуля (замыкания), входных выводов ОУ (от англ. virtual — фактический). Действительно, в линейном режиме напряжение на выходе операционного усилителя U_Bblx = K_yU_0i следовательно, U₀= 1/_лых/К_у. Значение 1/_шх меньше напряжения источника питания, т.е. ограничено. С учетом этого при К_у—оо (признак идеальности ИМС) получаем: U₀ = 0. Физически это объясняется следующим образом. Любое отклонение U₀ от нулевого значения, бесконечно усиленное ИМС и переданное через цепь обратной связи на вход «-» ИМС, будучи инвертировано относительно напряжения U₀ на этом входе, компенсирует его. Условие U₀ = 0 позволяет достаточно просто определить множество параметров операционного усилителя.

Универсальными возможностями обладают ОУ с двумя входами и двумя выходами, однако на практике часто достаточно схемы с одним выходом (см. рис. 3.31). В этом случае ИМС является инвертирующим ОУ. Микросхема К140УД1 имеет три выхода: 2и 3— неинвертирующис, 5— инвертирующий (см. рис. 3.32).

Рассмотрим построение широкополосных операционных усилителей и других устройств на основе ИМС ОУ.

1. Инвертирующий ОУ. В таком усилителе напряжение сигнала U_BX подается на вход «-» из-за чего выходное напряжение инвертируется относительно входного. Резисторами R0, Rl, R2 создана параллельная обратная связь по напряжению (рис. 3.33, а).

Рис. 3.33. Схемы инвертирующего усилителя (а), инвертора (б) и сумма

С выхода усилителя на его вход подастся напряжение обратной связи

где Ко* = /?//(/?/ + R0) — коэффициент передачи цепи обратной связи.

Вход «+» через резистор R2 соединен с корпусом, т.е. имеет нулевой потенциал. С учетом U₀ это означает, что потенциал точки инвертирующего входа тоже равен нулю. Входное сопротивление ОУ будет фактически равным /?/, а входной ток /_вх = U_bX/Rl.

Коэффициент усиления ОУ можно определить, используя другой признак идеальности ИМС: R_BX = oo. Из этого условия следует, что во входные выводы ИМС ток нс ответвляется, т.е. через резисторы R1 и R0 проходит один и тот же ток /_вх.

Резистор R0 находится под напряжением 1/_вых, так как его левый по схеме вывод имеет потенциал U₀ = 0. Поэтому с учетом выражения /_вх= U_BX/R1 получим

Коэффициент усиления ОУ при инвертирующем включении

т.е. определяется отношением сопротивлений резисторов в цепи обратной связи.

Так как обычно R0 много больше R1, то коэффициент передачи цепи обратной связи К_ол= R1/(R1+ R0) = R1/R0. Поэтому

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя /?_ин с отрицательной обратной связью по напряжению будет следующим:

Если принять ИМС идеальной (/^=оо), то /?_нн = 0.

Синфазный сигнал на входах ИМС в схеме отсутствует, так как потенциал неинвертирующего входа «+» равен нулю. Через входы реальной ИМС ОУ проходят токи, причем их влияние на выходное напряжение не ощущается при равенстве напряжений, которые создают указанные токи в симметричных цепях. Для этого сопротивления в цепях входов ИМС ОУ делают равными (/?/= R2).

Рассчитаем номиналы внешних резисторов инвертирующего ОУ на базе ИМС ОУ К140УД10. Полагая, что коэффициент усиления операционного усилителя должен быть равен 50, при входном напряжении U_m = 8 мВ и допустимом входном токе 500 нА определим сопротивление резистора Rl: Rl = U_BX/I_BX = 8 • 10″ [1] [2] /(500- 10

9 ) = = 16кОм. Сопротивление резистора R2 должно быть таким же (16кОм). Задаваясь коэффициентом усиления К_у = -R0/R1 = 50, определим сопротивление резистора R0: R0 = 50 RJ = 50 • 16 = = 800 кОм. В соответствии с ГОСТ 12661—67 выбираем номинал резисторов: Rl — R2- 16 кОм, R0- 820 кОм.

Инвертирующий повторитель на ОУ можно получить, выбрав в схеме сопротивления резисторов R1 и R2 равными, при R0 = 0 (рис. 3.33, б).

Инвертирующий сумматор напряжений на ОУ является частным случаем инвертирующего усилителя (рис. 3.33, в). К инвертирующему входу ИМС ОУ подключаем несколько резисторов с одинаковыми сопротивлениями Rl, R2. /?„, где п — число входов. По ним притекают токи от источников входных сигналов U

Сопротивление резистора определяется по формуле

но U_BX (рис. 3.34, а). Так как U₀ = 0 (следствие идеальности ИМС), то напряжение на резисторе R1 будет равно U_BX, а ток через резистор /= (J_BX/R1.

Полагая, что через входы ИМС ток нс проходит из-за большого входного сопротивления ИМС ОУ, можно считать ток через R0 равным /.

Напряжение на выходе ОУ равно сумме напряжений на резисторах R0 и Rl

Откуда коэффициент усиления ОУ при неинвертирующем включении

Входное сопротивление в этом усилителе велико. К сопротивлению между входами ИМС приложено напряжение ?/₀ = 0* Благодаря этому через схему проходит небольшой входной ток, что эквивалентно большому входному сопротивлению неинвертирующего усилителя:

Выходное сопротивление ОУ, наоборот, незначительно. Как и в случае инвертирующего операционного усилителя, /?_вых = = ^вх.аО + К_0ЛК_у).

В неинвертирующем ОУ потенциалы обоих входов ИМС приблизительно одинаковы (?/₀ = 0), но в данном случае равны потенциалу входа «+» ИМС, т.е. на входах ИМС действует синфазный сигнал, значение которого близко к U_bX. Резистор R2 создает равные падения напряжений на обоих входах.

Рассмотрим неинвертирующий повторитель напряжения на ОУ (рис. 3.34, б). Так как R0 = 0, то напряжение на выходе ОУ, соединенном с инвертирующим входом «-» ИМС, должно быть сбалансировано с напряжением неинвертирующего входа «+» и, следовательно, и_вых = U_BX.

Рис. 3.34. Схемы неинвертирующего усилителя (а) и повторителя (б)

Рис. 3.35. Дифференциальные операционные усилители на одном (а) и двух (б) ИМС ОУ

3. Дифференциальный операционный усилитель. В усилителе такого типа осуществляется усиление разностного сигнала. Его можно реализовать на одной или двух ИМС ОУ (рис. 3.35). В дифференциальном усилителе на одной ИМС сравниваемые сигналы подаются на входы «+» и «-» через резисторы R1 и R2 (см. рис. 3.35, а). Напряжение на выходе ИМС ОУ равно алгебраической разности напряжений, каждое из которых является результатом действия сигнала на инвертирующем и неинвертирующем входах с соответствующими коэффициентами усиления:

Подставляя в это выражение значения коэффициентов инвертирующего и неинвертирующего каскадов, получим

При R2= R3 и R0= RI напряжение 6/_вых = U+ — ?/_, т.е. схема осуществляет вычитание входных напряжений.

Недостатком этой схемы является ее неработоспособность при наличии синфазного сигнала на входах ИМС, гак как при U+- ?/_ * О сигнал сильно ослабляется первым каскадом ИМС ОУ.

Схема на двух ИМС ОУ (см. рис. 3.35, б) выполняет вычитание входных сигналов синфазного и несинфазного напряжений на входах. Последнее объясняется тем, что в каждом каскаде неин- вертируемые входы «+» соединены с «землей». При выбранном соотношении резисторов первый каскад является инвертирующим повторителем, поэтому в точке Д напряжения складываются с разными знаками и через одинаковые резисторы R2 и R3 поступают на вход «-» второго каскада, который является инвертирующим сумматором. Следовательно, ?/_вых = ?/_вх1 — U_Bx2.

Резисторы, присоединенные к входам «+» обеих ИМС, по назначению аналогичны резисторам R2 сумматора на ОУ (см. рис. 3.33).

5.1. Схемотехника оу

Во всех поколениях ОУ входной каскад обобщённо выполняется по схеме дифференциального каскада, т.к. именно он позволяет получить два входа. Дифференциальные каскады могут быть построены как на биполярных, так и на полевых транзисторах.

Элементарная схема, хотя и позволяет получить два входа, но входное сопротивление невелико. Чтобы его увеличить транзисторы VT1 и VT2 заменяются составными транзисторами, включенными по так называемой схеме Дарлингтона:

.

Это использовалось в ОУ 2-ого поколения.

Кроме бесконечно большого входного сопротивления от входного каскада надо также получить очень большой коэффициент усиления. , где – сопротивление в коллекторной цепи. Возникает сложность: с увеличением уменьшается. В этом можно наглядно убедиться, задаваясь конкретными значениями. Чтобы увеличить , а – оставить постоянным, надо увеличить . Но это сводит на «нет» все достоинства микроэлектроники. Поэтому в 3-ем поколении вместо омического резистора – , у которого сопротивление остаётся одинаково как для постоянного, так и для переменного тока – стали применять активные сопротивления (двухполюсники), которые для постоянного тока имеют –малое, а для переменного – очень большое сопротивление. Вместо биполярных используются – полевые транзисторы.

Схема с полевыми транзисторами и активной нагрузкой:

– для постоянного тока

– для переменного тока

С учётом того, что ОС по току даёт увеличение выходного сопротивления в величину – активная нагрузка выглядит: .

VT3 – является эмиттерным повторителем для сигнала, полученного на выходе VT1 и предназначен для того, чтобы полностью реализовать дифференциальный выход схемы (К при этом увеличивается в два раза).

Примечание: вход каскада симметричный , а выход – асимметричный.

2) Промежуточные каскады

Промежуточные каскады в ОУ 1-ого поколения выполнялись так же, как и входные по схемам дифференциальных каскадов, при этом их отличительной особенностью было то, что схема не имела ГСТ; имела асимметричный выход; в коллекторной цепи 1-ого транзистора отсутствовало сопротивление, то есть возможности использовались в два раза меньше. Т.к. ОУ является усилителем постоянного тока по существу, т. е. межкаскадные связи – гальванические, нельзя применять разделительные конденсаторы. Но принцип равных потенциалов (две точки можно соединить, если потенциалы равны – если наоборот, то необходим блок сдвига уровня) должен соблюдаться. Поэтому в задачу промежуточных каскадов также входит обеспечение сдвига уровня предыдущих каскадов к уровням последующих.

3) Оконечные каскады

Выходной каскад строится по схеме с общим коллектором с целью получения ничтожно малой величины выходного сопротивления и в него заводится ПОС по току, которая способствует уменьшению выходного сопротивления:

Оконечные каскады в ОУ 1-ого поколения были однотактными. ОУ 2-ого и 3-его поколений строятся по двухтактным схемам.

Схема выходного каскада ОУ широкого применения:

В ОУ 3-его поколения схемы – двухтактные и введены элементы защиты от КЗ на выходе.

Операционный каскад усилителя

Операционными усилителями (ОУ) представляет собой усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления, дифференциальным входом и малым значением напряжения смещения нуля и входного тока.. Кроме того, к ОУ предъявляются в большинстве случаев требование согласования входных и выходных напряжений по постоянной составляющей, что необходимо в тех случаях, когда ОУ охватывается обратной связью, пропускающий на вход постоянную составляющую выходного сигнала.

Термин "операционный усилитель" возник в аналоговой вычис­лительной техники, где подобные усилители с соответствующими обратными связями, применялись для модулирования различных мате­матических операций (интегрирование, суммирование и т.д.).

По принципу действия ОУ сходен с обычным усилителем. Как и обычный усилитель, он предназначен для усиления напряжения или мощности входного сигнала. Однако, тогда как свойства и параметры обычного усилителя полностью определены его схемой, свойства и параметры ОУ определяются преимущественно параметрами обратной связи. ОУ выполняют по схеме усилителей постоянного тока с нулевы­ми значениями входного напряжения смещения нуля и выходного напряжения. Они характеризуются также большим коэффициентом

усиле­ния, высоким входным и низким выходным сопротивлением.

В настоящее время ОУ выполняются, как правило, в виде монолит­ных интегральных микросхем и по своим размерам и цене практически не отличаются от отдельно взятого транзистора. Благодаря практически идеальным характеристикам операционных усилителей реализация схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах.

а) обозначение по ГОСТ;

б) обозначение в технической литературе

Рисунок 1.63 — Условное обозначение операционного усилителя

Операционный усилитель (условное обозначение которого показа­но на рисунке 1.63) имеет один или два входа. ОУ, имеющий два сим­метричных входа, выходной сигнал которого является функцией разности вход­ного напряжения или тока,

называется дифференциальным., полусуммы входных напряжений называется синфазным входным напряжением. Один из входов (обозначается " о ") называется инвертирующим и характери­зуется изменением фазы выходного сигнала на 180°. Второй вход ОУ называется неинвертирующим. Входной и выходной сигналы синфазны. Выводы +U, -U,┴ предназначены для подключения ОУ к двухполярному источнику электропитания. напряжения при отсутствии постоянного сигнала на входе. Выводы FC предназначены для коррекции частотной характеристики ОУ. Для компенсации смещения к выводам NC подключаются перемен­ные резисторы.

Структурная электрическая схема приведена на рисунке 1.64.

Рисунок 1.64 — Структурная схема операционного усилителя (а) и его

передаточная характеристика (б)

Схема структурная ОУ определяется входным каскадом, построенным по схеме дифференциального каскада с эмиттерной связью и резисторами нагрузки. Поскольку входное сопротивление дифферен­циального каскада обратно пропорционально уровню рабочего тока I_оду, то этот ток выбирается на уровне десятков микроампер [ напомним, что при уменьшении уровня тока I_оду улучшаются дрейфо­вые и шумовые параметры дифференциального усилителя (ДУ) ]. Из-за малого уровня тока I_оду простой ДУ обладает малым коэффициен­том усиления. Малое значение коэффициента усиления вынуждает использовать с схеме последующий каскад усиления напряжения (УН), а повышение постоянного уровня — влечёт за собой применение специального каскада для сдвига потенциалов из положительной облас­ти в отрицательную, чтобы затем получить двухполярный выходной сигнал. Схемы сдвига уровня, интегрирующее звено и формирователь выходного сигнала обычно совмещается в каскаде — усилитель ампли­туды сигнала (УАС). Для перехода к низкоомной нагрузке практически все ОУ заканчиваются повторителями напряжения

(ПН),которые почти не участвуют в формировании коэффициента усиления, но

опре­деляют нагрузочную способность ОУ. Каскады УН и УАС различаются тем, что первый работает в режиме малых сигналов, а второй — в режи­ме большого

сигнала. Условно можно сказать, что амплитуда сигнала в первом каскаде много меньше, чем во втором — соизмерима с уров­нем питающих напряжений.+U и -U. Полный коэффициент передачи ОУ:

где S₁— крутизна первого дифференциального каскада;

w — частота переменного гармонического входного сигнала;

С_к — ёмкость коррекции.

Формула показывает, что с ростом частоты w коэффициент усиле­ния ОУ понижается. Крутизна S₁ дифференциального каскада и ём­кость коррекции С_к влияют на скорость снижения коэффициента усиления ОУ. В то же время этой формулой нельзя пользоваться, если частота w—>0, так как в этом случае К →∞. Иначе говоря, эта формула отражает на постоянном токе свойства идеального ОУ. Поэтому в реальном усилителе рост коэффициента усиления будет продолжаться до тех пор, пока он не станет равным значению K(w=0) на постоянном напряжении. График зависимости коэффициента усиления ОУ от частоты входного сигнала приведена на рисунке 1.65,а. Этот график пос­троен в логарифмическом масштабе по формуле

где К [дБ]- коэффициент усиления в децибелах.

Пользуясь частотной зависимостью коэффициента усиления, мож­но определить предельную частоту ОУ, на которой коэффициент уси­ления становится равным единице (или К(w_пр) = 0дБ):

Рисунок 1.65 – Графики частотной зависимости коэффициента усиления

ОУ (а) и максимальной амплитуды выходного сигнала (б)

Динамические свойства ОУ часто описывают при помощи скорос­ти нарастания выходного напряжения V_Uвых. Следует отметить, что для определения скорости нарастания на вход ОУ необходимо подавать столь большое входное напряжение, чтобы дифференциальный кас­кад полностью переключался из одного состояния в другое. Ёмкость С_к должна быть настолько большой, чтобы усилитель имел устойчивый запас по фазе на частоте w_np (т.е. дополнительный набег фазы не пре­вышает 90°). Это позволяет использовать ОУ с замкнутой обратной связью без опасности его самовозбуждения. Уменьшение ёмкости С_к приводит к увеличению усиления и максимальной скорости нараста­ния, однако это можно сделать только в том случае, если коррекция выполняется внешним элементом.

Применение ОУ. Неинвертирующий и инвертирующий усилитель.

На рисунке 1.66 приведена схема неинвертирующего усилителя (не меняющего полярность усиливаемых сигналов), где сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ через разделительную цепочку С₁R₁. Цепочка С₂R₂ служит для коррекции частотной характеристики устройства на высоких частотах и устраняет возможности самовозбуждения ОУ.

Рисунок 1.66 – Схема принципиальная неинвертирующего усилителя выполненного на

Для стабилизации коэффициента усиления устройства, улучшения его характеристик, уменьшения коэффициента гармоник и т.д. с выхода ОУ на его инвертирующий вход подана последовательная обратная связь по напряжению. Глубина обратной связи определяется коэффициентом деления делителя R₃ / R₄. Коэффициент усиления такого устройства практически равен

И его можно изменять изменением сопротивления резистора R₃.

Рисунок 1.67 — Схема принципиальная инвертирующего усилителя выполненного на ОУ

На рисунке 1.67 приведена схема инвертирующего усилителя (меняющего полярность усиливаемых сигналов), где сигнал подается на инвертирующий вход ОУ через разделительную цепочку С₁R₁. Цепочка С₂ служит для коррекции частотной характеристики устройства на высоких частотах и устраняет возможности самовозбуждения ОУ. Для стабилизации коэффициента усиления устройства, улучшения его характеристик, уменьшения коэффициента гармоник и т.д. с выхода ОУ на его инвертирующий вход подана параллельная обратная связь по напряжению. Глубина обратной связи определяется коэффициентом деления делителя

R₂ / R₁. Коэффициент усиления такого устройства практически равен

И его можно изменять изменением сопротивления резистора R₂.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: