7.8. Понятие об операционном усилителе.

При построении аналоговых схем автоматического управления электроприводами широкое применение в качестве элементной базы нашли операционные усилители. Операционным называется усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, предназначенный для выполнения различных операций с аналоговыми сигналами. На Рис. 66 приведена блок-схема операционного усилителя УД140У2. Усилитель построен на двух дифференциальных каскадах и выходном эмиттерном повторителе. Схема снабжена узлами стабилизации и защиты. Один вход усилителя является инвертирующим, второй – не инвертирующим.

Рис. 66. Блок-схема операционного усилителя.

Операционный усилитель в общем случае включается в схему с различными (активными и реактивными) входными сопротивлениями и сопротивлениями обратной связи. В общем случае его передаточная функция имеет вид:

(7.37)

В

Рис.67. Схема включения операционного усилителя

ыбирая в качестве сопротивлений резисторы или конденсаторы можно получить устройства с разными функциональными зависимостями выходного напряжения от входного: усилители-инверторы, усилители-повторители, сумматоры, устройства

деления и умножения, регуляторы

пропорциональные, интегрирующие, дифференцирующие и т.д. Операционные усилители используются и при построении некоторых цифровых устройств в качестве базового элемента.

Глава 8. Полупроводниковые триггеры

1. Ключевой режим работы биполярного транзистора

Импульсная и цифровая полупроводниковая техника базируется на работе биполярного транзистора в качестве бесконтактного ключа. Качество транзисторного ключа оценивается по остаточному напряжению на открытом транзисторе и остаточному току транзистора в закрытом состоянии. Построение ключевой схемы аналогично усилительному каскаду. Наибольшее распространение получили схемы с общим эмиттером (Рис.68).

Рис. 68. Схема транзисторного ключа и вольтамперные характеристики транзистора.

Анализ работы ключа можно провести с использованием семейства вольт-амперных характеристик и линии нагрузки. На Рис. 68 линия аб – линия нагрузки по постоянному току. Она описывается соотношением:

U_кэ = - (E_к – I_к R_к) (8.1)

Режим запирания (отсечки) осуществляется подачей на вход транзистора напряжения положительной полярности. При этом эмиттерный переход запирается (U_бэ > 0, I_э = 0). Через переход база-коллектор протекает тепловой ток I_ко. Закрытому состоянию соответствует точка М_з.

Величину запирающего напряжения выбирают такой, чтобы обеспечить условие:

U_бэ = U_{вх. зап} - I_ко R_б > 0

Режим открытого состояния достигается изменением полярности входного напряжения (U_вх < 0) и заданием соответствующего тока базы (точка М_о).

Положим, что при U_вх < 0 ток базы будет увеличиваться постепенно. Ему будет соответствовать увеличение I_к и рабочая точка будет смещаться по линии нагрузки от М_з вверх. U_кэ постепенно снижается. До граничного тока базы I_бг сохраняется зависимость

I_к = _ст I_б + (1 +_ст ) I_ко  _ст I_б (8.2)

где _ст - статический коэффициент передачи тока (а не дифференциальный , действительный при малых входных сигналах). В точке М_о при токе I_бг через транзистор протекает ток

I _к = ( E_к – U _{кэ отк} )/ R_к  E_к / R_к (8.3)

где U_{кэ отк} - остаточное напряжение на транзисторе (оно должно быть от 0,05 до 1,0 В). Граничное значение тока базы будет равно

I_бг = I_к /  = E_к / (_ст R_к) (8.4)

При дальнейшем увеличении I_б напряжение U_кэ не снижается. Режим работы транзистора при I_б > I_бг называется насыщением, а величину s = I_б / I_бг называют коэффициентом насыщения. В режиме насыщения ток базы будет равен I_б = s I_к /_ст, где s может составлять от 1,5 до 3,0.

Рассмотрим процессы, происходящие в ключевой схеме (см. Рис. 69 ). На интервале времени t₀ – t₁ транзистор заперт. I_б и I_к определяются тепловым током I_ко. Напряжение на транзисторе равно U_кэ = - (E_к - I_ко R_к ). С момента времени t₁ начинается открытие транзистора. Характер изменения i_к и u_кэ отличается от входного сигнала. Это обусловлено инерционностью транзистора. Можно считать, что i_к и u_кэ изменяются по экспоненте. Тогда

_в = _ + _к (8.5)

где _в - постоянная времени;  _ - эквивалентная постоянная времени транзистора;  _к = C_к R_к ; C_к - интегральная (для большого сигнала) емкость коллекторного перехода. Если считать, что кривая тока базы имеет прямоугольную форму

I_{б отп} = U _{вх отп} / R_б > I_бг , (8.7)

то i_к будет меняться по закону

i_к (t) = _ст I_{б отп} ( 1 - e ^{–t/ в} ) (8.8)

Ток коллектора i_к стремится к величине _ст I_{б отп} > E_к / R_к, но достигнув значения I_к = E_к /R_к, он перестает изменяться. Длительность переднего фронта импульса тока I_к равна:

(8.9)

где: I _{к макс}/_ст = I_бг; I_{б отп} = s I_бг.

Очевидно, что длительность фронта сокращается с ростом коэффициента насыщения.

По окончании отпирающего сигнала на базе, на вход транзисторного ключа вновь поступает положительное запирающее напряжение. При этом создается задержка в запирании, обусловленная процессом рассасывания избыточных носителей заряда. По этой причине токI_к остается постоянным. Рассасывание носителей заряда идет и по цепи базы за счет обратного тока базы I_{б обр}, вызванного запирающим напряжением. Обратный ток базы ограничен R_б . Время рассасывания t_р также зависит от коэффициента насыщения s :

t

Рис.69. Диаграмма напряжений и токов ключевой схемы

_р  '_ ln s, где: '_ - эквивалентная постоянная времени транзистора, примерно

равная времени жизни неосновных

носителей заряда в режиме насыщения ('_  _/2 ). При переходе в активный режим i_к падает, U _кэ растет. Этот процесс называется процессом среза (формирование заднего фронта импульса)

(8.10)

Времена t_ф . t_р и t_с характеризуют быстродействие транзисторного ключа. Они зависят от частотных свойств транзистора и параметров импульса базового тока. Их величина – от долей до единиц микросекунд.

В интегральных микросхемах используются кремниевые транзисторы. У них малый тепловой ток I_ко , поэтому запирание транзистора возможно при U _{вх зап.} = U_б = 0 . Это позволяет исключить источник запирающего напряжения.

С ростом частоты свойства транзистора ухудшаются. Первая причина – инерционность процесса диффузии, обусловленного движением дырок через базу к коллектору. Это приводит к снижению коэффициентов передачи тока, причем в схеме с ОЭ частотные свойства хуже, чем в схеме с ОБ. При снижении коэффициента усиления на 3 дб получим предельную частоту.

Второй причиной ухудшения усилительных свойств транзистора является наличие емкости коллекторного перехода С_к = С_зар. Она шунтирует сопротивление ( r_б + R_н ).

У транзисторов с широкой базой частотные свойства в основном определяются диффузионным процессом, т.е. параметром f_h21 . С уменьшением толщины базы частотные свойства улучшаются, но затем начинает сильно сказываться растущее сопротивление r_б. Имеется предельная частота f_макс, на которой транзистор теряет свои усилительные свойства.

2. Симметричный триггер

Триггером называется устройство, которое обладает релейной характеристикой управления, имеет два устойчивых состояния и под воздействием входного сигнала скачком переходит из одного состояния в другое.

Рис. 70. Пусковая характеристика триггера.

Симметричный триггер состоит из двух активных элементов – транзисторов, работающих в схеме с положительной обратной связью. На Рис.70 приведена схема статического симметричного триггера на транзисторах с реостатно-емкостной связью. Резисторы R_к служат для ограничения тока коллекторов. Резисторы R определяют базовые токи и обеспечивают обратную связь. Конденсаторы С являются ускоряющими: в момент переключения они обеспечивают большие базовые токи. Источник Е_б2 создает запирающее напряжение смещения на базах транзисторов. Сопротивления R_б ограничивают величину запирающего тока базы.

Управление осуществляется по цепям базы, на которые подаются импульсные или потенциальные сигналы соответствующей полярности. Триггер выполнен симметричным, т.е. составлен из одинаковых транзисторов с одинаковыми параметрами элементов схемы. Рассмотрим работу схемы. После включения питания триггер установится в одно из устойчивых состояний. Пусть в исходном состоянии Т2 заперт, а Т1 открыт и насыщен. Потенциал коллектора Т2 близок к E_к, поэтому через сопротивление R в базу Т1 потечет большой ток, обеспечивающий режим насыщения. Выходное напряжение на коллекторе Т2 будет равно:

(8.11)

где I_ко - коллекторный ток запертого транзистора; I_{к нас} - коллекторный ток насыщенного транзистора. На коллекторе транзистора Т1 напряжение близко к нулю (0,5 – 1,0) В.

Рис. 71. Принципиальна (а) и эквивалентная (б) схемы симметричного триггера.

После прихода на базу Т1 запускающего импульса положительной полярности триггер переходит в другое устойчивое состояние. Сначала под действием положительного напряжения U_вх происходит рассасывание избыточных носителей в базе Т1. После выхода Т1 из насыщения, I_к1 снижается , отчего растет отрицательное напряжение на коллекторе Т1. Оно через RC -цепочку передается на базу транзистора Т2. Когда это напряжение компенсирует положительное смещение, начинается открытие Т2. Далее наступает этап регенерации. I_к1 уменьшается, U_к1 растет. Т2 форсированно открывается. Ток I_к2 растет, напряжение U_к2 падает. Этап регенерации заканчивается полным запиранием Т1 и далее идет насыщение Т2.

Для возвращения триггера в исходное состояние надо подать положительный импульс на базу Т2. Возможно управление схемой как положительными, так и отрицательными импульсами. Можно подавать на один вход чередующиеся импульсы разной полярности.

Симметричный статический триггер может использоваться в качестве бесконтактного электронного реле, элемента пересчетной схемы, элемента памяти, делителя частоты, формирователя прямоугольных импульсов. При управлении цифровыми полупроводниковыми устройствами триггер может использоваться для исключения влияния дребезга контактных задающих устройств.

Параметры схемы рассчитываются исходя из требований режима. Условие запирания:

R _б< E_б / I_ко ; Е_б = (1 – 2) В. (8.12)

Условие насыщения транзистора:

R < {  R_к / [ 1 + ( E_б R_к/ R_б E_к)]} – R_к (8.13)

3. Несимметричный триггер с эмиттерной связью (триггер Шмитта)

Триггер Шмитта образован двумя транзисторами с общим эмиттерным резистором. Имеется только одна базовая связь через резистор R . Резистор R_э обеспечивает положительную обратную связь транзистора Т2 со входом Т1 и одновременно отрицательную связь по току каскада на Т1.

Рис.72. Принципиальная схема триггера Шмитта

Запуск схемы производится по одному входу импульсами чередующейся полярности или медленно меняющимся напряжением. При подаче питающего напряженияТ1 закрыт, при этом Т2 открыт и насыщен. На выходе схемы – низкий уровень

напряжения. При открывании Т1

входным сигналом напряжение на его коллекторе падает. Снижается ток базы Т2 , проходящий через R , и Т2 переходит в закрытое состояние. Этому способствует падение напряжения на R_э от тока Т1. На выходе формируется высокий уровень напряжения.

При запирании транзистора Т1 обратным напряжением, отпирается и насыщается транзистор Т2 . За счет этого на выходе формируется задний фронт выходного импульса. Как и в схеме симметричного триггера, конденсатор С служит для ускорения переходного процесса.

Условие насыщения Т1:

R_д1 <  R_д2 R_к1 / (R_э + R_д2 ) (8.14)

Условие запирания Т2:

R_б < E_к R_э / [I_ко ( R_к1 + R_э )] (8.15)

Условие запирания Т1:

R_д2 < R_э R_к1 E_к / [E_к R_к2 +  R_к1 I_ко ( R_к2 + R_э )] (8.16)

Условие насыщения Т2:

R < R_б [E_к R_к2 – R_к1 I_ко (R_э + R_к2)] / [E_к (R_б +  R_э)] (8.17)

Необходимо, чтобы R_к1 > R_к2 . Обычно R_к1 = (2 – 3) R_к2

Амплитуда выходного импульса U_макс  E_к R_к2/(R_к2 + R_э)

Триггер Шмитта применяется для преобразования синусоидальных напряжений в прямоугольные импульсы, для сравнения амплитуд входных сигналов, а также в качестве порогового элемента.