Шарапов А.В.Аналоговая схемотехника_пос

120

В этом случае ее часто называют токовым зеркалом или отражателем тока, так как ток Iг практически повторяет ток I, задаваемый резистором R1:

		Iг I	E 0,7	.				(11.12)
			R1
	Докажем это. При одинаковых транзисторах IБ1 IБ2							IБ и
IК1	IК2	IБ. Тогда I IБ 2IБ , а Iг			IБ		I .
						2

Токовое зеркало находит широкое применение в схемотехнике интегральных операционных усилителей в качестве генераторов постоянного тока и динамических нагрузок транзисторных усилительных каскадов.

Выходное сопротивление отражателя тока можно рассчитать по формуле

R r		UЭрли	,	(11.13)
г КЭ		Iг

где UЭрли – потенциал Эрли, равный 80–200 В для n-p-n-тран- зисторов и 40–150 В для p-n-p-транзисторов.

В схемах рис. 11.4, а и рис. 11.4, б выходное сопротивление выше и с ростом сопротивления R0 стремится к величине

Rг rКЭ.

11.3 Операционный усилитель

Многокаскадный УПТ с дифференциальным входом и несимметричным выходом называют операционным усилителем (ОУ). Операционным усилитель был назван потому, что он использовался в аналоговых вычислительных машинах (еще в ламповом варианте) для выполнения операций масштабирования, суммирования и интегрирования. Пример построения ОУ приведен на рис. 11.5. Транзисторы в диодном включении обозначены на схеме как диоды. ОУ содержит входной дифференциальный усилительный каскад на транзисторах VT1, VT2 с генератором тока VT5, получающим смещение с делителя R1, VD1 и динамической нагрузкой в виде «токового зеркала» на транзисторах VT3,

121

VT4. Через согласующий эмиттерный повторитель VT6 сигнал поступает на выходной каскад в виде усилителя напряжения VT7 (схема с ОЭ) с динамической нагрузкой VT8 и усилитель тока на транзисторах VT9, VT10, получающий смещение с диодов VD2, VD3 для работы в режиме АВ.

Приведенное схемное решение характерно для интегральной технологии изготовления операционных усилителей. Применение транзисторных структур в качестве динамических нагрузок не только повышает коэффициент усиления каскадов, но и уменьшает площадь, которую они занимают на поверхности кристалла по сравнению с резистивной нагрузкой.

Для повышения входного сопротивления ОУ входной каскад переводят в режим микротоков. Он дает усиление порядка ста. Основное усиление по напряжению (порядка нескольких тысяч) дает каскад на транзисторе VT7. Корректирующий конденсатор Скорр делает постоянную времени каскада на транзисторе VT7

E

VD1

VT5 VT8

				VT9
				VD2
U			Скорр	Uвых
	VT2
VT1				VD3
U			VT6	VT10
				VT 7
VT3	VT4	R1	R2

E

Рис. 11.5 – Вариант принципиальной схемы ОУ

122

много большей постоянных времени других каскадов, что обеспечивает возможность охвата ОУ отрицательной обратной связью большой глубины без потери устойчивости усилителя.

11.4Основные параметры и типовые схемы включения операционных усилителей

В линейных устройствах ОУ используются с глубокой ООС. При этом параметры схем на ОУ практически полностью определяются видом и характеристиками элементов, включенных в цепь обратной связи. ОУ стали самыми универсальными и массовыми элементами аналоговой схемотехники. Такая многофункциональность и гибкость при использовании лишь нескольких типов микросхем ОУ достигается применением самых разнообразных внешних цепей обратной связи, включающих линейные, нелинейные, пороговые, частотно-зависимые и другие элементы.

+Е

+Е

На рис. 11.6 приведена

схема включения сдвоенного

1

13

7

9

ОУ с внутренней цепью час-

12

6

10

тотной

коррекции,

выпол-

2

3

14

5

8

ненного

на

микросхеме

4

4

К14ОУД20. Показана цепь

балансировки нуля, с помо-

–Е

щью

которой

устраняется

Рис. 11.6 – Схема включения ОУ

начальный

сдвиг

нулевого

уровня

на

выходе

операци-

онного усилителя. Без балансировки при нулевом напряжении на входе напряжение на выходе устройств, построенных на ОУ, иногда может составлять единицы вольт.

Условное графическое обозначение ОУ показано на рис.11.7, а. На этом же рисунке приведены амплитудная (11.7, б) и амплитудно-частотная (11.7, в) характеристики ОУ. Операционный усилитель имеет два входа: неинвертирующий (U+) и инвертирующий (U–). Уровни положительного и отрицательного ограничения приближаются по величине к напряжениям двухполярного источника питания. Возможное смещение амплитудной характеристики относительно начала координат характеризует напряжение смещения Uсм. Амплитудно-частотная характеристи-

123

ка ОУ в области верхних частот вплоть до частоты единичного усиления f1 спадает с таким наклоном, при котором во сколько раз изменяется частота (например, в 10 раз, т.е. на декаду), во столько же раз изменяется коэффициент усиления по напряжению К (также в 10 раз, т.е. на 20 дБ в логарифмическом масштабе).

	Uвых	К, дБ
	+Е

						Uсм	20	дБ
								дек
U–				Uвых		Uвх U	U
U+						–Е	f1
			а				в	f
						б

Рис. 11.7 – Основные характеристики ОУ

При практическом применении операционных усилителей разработчиков интересует не столько принципиальная схема ОУ, сколько схема включения и основные параметры (в скобках приведены для К14ОУД20):

1)коэффициент усиления по напряжению (К = 25000);

2)входное сопротивление (rвх – сотни килоом);

3)выходное сопротивление (rвых– сотни ом);

4)напряжение смещения (Uсм = 1мВ);

5)входной ток (Iвх = 100 нА);

6)коэффициентподавлениясинфазного сигнала (Mсф = 70 дБ);

7)частота единичного усиления (f1 = 0,5 МГц);

8)напряжение питания ( E 5 20 В);

9)дрейф напряжения смещения Uсм 2мкВ оС.

Упрощенный анализ устройств на ОУ будем проводить для идеального операционного усилителя, т.е. имеющего К , rвх , rвых 0, Uсм 0, Iвх 0, Мсф . По мере совершенствования схемотехники и технологии изготовления ОУ их характеристики все больше приближаются к идеальным.

Получим основные соотношения для типовых включений ОУ. В практических схемах в качестве Z1 и Z2 могут использоваться резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, а так-

124

же двухполюсники, составленные из их последовательного или параллельного соединения. Потенциалы инвертирующего и неинвертирующего входов идеального ОУ можно считать одинаковыми, т.к. К .

При инвертирующем включении (рис. 11.8, а) через эле-

мент Z1 течет ток i1 Uвх /Z1. Точно такой же ток течет и через

Z2, т.к. rвх .

Z2	Z1	Z2
iОС	i1	iОС
Uвх Z1
Uвых	Uвх	Uвых
i1		б
а

Рис. 11.8 – Типовые схемы включения ОУ: а – инвертирующее; б – неинвертирующее

Таким образом,

U

вых

i

Z2

Uвх Z2

,

а K

ОС

Z2

. (11.14)

ОС

Z1

Z1

При неинвертирующем включении (рис. 11.8, б) по цепи

ОС течет ток i

Uвх

и U

i Z1 i

Z2

Uвх (Z1 Z2)

,

Z1

ОС

вых

1

ОС

Z1

откуда

КОС

1

Z2

.

(11.15)

Z1

На основе операционных усилителей путем введения внешних цепей обратной связи (в том числе и частотно-зависимых) строится большое число электронных устройств, осуществляющих эффективное преобразование электрических сигналов и широко используемых в измерительной технике. Их передаточные свойства описываются в первом приближении соотношениями (11.14) и (11.15). Для оценки погрешностей измерительных устройств приходится учитывать влияние реальных параметров применямых ОУ. Точность измерительных устройств сильно за-

125

висит и от класса точности элементов, используемых в цепи ООС операционного усилителя. Изучению таких устройств и оценке основных составляющих их погрешности посвящена следующая глава, в которой рассмотрены вопросы применения ОУ. С практической точки зрения эти вопросы являются наиболее важными в изучаемой дисциплине.

126

12 ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

12.1 Инвертирующий усилитель постоянного тока

В инвертирующем УПТ (рис. 12.1, а) резистор R3 поставлен для улучшения температурной стабильности режима (уменьшения ошибок сдвига и дрейфа нулевого уровня) и может отсутствовать. Операционный усилитель охвачен параллельной ООС по напряжению.

R1

Uвх

R3

а

R2

Uвх σ U- -K

Uвых

Uвых

γ

б

R2

– коэффициент передачи входной цепи;

R1 R2

R1

– коэффициент обратной связи.

R1 R2

Рис. 12.1 – Схема инвертирующего масштабного УПТ

Для идеального ОУ коэффициент усиления УПТ определяется соотношением (11.14) при Z1=R1, Z2=R2. Следовательно,

КОС R2. Такой усилитель инвертирует входной сигнал и из-

R1

меняет его масштаб пропорционально отношению сопротивлений резисторов в цепи обратной связи. В измерительной технике его называют масштабным усилителем.

Относительная погрешность коэффициента усиления за счет неидеальности резисторов (учитывающая их технологические и температурные погрешности R1 и R2)

KОС

dR

KОС

dR

dR

dK

R

R

dR

R

, R

ОС

2

1

2

1

2

1

R

R

,

1

2

KОС

KОС

R2

R1

2

1

127

где R – относительная погрешность резисторов.

Для повышения точности масштабного усилителя в цепи ООС используются прецизионные резисторы с одинаковыми температурными коэффициентами сопротивления.

С учетом конечности коэффициента усиления K реального ОУ (см. сигнальный граф, представленный на рис. 12.1, б) уточненное значение KОС можно записать в виде

KОС	K		R2 R1
						.
	1 K		1	1

K

Относительная погрешность KОС за счет нестабильности коэффициента усиления K операционного усилителя зависит от глубины обратной связи 1 K A KKОС :

K		K	,
	1 K

где K К – относительная нестабильность коэффициента уси-

К

ления операционного усилителя K. При изменении температуры окружающей среды на десятки градусов она может составлять десятки процентов.

Например, при K 105, KОС 100, K 50 % получаем

50 100

K 0,05 %.

105

Возможная величина сдвига нулевого уровня (значение выходного напряжения при нулевом входном напряжении УПТ) оп-

	R1	R2	ределяется	напря-
			жением смещения и
	I -		входными	токами
			реального ОУ (эк-
	Uсм
			вивалентная	схема
		U
R3			выхсдв для расчета	этого
	I+		параметра приведе-
			на на рис. 12.2):

Рис. 12.2 – Эквивалентная схема для оценки сдвига нулевого уровня

						128
			R1 R2				R1 R2
	U			U	см	I R3 I		.	(12.1)
			R1				R1 R2
	выхсдв

Резистор R3 вводится в усилитель с целью уменьшить погрешность сдвига от входных токов I+ и I . В случае равенства этих токов полная коррекция погрешности достигается при R3 R1R2. Однако в общем случае входные токи ОУ не равны друг другу. Имеется не равный нулю разностный входной токIвх I I . Поэтому при выполнении условия компенсации можно записать соотношение (12.1) в виде

			R1 R2				R1 R2
	U			U	см	Iвх			U	см 1
			R1				R1 R2
	выхсдв

R2

IвхR2.

R1

С помощью балансировки нуля при комнатной температуре погрешность сдвига можно скорректировать до нуля. Но при изменении температуры окружающей среды может появиться погрешность дрейфа за счет температурной нестабильности Uсм иIвх ( Т – диапазон изменения температуры):

				R2
	U	U	см 1		Т I	вхR2 Т .
				R1
	выхдр

Входное сопротивление УПТ (как усилителя с параллельной ООС)

R R1 r				R2	R1.
вх	вх		1 K

Выходное сопротивление УПТ (как усилителя с ООС по напряжению)

Rвых rвых .

1 K

Если передаточная функция операционного усилителя описывается выражением

К р К , 1 р оу

где оу К2 f1 – постоянная времени ОУ, то передаточную функцию инвертирующего УПТ можно записать в виде

	129
КОС р		R2 R1			.
	1 р		оу

1 К

Верхняя граничная частота полосы пропускания УПТ на

уровне 3 дБ определяется соотношением fв f1 . 1 R2

R1

Она тем меньше, чем больше коэффициент усиления УПТ.

12.2 Неинвертирующий усилитель постоянного тока

В неинвертирующем УПТ (рис. 12.3, а) операционный усилитель охвачен последовательной ООС по напряжению. С учетом конечности величины К реальных ОУ сигнальный граф неинвертирующего УПТ можно представить в виде, показанном на рис. 12.3, б.

R1	R2			K
			Uвх
				Uвых
R3				-K
		Uвых
Uвх				U-
	а			б

Рис. 12.3 – Схема неинвертирующего УПТ (а) и ее сигнальный граф (б)

Для идеального ОУ коэффициент усиления равен (см. вы-

ражение 11.15 при Z1=R1, Z2=R2) КОС 1 R2.

R1

Коэффициент усиления УПТ с учетом конечности К

1		R2
		R1
КОС				. Относительная погрешность коэффициента уси-
1		1

К

ления УПТ за счет неидеальности резисторов в цепи ОС