79886

Усилители постоянного тока. Операционные усилители

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Коэффициент усиления Ку отношение приращения значения выходного напряжения к вызвавшему его изменению дифференциального входного напряжения. Входное сопротивление для синфазного сигнала rсф величина равная отношению приращения синфазного входного напряжения к приращению среднего входного тока ОУ rсф обычно на 1 2 порядка больше rвх.сф определяется как отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению синфазного входного сигнала. Коэффициент влияния нестабильности источника питания Кп отношение изменения...

Русский

2015-02-15

415.5 KB

2 чел.

Лекция 4

Усилители постоянного тока. Операционные усилители

 

Усилитель постоянного тока (УПТ) – это усилитель, обеспечивающий усиление сигналов постоянного тока, медленно изменяющихся сигналов и переменных сигналов. Наибольшее применение в качестве УПТ нашли операционные усилители.

Операционным усилителем (ОУ) называется усилитель электрических сигналов, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью (ООС). С появлением интегральных ОУ они начали широко использоваться в устройствах усиления, генерирования, фильтрации, модулирования и демодулирования сигналов и многих других устройствах.

Параметры ОУ и УПТ, характеризующие его качество, весьма многочисленны. Основные из них следующие.

Коэффициент усиления (Ку)отношение приращения значения выходного напряжения к вызвавшему его изменению дифференциального входного напряжения.

Напряжение смещения (Uсм) — напряжение, которое необходимо приложить между входами ОУ для получения нуля на выходе ОУ.

Средний входной ток (iвх) — среднее арифметическое значение входных токов, измеренных при таком входном напряжении, при котором выходное напряжение ОУ равно нулю.

Разность входных такав (Diвх) — абсолютное значение разнести токов двух входов усилителя, измеренных тогда, когда напряжение на выходе ОУ равно нулю.

Температурный дрейф входного тока — коэффициент, равный отношению максимального изменения входного тока ОУ к вызвавшему его изменению окружающей температуры.

Температурный дрейф входных токов приводит к дополнительной погрешности

Значения температурных коэффициентов входного тока и разности входных токов ОУ приводятся в справочных данных усредненными в определенном температурном диапазоне.

Входное сопротивление (rвх) — сопротивление одного из входов ОУ, в то время как другой вход закорочен. Это сопротивление также называют входным сопротивлением для дифференциального сигнала.

Входное сопротивление для синфазного сигнала (rсф) — величина, равная отношению приращения синфазного входного напряжения к приращению среднего входного тока ОУ (rсф обычно на 1—2 порядка больше rвх).

Коэффициент ослабления синфазного сигнала (Ксф) — отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала Ку к коэффициенту усиления синфазного сигнала Ку.сф (Ку.сф определяется как отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению синфазного входного сигнала).

Коэффициент влияния нестабильности источника питания (Кп) — отношение изменения напряжения смещения к вызвавшему его изменению одного из питающих напряжений DЕп.

Выходное сопротивление (rвых) — отношение приращения выходного напряжения ОУ к вызвавшей его активной составляющей выходного постоянного или переменного тока.

Частота единичного усиления ( fед) — частота, на которой модуль коэффициента усиления ОУ равен единице. Частота единичного усиления при 100 %-ной ООС с цепями коррекции частотной характеристики ОУ называется частотой среза (fср).

Граничная частота (fгр) — максимальная частота синусоидального сигнала, при которой сохраняется гарантированный эффективный диапазон синусоидального выходного напряжения ОУ.

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения (v) — наибольшая скорость изменения выходного напряжения ОУ при подаче на его вход импульса прямоугольной формы максимально допустимой амплитуды.

Время восстановления выходного напряжения — время с момента снятия входного напряжения до момента, при котором , где Uнас — напряжение насыщения ОУ.

Время установления выходного напряжения — время, в течение которого выходное напряжение ОУ изменяется от уровня 0.1 до уровня 0.9 от установившегося значения при апериодическом процессе и при воздействии на вход импульса напряжения прямоугольной формы.

Шумовые характеристики ОУ. Эквивалентная схема ОУ с шумовыми источниками напряжения и тока показана на рис. 1.1.1. Напряжение шума включает в себя три некоррелированные составляющие: Uш1составляющую, обусловленную тепловым шумом (белый шум), Uш2составляющую, обусловленную диффузией неосновных носителей, Uш3составляющую, вызванную поверхностными явлениями в полупроводнике (фликкер-шум или розовый шум):

Значение шумового тока зависит от входного тока и полосы пропускания ОУ:

, где q — заряд электрона.

В практических расчетах шумовые составляющие Uш и iш с достаточной степенью точности можно считать некоррелированными. Кроме того, шумовые составляющие по отдельным входам ОУ также можно считать некоррелированными и приблизительно одинаковыми. Таким образом, если iш1 = iш2, R1 = R2 = R, то суммарное шумовое напряжение, приведенное ко входу ОУ,

, k=1.38 ×10-2.8 Дж/К.

Спектральная плотность белого шума Sб(f) = S0 примерно одинакова во всей полосе пропускания ОУ. Суммарную спектральную плотность шума можно записать в следующем виде:

.

УПТ на транзисторах

Для построения хороших, стабильных усилителей – надо сделать усилитель с большим коэффициентом усиления (хорошо бы около 1 000 000), а затем применить отрицательную обратную связь (ООС). И не важно, что большой коэффициент усиления получается плохим, невоспроизводимым, с неравномерной частотной и фазовой характеристиками и т.д. Величина ООС задаётся пассивными элементами, например ре

зисторами, а они обладают хорошей стабильностью.


Давайте посмотрим, как можно сделать усилитель с хорошим коэффициентом усиления. Пусть это схема с общим эмиттером (ОЭ), использующая
n-р-n транзистор.

Здесь мы не ввели никаких лишних деталей, считая, что на входе есть постоянная и переменная составляющие сигнала, и на выходе мы сумеем выделить нужные составляющие сигналов. Поэтому у нас есть только резистор R и напряжение питания Еп. Напишем выражение для Uвых:

Мы написали это выражение в таком виде, чтобы точно увидеть, как оно зависит от температуры. Но при этом мы будем считать, что при изменении температуры одновременно изменяется и входной сигнал, так, чтобы на выходе всё оставалось постоянным. Итак, мы считаем, что Uвых, Еп, R и I0 остаются постоянными (последнее, правда, немного меняется, но гораздо меньше, чем члены в экспоненте). Поэтому можно полагать, что меняются только Uбэ и Т – напряжение база-эмиттер и абсолютная температура. (q и k – мировые константы – заряд одного электрона и постоянная Больцмана.) Продифференцируем по Т и приравняем к нулю.

Сокращая лишние члены, получим:

На первый взгляд это может быть всё что угодно – какое-то напряжение, делённое на какую-то температуру.

Но температура эта абсолютная, т.е в градусах Кельвина, и близка к комнатной. Значит, это примерно 3000К. А напряжение – это примерно контактная разность потенциалов, так как р-п переход эмиттер-база смещён в прямом направлении. Следовательно, всё зависит от материала: для кремния это 0,6 В, а для германия 0,3 В. Поделив контактную разность потенциалов на температуру, получим:

Материал

dUбэ/dT, мВ/0К

Si

2

Ge

1

Видно, что германий в 2 раза лучше (термостабильнее), чем кремний. Но в современных условиях кремний гораздо технологичнее (дешевле).

Итак, у кремниевых транзисторов приведённый ко входу температурный дрейф составляет всего 2 мВ/0К. Чтобы узнать, что будет на выходе, надо это умножить на перепад температуры и коэффициент усиления. У работающего транзистора перепад температуры вполне может быть 10 0К, а коэффициент усиления у двух- трёхкаскадного усилителя может быть 1000...100000. Получается 20...2000 В. Это очень много.

Конечно, можно использовать полевые транзисторы, у них температурный дрейф гораздо меньше. Но есть несколько способов борьбы с температурным дрейфом и в биполярных транзисторах. Например, известный способ разделения сигнала на постоянную и переменную составляющие при помощи разделительных конденсаторов. Кроме того, можно преобразовать сигнал в высокочастотный, а после усиления выпрямить (модуляция-усиление-демодуляция).

Но наибольшее распространение получил метод дифференциального каскада. Рассмотрим его

подробнее.


На рис. представлена схема, состоящая из двух по возможности одинаковых транзисторов, двух коллекторных резисторов, тоже одинаковых, и одного эмиттерного резистора, общего для двух транзисторов. Схема имеет два входа и один разностный выход. Здесь также обычно используется
два источника питания.

Обычно +/– Еп одинаковые. И если Uвх близки к нулю, то на эмиттерном сопротивлении падает большое и почти постоянное напряжение, поэтому ток, протекающий через это сопротивление, тоже почти постоянный. Это значит, что мы задали ток эмиттеров. Далее этот ток разделяется на две части, и протекает через два транзистора.

А теперь давайте рассмотрим случай одинаковых входных напряжений – синфазный входной сигнал. Теоретически если на входах синфазный сигнал, то ток, протекающий через транзисторы, будет одинаковый, т.е. разделится пополам. Но этот ток задан резистором и почти не зависит от входного сигнала. Поэтому отклик на синфазный сигнал очень мал, а так как мы на выходе берём разностный сигнал, то он вообще близок к нулю. Это обусловлено тем, что в эмиттере напряжение будет меняться почти также, как и в базах: разность потенциалов между базой и эмиттером меняется гораздо меньше, чем на входах.

Дифференциальный сигнал также одинаков на обоих входах, но противоположен по фазе. Поэтому на эмиттерах напряжение почти не меняется, полный эмиттерный ток тоже, а на базах транзисторов напряжение меняется гораздо сильнее, и это приводит к тому, что токи через транзисторы меняются в разные стороны: на одном транзисторе увеличивается, а на другом – уменьшается, хотя в сумме он остался неизменным. Поэтому сигнал на выходе (на коллекторах) будет сильным, да ещё в два раза больше, так как он получается как разность между двумя коллекторами.

Дело заключается в том, что для синфазного сигнала схема аналогична схеме с ОК: есть сильная ООС благодаря наличию эмиттерного сопротивления; а для дифференциального сигнала – аналогична схеме с ОЭ: напряжение на эмиттерах практически не меняется, поэтому можно считать, что эмиттеры как бы заземлены. Итак, дифференциальный сигнал хорошо усиливается, как в схеме с ОЭ, а синфазный сигнал сильно ослабляется, как в схеме с ОК во-первых, и за счёт вычитания коллекторных сигналов во-вторых.

Если сигналы Uвх1 и Uвх2 произвольные, то можно вычислить синфазную и дифференциальную составляющие по формулам:

и наоборот:

Обычно для хороших дифференциальных каскадов трудно подобрать достаточно близкие по параметрам транзисторы и даже резисторы коллекторов, поэтому на практике уже давно, ещё до возникновения микроэлектроники, стали делать спаренные транзисторы, которые находятся очень близко друг к другу, изготовлены в одном технологическом режиме и имеют почти одинаковую температуру. Такие транзисторы не надо подбирать – они созданы специально похожими, чтобы получать очень низкий коэффициент усиления синфазного сигнала Ксин. А при переходе на микроэлектронику вообще все дифференциальные каскады стали делать интегральным способом. Обычно в этом случае Кдиф = 100...400, а Ксин =0,1...1. Для оценки качества дифференциального каскада вводят коэффициент ослабления синфазного сигнала (КООС):

Это лежит в пределах 400...1000, или в децибеллах 50...60 дБ.

Почему нам так важен синфазный сигнал? Дело в том, что различные дрейфы транзисторов: старение, тепловой дрейф и так далее – это эквивалентно подаче на входы одинаковых сигналов, то-есть синфазному сигналу. Поэтому если синфазнвй сигнал сильно ослаблен, то и тепловой дрейф тоже ослаблен. И мы видим, что коэффициент усиления дифференциального сигнала в 1000 раз сильнее, чем, скажем, тепловой дрейф. Но это значит, что дифференциальный каскад годится для первого каскада усилителя, который будет предназначем для усиления с большим коэффициентом усиления, чтобы потом использовать его для усилителя с ООС. Такие усилители называются операционными (ОУ).

Итак, почти всегда для изготовления ОУ делают первым каскадом дифференциальный. Но у

разных ОУ он бывает разным. Часто вместо обычных транзисторов берут сдвоенные, см. рис.


Здесь мы уже применили принятое в микроэлектронике условное обозначение транзисторов:
без кружочка, обозначающего, что у транзистора есть свой корпус. В микроэлектронике этого обычно не бывает.

У такого каскада коэффициент усиления сдвоенных транзисторов гораздо больше (1002=10000). Именно из-за большого коэффициента усиления они и используются.

Но можно использовать супер-вета транзисторы – это специально изготовленные транзисторы с очень маленькой базой и большим перепадом концентраций в эмиттерной и базовой области. Коэффициент усиления у них может достигать 5000 и более. К сожалению, эти транзисторы требуют очень точной технологии, и, кроме того, они не выдерживают больших напряжений. Поэтому для защиты от пробоя к ним надо добавлять ещё по одному транзистору. Из-за большой технологической сложности супер-бета транзисторы используются редко.

Иногда входные каскады полезно сделать на основе полевых транзисторов, так как они имеют очень большое входное сопротивление. Чаще используют полевые транзисторы с р-п переходом. Но всё же это тоже слишком большое усложнение технологии.

Поэтому в большинстве ОУ используют одинарные биполярные транзисторы, но принимают меры к тому, чтобы улучшить генератор тока эмиттера, и вместо резистора используют транзистор. Но чаще всего для этой цели используется схема, которая называется "токовое зеркало".

Она изображена на рис.:


Здесь использованы два одинаковых транзистора (лучше изготовленных в одном цикле), и через правый, включённый по схеме диода (коллекторный р-п переход закорочен, и остаётся только эмиттерный р-п переход) пропускается прямой ток. Этот ток определяется формулой:

Этот ток ни от чего не зависит. Он постоянен. Но значит и напряжение в его базе и базе соседнего транзистора одинаково и таково, что обеспечивает протекание точно такого же тока и через соседний транзистор:

У нас получилось как бы зеркало: ток, который протекает через правый транзистор, протекает и через левый, отражается. Но этот ток не зависит от напряжения на коллекторе левого транзистора. Значит, у нас получился генератор тока. И очень хороший генератор тока, так как у него очень большое выходное сопротивление, равное дифференциальному сопротивлению коллектора, которое, как мы помним, составляет 100 кОм...10 МОм. Если использовать такой хороший генератор тока, получится увеличение КООС до 1 000 000 (120 дБ).

В дифференциальном каскаде мы обсудили почти все проблемы. Осталось обсудить только выход. А он, как мы знаем, должен быть разностным. Это значит, что его нельзя заземлить.

Но если сделать вычитающее устройство? Оказывается, это можно с помощью токового зеркала, см. рис. внизу. Два верхних транзистора имеют тип р-n-р. Поэтому у них эмиттеры с другой стрелкой и подсоединены к положительному питанию, а коллекторы внизу и идут к минусу. Правый транзистор, как у токового зеркала, служит диодом (база-коллектор закорочены). Поэтому он точно пропускает ток, который проходит через правый транзистор дифференциального каскада. И этот же ток проходит через левый транзистор токового зеркала. Но по схеме он соединён с коллектором левого транзистора дифференциального каскада. Получается противоречие: нижний транзистор даёт ток I1, а верхний – ток I2. Это противоречие разрешается тем, что к соединению

коллекторов подключён ещё один провод, и разница токов уходит по нему в следующий каскад.

Схема типового УПТ на ОУ приведена на рис.1.

Рисунок 1.

Типовая АЧХ УПТ приведена на рис.2 и определяется диапазоном рабочих частот от 0 до fгр., крутизной спада характеристики в дБ/Окт или дБ/дек, неравномерностью АЧХ в диапазоне рабочих частот.

Рисунок 2

Компенсация напряжения смещения ОУ

Практически напряжение смещения Uсм компенсируется либо балансировкой входного каскада ОУ (для этих целей в ОУ имеются специальные выводы), либо включением компенсирующего напряжения на один из входов ОУ. При изменении температуры появляется дополнительная составляющая напряжения смещения , где  — коэффициент влияния температуры на Uсм. Вследствие прогрева кристалла микросхемы или при быстром изменении температуры напряжение смещения может претерпевать значительные изменения. В зависимости от размеров кристалла переходной процесс в воздухе устанавливается в течение 1—500 мкс (при включении питания). Быстрое изменение нагрузки также приводит к неравномерному нагреву кристалла.

Характер изменения Uсм во времени при включении питания (медленный прогрев) и скачкообразном изменении температуры или нагрузки показан на рис. 1.2.1.

Компенсация Uсм с помощью балансировки входного каскада ОУ приводит к дополнительной погрешности от температурного дрейфа. Так, если с помощью переменного резистора, подключенного к специальным выводам ОУ, сбалансирован первый (входной) каскад, то температурный дрейф напряжения смещения увеличится по сравнению с исходным температурным дрейфом примерно на величину  где Uсмвеличина скомпенсированного напряжения смещения, мВ. Эта формула справедлива для дифференциальных входных каскадов ОУ, в эмиттерных цепях которых отсутствуют резисторы. Если имеются такие резисторы, то этот температурный дрейф уменьшается пропорционально отношению полного сопротивления эмиттерной цепи к динамическому сопротивлению эмиттера. Для дифференциальных каскадов ОУ, построенных на полевых транзисторах, увеличение температурного дрейфа примерно такое же, как и для каскадов с биполярными транзисторами (примерно 3 мкВ/°С), однако напряжение смещения у ОУ с полевыми транзисторами обычно значительно больше.

Компенсация Uсм путем подключения на входе ОУ специальной цепи, формулирующей компенсирующее напряжение, не приводит к дополнительному росту температурного дрейфа. На рис. 1.2.2, а, б и в показаны типовые схемы цепей регулировки напряжения смещения нуля для инвертирующего, неинвертирующего и дифференциального усилителей соответственно. Регулировка напряжения смещения в этих схемах осуществляется введением на соответствующий вход ОУ компенсирующего напряжения.

Расчет компенсирующей цепи осуществляется, исходя из условия обеспечения на резисторе R4 напряжения несколько большего, чем ±Uсм, при этом R4  RЗ. Потенциометр #5 (5—10 кОм) подключается обычно к источникам питания ОУ. Сопротивления резисторов R3 в схемах рис. 1.2.2, б, в необходимо выбирать такой величины, чтобы при изменении R5 коэффициент передачи усилителей изменялся в пределах заданной погрешности.

Рис. 1.2.1. График изменения напряжения смещения нуля ОУ во времени при медленном и скачкообразном прогреве кристалла

а

б

в

г

Рис. 1.2.2. Схемы регулировки напряжения смещения нуля инвертирующего (а), неинвертирующего (б), дифференциального (в) усилителей и ОУ, имеющего специальные выводы (г)

Для компенсации температурного дрейфа напряжения смещения используется метод термокомпенсации, основанный на идентичности зависимостей температурного дрейфа биполярного ОУ и прямосмещенного p-n-перехода. На рис. 1.2.2, г показана термокомпенсирующая цепь, в которой напряжение на регулирующем потенциометре R1 формируется с помощью перехода база — эмиттер транзистора V1. Ток, протекающий через резистор R2, делится на ток через резистор RЗ и ток через V1. Ток, протекающий через RЗ, создает напряжение управления транзистором. Если ток базы V1 много меньше тока через резистор RЗ, то ток коррекции смещения будет равен . Данная схема используется для ОУ, во входном дифференциальном каскаде которого отсутствуют резисторы в эмиттерных цепях. Если такие резисторы имеются, то в эмиттерную цепь транзистора V1 необходимо включить резистор примерно такой же величины, как и в эмиттерных цепях входного каскада ОУ.

В высокоточных повторителях напряжения компенсацию напряжения смещения можно осуществлять с помощью формирования напряжения в цепи ООС. Схема регулировки напряжения смещения нуля в повторителе напряжения показана на рис. 1.2.3. Напряжение компенсации в данной схеме регулируется с помощью потенциометра R1, питание которого осуществляется от стабилитронов V1, V2. Для повышения стабильности V1 и V2 запитаны от источников тока.

Рис. 1.2.3. Схема регулировки напряжения смещения нуля ОУ в повторителе напряжения

PAGE   \* MERGEFORMAT 8


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

50537. Проект базы данных по учету данных физических и юридических лиц с использованием Microsoft Access 563.5 KB
  В качестве инструмента построения базы данных использован Microsoft ccess. Вот только некоторые из преимуществ использования вычислительной техники при работе с какими либо данными документами: возможность оперативного контроля за достоверностью информации уменьшается число возможных ошибок при генерировании производных данных; сразу после ввода данные могут участвовать в различных операциях; возможность быстрого получения необходимых отчетов; существенная экономия времени и людских ресурсов при выполнении операций связанных с...
50538. ПРИБОР РЕГИСТРИРУЮЩИЙ ДИСК 250М 3.64 MB
  Кроме того можно заказать комплект принципиальных электрических схем прибора по форме: Комплект схем прибора регистрирующего ДИСК 250М. Для подключения прибора к компьютеру можно дополнительно заказать преобразователь интерфейсов ND6520. Таблица 1 Исполнения приборов Обозначение исполнения прибора Функциональные особенности исполнения 10 регистрация; цифровая индикация результата измерения источник питания внешних датчиков. Возможна работа прибора с узлом внешней термокомпенсации блоком соединительным выпускаемым на заводе и...
50540. Подготовка лечебно-профилактических учреждений к работе в чрезвычайных ситуациях 187 KB
  Изучить основные мероприятия, направленные на повышение устойчивости работы лечебно-профилактических учреждений в условиях возможных чрезвычайных ситуациях мирного времени: функционирование систем жизнеобеспечения больницы и организации лечебной работы, создание запасов медицинского, санитарно-хозяйственного и прочего имущества; организация связи, организация убежищ и противорадиационных укрытий.
50541. Сеть Хопфилда 44.5 KB
  Клетки таблиц – это пиксели изображения. Чтобы изменить цвет пикселя просто наведете на него указатель мыши и нажмите левую клавишу. Чтобы запомнить образец нажмите кнопку «Модифицировать» и перейдите к следующему образцу. После внесения изменений обучите нейронную сеть и проверьте её работоспособность.
50544. Расчет сопротивления заземляющего устройства, состоящего из вертикальных электродов, соединенных горизонтальной полосой 121 KB
  Вычислить длину горизонтальной полосы соединяющей вертикальные электроды м для электродов расположенных в ряд; м для электродов расположенных по контуру.
50545. Изучение нормального закона распределения случайных величин (закон Гаусса) на основе опытных данных 95.5 KB
  Составить интервальную таблицу частот статистический интервальный ряд распределения: а Разбить весь диапазон случайных величин на k интервалов: 107; 108 108; 109 и т. Строки 13 Таблицы 2 называют статистическим интервальным рядом распределения. Интервальный ряд распределения изобразить графически в виде гистограммы.