Лекция № 6. Назначение и принцип работы каскадов сдвига уровня и основы схемотехники выходных каскадов оу

План лекции

1. Назначение и принципы построения каскадов сдвига уровня.

2. Основы схемотехники выходных каскадов.

Назначение и принцип работы каскадов сдвига уровня

Эти каскады относятся к вспомогательным каскадам. Введение их в состав ОУ связано с тем, что он выполнен по схемотехнике усилителей постоянного тока, то есть с непосредственными гальваническими связями между каскадами. В результате этого от каскада к каскаду происходит сдвиг постоянной составляющей, поэтому, если не принять специальных мер, может оказаться так, что при нулевом входном сигнале на выходе ОУ будет ненулевое выходное напряжение достаточно большой величины.

Для того чтобы этого не происходило и предназначена схема сдвига уровня.

Рис. 34. К пояснению принципа сдвига уровня

Напряжение на выходе схемы в режиме покоя:

.

(55)

Предположим, что под воздействием сигнала усилителя, напряжение на коллекторе транзистора V₁ получило приращение ΔU_к (полезный сигнал), тогда:

	(56)
.	(57)

Получилось, что за счет схемы сдвига уровня, реализованного на делителе напряжения, произошло искажение полезного сигнала, а именно уменьшение усиления.

Поэтому одно из требований схем сдвига – чтобы они не искажали полезный сигнал.

В связи с этим принцип построения схем сдвига в ОУ основан на пропускании стабильного тока определенной величины через резистор определенного номинала. При этом, в зависимости от направления тока через этот резистор, эти схемы могут сдвигать постоянную составляющую как в сторону повышения, так и в сторону понижения напряжения относительно нуля.

Рис. 35. Схема сдвига уровня

Транзистор VТ₂ включен по схеме эмиттерного повторителя и обеспечивает согласование высокоомного выхода с коллектора VТ₂ с относительно низкоомным входом выходного каскада. Транзисторы VТ₃ и VТ₄ образуют ГСТ и формируют ток сдвига.

В исходном состоянии в режиме покоя выходное напряжение схемы равно:

(58)

Предположим, что под действием входного сигнала напряжение на коллекторе VТ₁ получило приращение ΔU_к, тогда:

	(59)
	(60)

Таким образом, приращение входного сигнала передается на выход без искажений. При этом напряжение сдвига можно регулировать за счет выбора величины тока сдвига или номинала резистора

В интегральных компараторах напряжения используется более простая схема сдвига, основанная на применении стабилитронов:

Рис. 36. Схема сдвига на стабилитронах

Такую схему в ОУ не применяют по причине высокого уровня шума. Кроме того, здесь нельзя регулировать напряжение сдвига. Регулировать напряжение сдвига в подобной схеме можно, если вместо стабилитрона включить несколько диодов в прямом направлении.

Основы схемотехники выходных каскадов оу

Выходной каскад ОУ должен обеспечивать большую амплитуду выходного напряжения, большой выходной ток, низкое выходное сопротивление и иметь защиту от короткого замыкания.

Простейший выходной каскад – эмиттерный повторитель, запитанный от двухполярного источника:

Рис. 37. Схема простого выходного каскада

Однако, эта схема имеет недостаток – искаженное воспроизведение в нагрузке отрицательной полуволны входного сигнала.

Для положительной полуволны в нагрузке течет ток через открытый транзистор.

Для отрицательной полуволны транзистор призакрывается, и ток нагрузки течет через неуправляемый R_э, который изменяет коэффициент передачи каскада, так как образует делитель напряжения.

Кроме того, этот каскад работает в режиме класса А и имеет низкий КПД.

Для повышения экономичности пассивный резистор R_э можно заменить на транзистор противоположного типа проводимости по отношению к основному.

Рис. 38. Выходной каскад на комплементарных транзисторах

Транзисторы VТ₁ и VТ₂ образуют двухтактный выходной каскад на комплементарных (взаимодополняющих) транзисторах. VТ₃ – транзистор предварительного усиления.

Когда U_{(б1, б2)} > 0 ток в нагрузку течет от +Е_п через транзистор VТ₁ и обеспечивает низкое выходное сопротивление каскада.

Когда U_{(б1, б2)} < 0 ток в нагрузку течет через транзистор VТ₂ на –Е_П и тоже обеспечивается низкое выходное сопротивление каскада.

Однако здесь транзисторы VТ₁ и VТ₂ работают в режиме класса В, что обеспечивает высокую экономичность, но за счет специфичности входных характеристик транзисторов здесь обеспечивается нечувствительность к входному сигналу на величину 2U_бэот. Что приводит к нелинейным искажениям выходного сигнала, которые называют искажениями типа ступеньки, что изменяет спектр выходного сигнала.

Рис. 39. Искажение выходного сигнала

Для исключения этого недостатка схему переводят в режим класса АВ путем введения диодов смещения VD₁ и VD₂.

Рис. 40. Базовая схема выходного каскада

Это классическая схема выходного каскада в современных ОУ. Но только в силу того, что у интегрального p-n-p транзистора хуже усилительные свойства вместо одиночного транзистора VТ₂ устанавливают составной транзистор и также эту схему дополняют элементами защиты от короткого замыкания.