Усилительные параметры ду в режиме малого сигнала

I_k1*R_k1 @ I_k2*R_k2 < E₁ - U_синф

Оба транзистора находятся в усилительном режиме даже при большом значении синфазного сигнала U_синф

R_k1 = R_k2 < R_э

I_э01 = I_э02 = I₀/2 при U_д = 0

Транзисторы одинаковы и через них протекает одинаковый ток.

R_г = 0;

K_u1 =

входное сопротивление транзистора VT₁ , у которого в цепи эмиттера нагрузка в виде ОБ.

R_вхобТ2 @ r_э2; r_э1 @ r_э2 = 2j_T/I₀

K_u2 =

К_д = DU_вых/DU_д = K_u2 – K_u1 @ bR_k/r_бэ @ R_kI₀/2j_T

Дифференциальный коэффициент усиления ДУ равно коэффициенту усиления одиночного транзистора ОЭ.

Усиление ДУ зависит от величины коллекторного сопротивления R_k и от режимного тока, следовательно, для увеличения усиления необходимо увеличить R_k

К_с = DU_вых/DU_с = K_u1 + K_u2 @ R_k/2R_э

Синфазный коэффициент усиления зависит от величины R_э и для уменьшения К_с необходимо увеличить R_э

К_осс @ К_д/К_с @ R_э/r_э = R_эI₀/j_T

Для того, чтобы коэффициент ослабления синфазного сигнала был очень большим К_осс ® ¥ , необходимо, чтобы эмиттерное сопротивление было большииммR_э®¥. Простой ДУ не обладает высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала К_осс.

Недостатки простого ДУ. Трудно получить большой коэффициент усиления по напряжению. Если использовать большое коллекторное сопротивление R_k, то необходимо использовать и высоковольтное питание. Входное сопротивление невысокое, невысокий коэффициент ослабления синфазного сигнала K_occ. Из-за технологического разброса не удается полностью устранить дрейф.

Для повышения коэффициента ослабления синфазного сигнала К_осс необходимо увеличивать эмиттерное сопротивление R_э, но при больших R_э1 и сохранении начального тока I₀ необходимо увеличивать напряжение питания, а это ограничивает использование таких усилителей. Выход из ситуации: I₀ = const. По постоянному току цепь имеет небольшое сопротивление, а по переменному - очень большое. В качестве такого элемента используются источники тока.

Для повышения коэффициента усиления по напряжению K_u необходимо увеличить коллекторное сопротивление R_k , а это связано с повышением питания. Кроме того, в ДУ симметричный выход, поэтому следующий каскад, желательно, чтобы тоже был симметричным. При симметричном выходе сохраняется условие баланса и можно обеспечить согласование режимов по постоянному току, если использовать p-n-p и n-p-n транзисторы. Однако интегральные p-n-p транзисторы имеют худшие характеристики, чем n-p-n. Таким образом, использование источника тока как в цепях эмиттера, так и в цепях коллектора ДУ позволяет обеспечить высокие усилительные параметры такого ДУ. Т. к. можно на сложном ДУ обеспечивает основное усиление УПТ.

Лекция 8. Операционные усилители.

Рассматриваемые вопросы:

Классификация операционных усилителей (ОУ). Основные параметры и характеристики. Типовые структуры и каскады ОУ. Применение ОС для созда­ния устройств аналоговой обработки сигналов.

Основная литература:

1. Ф.И.Вайсбурд, Г.А.Панаев, Б.Н.Савельев. Электроные приборы и усилители. Изд.3-е, стереотипное. – М.: КомКнига, 2005. – 472 с.

2. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника и МПТ: Учебник для вузов - М.: Высш. шк., 2005. - 799 с.

Операционные усилители (ОУ) относятся к универсальным уси-лительным элементам. В настоящее время под ОУ понимают усилитель постоянного тока с дифференциальным высокоомным входом, одним низкоомным выходом и бесконечно большим коэффициентом усиления.

Современные ОУ работают в диапазоне частот от нуля до десятков мегагерц. Обычно на ОУ подают положительное и отрицательное напряжения питания, а общий провод схемы гальванически соединен внутри ОУ с одним из его входов.

Операционные усилители первоначально предназначались для выполнения математических операций над аналоговыми сигналами в аналоговых вычислительных машинах. Таким образом, в классической электронике операционными или решающими усилителями называли линейный преобразователь, при помощи которого путем введения обратных связей можно осуществить операции суммирования, вычитания, логарифмирования и другие.

Идеальный операционный усилитель должен обладать следующими свойствами:

1. Бесконечно большой коэффициент усиления по напряжению при разомкнутой петле обратной связи: К_U®¥ .

2. Бесконечно большое входное и нулевое выходное сопротивления: Z_ВХ®¥ , Z_ВЫХ = 0.

3. Отсутствие линейных и нелинейных искажений, что предпола-гает, в частности, бесконечно большой диапазон частот: D_f®¥, отсутствие задержки при прохождении сигналов через ОУ и бесконечно большой динамический диапазон.

4. Равенство нулю выходного напряжения при нулевом (U_ВХ =0) или синфазном (U_ВХ1 =U_ВХ2) входном напряжении.

В реальных микросхемах ни одно из этих свойств не может быть выполнено полностью, однако к ним можно приблизиться с достаточной для многих практических приложений точностью.

Параметры, описывающие качество ОУ, можно разделить на четыре группы: точностные, динамические, эксплуатационные и надежностные.

К точностным параметрам ОУ относятся: коэффициент усиления (К_U), коэффициент ослабления синфазного сигнала (К_ОСС), напряжение смещение нуля (U_СМ), входной ток (I_ВХ), разность входных токов по инвертирующему и неинвертирующему входам (I_Р), коэффициенты температурных дрейфов перечисленных параметров.

Параметры, характеризующие быстродействие ОУ, можно разделить на параметры для малого и большого сигнала.

К первой группе динамических параметров относятся: частота среза (f_СР), частота единичного усиления (f_Т) и время установления (t_У). Эти параметры называются малосигнальными, так как измеряются в линейном режиме работы каскадов ОУ (U_ВХ.Д. £ 50 мВ, D U_ВЫХ  1 В).

Ко второй группе относятся скорость нарастания выходного напряжения (U) и мощностная полоса пропускания (f_Р). Эти параметры измеряются при большом дифференциальном входном сигнале.

Эксплуатационные параметры ОУ определяют допустимые режи-мы его входных и выходных цепей, требования к напряжениям источ-ников питания. Ограничения эксплуатационные параметров обуслов-лены конечными значениями пробивных напряжений и допустимыми токами через транзисторы ОУ. Сравнительно низкие допустимые значения напряжений на входах и в цепях питания сдерживают применение ОУ в электротехнической аппаратуре. Небольшие значения выходного тока и напряжения сдерживают использование ОУ в электромеханических приборах, цепях сервопривода и управления электродвигателями, схемах дистанционного управления, звуковос-производящей аппаратуре и так далее. Ограничены допустимая емкость и сопротивление нагрузки, подключаемые к выходу ОУ.

К эксплуатационным параметрам ОУ относятся, также, климатические и другие условия работы (допустимые значения температуры, давления, влажности, радиационная стойкость и другие).

Параметры надежности определяются гарантируемыми значениями интенсивности отказов, временем наработки на отказ и другими вероятностными характеристиками, определяющие работоспособность ОУ.

Отечественная промышленность выпускает несколько десятков наименований интегральных ОУ, которые можно разбить на несколько групп, определяемых значениями и соотношениями параметров:

общего назначения; прецизионные; с повышенным входным сопротив-лением; быстродействующие; частного применения; микромощные.

Необходимо отметить, что перечисленные группы параметров “взаимоисключают” друг друга, то есть ОУ, имеющие высокую точность, имеют малое быстродействие и наоборот. Попытка улучшить и точностные и динамические параметры ведет к усложнению схемы ОУ и, следовательно, к ухудшению эксплуатационных показателей и параметров надежности. В связи с этим при разработке аналоговой аппаратуры часто возникают такие практические задачи, как: повышение быстродействия прецизионных ОУ, повышение точности быстродействующих ОУ; обеспечение работы в большем диапазоне параметров и так далее.

Интегральные ОУ общего назначения представляют собой универсальные, многофункциональные усилители, имеющие наилучший баланс значений параметров в отличие от ОУ частного применения, к которым предъявляются повышенные требования лишь по одному или нескольким параметрам. К микромощным ОУ относятся усилители с микроваттным потреблением мощности, которое достигается как путем уменьшения тока потребления, так и путем снижения напряжений источников питания.

Реальные схемы современных ОУ отличаются друг от друга схемами каскадов, технологией их изготовления и вследствие этого параметрами. В основу ОУ положено трехкаскадная структура. Входной (дифференциальный) каскад (ДК) представляет собой дифферен-циальный усилитель, выполненный на БТ или ПТ и предназначенный для согласования ОУ с источником сигнала и подавлением синфазных помех. В качестве промежуточных каскадов усиления (ПКУ), предназначенных для основного усиления ИМС, использованы усилители, выполненные на транзисторе с общим эмиттером.

Для согласования уровней выходных сигналов ДУ с напряжениями смещения на входах промежуточного усилителя в аналоговых микросхемах используют схемы сдвига уровня, выполненные на базе эмиттерного повторителя. Эта схема сдвига уровня обеспечивает низкое выходное сопротивление.

Третьим звеном является выходной каскад усиления (ВКУ) с низким выходным сопротивлением и защитой от короткого замыкания.

Таким образом, общая структурная схема ОУ имеет вид

Для практического измерения коэффициента усиления ОУ применяется схема показанная на рисунке 3.8.1.

Рисунок 3.8.1. Схема для измерения коэффициента усиления ОУ.

При установке переключателя S1 в положение "1" производится измерение коэффициента передачи не инвертирующего усилителя, а в положение "2" - инвертирующего усилителя. На вольтметре V₁ наблюдаем действующее значение напряжения на входе U_ВХ. На вольтметре V₂ наблюдаем выходное напряжение U_ВЫХ.