3 Дифференциальные и операционные усилители 63

3.1 Дифференциальные усилители 63

3.1.1 Дифференциальный (балансный) усилительный каскад 63

3.1.2 Несимметричный дифференциальный каскад 66

3.2 Операционные усилители, общие сведения 67

3.2.1 Назначение и параметры операционного усилителя 67

3.2.2 Операционный усилитель К140УД1 68

3.3 Схемы, выполненные на операционных усилителях 70

3.3.1 Пропорциональный суммирующий, инвертирующий усилитель 70

3.3.2 Пропорциональный неинвертирующий усилитель 72

3.2.3. Ограничение выходного напряжения усилителя 72

3.2.4 Компараторы сигналов 75

3.2.5 Идеальный диод на операционном усилителе 76

3.2.6 Схема выделения модуля с общей точкой для входа и выхода 77

3.2.7 Схема выделения модуля без общей точки для входа и выхода 78

3.2.8 Двухсторонняя зоне нечувствительности 79

3.2.9 Формирование частотно-зависимых характеристик усилителя 79

3 Дифференциальные и операционные усилители

3.1 Дифференциальные усилители

3.1.1 Дифференциальный (балансный) усилительный каскад

При рассмотрении каскада с общим эмиттером обнаружен ряд трудно­стей, возникающих при создании усилителей. Во-первых, при стабилизации режима покоя с помощью сопротивления R_Э происходит значительное снижение коэффициента уси­ления каскада в результате действия отрицательной обратной связи. Во-вторых, при связи каскадов друг с другом коэффициент усиления умень­шается за счет потерь на резистивных элементах. В-третьих, в усилителях имеется дрейф нуля. Эти серьезные недо­статки частично или полностью исключены в дифференци­альном каскаде, который поэтому находит чрезвычайно ши­рокое применение.

Простейшая схема дифференциального каскада приведе­на на рис. 3.1, а. Транзисторы VТI, VТ2 и резисторы R_К1 и R_К2 образуют мост, в одну диагональ которого включаются ис­точники питания +E_K и -Е_К, а в другую - нагрузка. Дифференциальный каскад нередко называют также парал­лельно-балансным каскадом. Высокие показатели каскада могут быть достигнуты только при высокой симметрии (балансировке) моста. В симметричном каскаде R_К1 =R_К2 = =R_К, транзисторы должны быть идентичны по своим па­раметрам. Последнее достижимо только при изготовлении транзисторов на одном кристалле по одной технологии, по­этому дифференциальные каскады используют в настоящее время только в виде (или в составе) интегральных микросхем.

а) б)

Рис. 3.1 Дифференциальные каскады

Напряжение база-эмиттер транзисторов VT1, VT2 изменяется на сотые доли вольта, поэтому ток резистора R_Э практически неизменен. При нулевых входных сигналах U_BX1 = U_BX2 = 0 и идентичности транзисторов VT1, VT2 их эмиттерные токи одинаковы и равны

. (3.1)

Дрейф напряжения нагрузки (при нулевых входных сигналах) равен

При идентичности параметров транзисторов эмиттерные токи покоя равны , коэффициенты передачи по току равны, обратные коллекторные токи равны, все параметры транзисторов от температуры меняются одинаково, соответственно, дрейф напряжения равен нулю. Реально полной идентичности параметров транзисторов добиться невозможно, поэтому существует остаточный дрейф.

Для получения максимального выходного напряжения, эмиттерные токи покоя транзисторов VT1, VT2 выбираются так, чтобы напряжения покоя коллекторов были равны половине напряжения питания

, (3.2)

приняв , определим величину эмиттерного сопротивления, учтя что

и , отсюда

. (3.3)

Для повышения стабильности суммарного эмиттерного тока и изменения режима покоя при изменении напряжения питания, в эмитерную цепь включают схему, ведущую себя как источник тока (рис. 3.1, б).

Суммарный эмиттерный ток равен

, (3.4)

Где коэффициент деления делителя .

Входной сигнал может подаваться на один из входов, второй вход должен быть подключен к общей точке, или на оба входа одновременно в противофазе. Входные сигналы обязательно должны быть связаны с общей точкой.

Рассмотрим ситуацию, когда U_BX1 > 0, а U_BX2 = 0:

, так как - то.

Соответственно .

Рассмотренный процесс иллюстрирует рис. 3.2, на котором условно показаны потенциалы в режиме покоя и при U_BX1 > 0. За положительное направление тока нагрузки принят ток, текущий по стрелке.

а) б)

Рис. 3.2 а) – Потенциалы в дифференциальном каскаде при U_BX1 > 0,

б) – схема замещения каскада

Коэффициенты усиления дифференциального каскада

Учитывая равенства ,, достаточно найти ток создаваемый одним источником тока, а результат удвоить

, отсюда

. (3.5)

Входное сопротивление равно удвоенному входному сопротивлению транзистора, выходное сопротивление равно удвоенному коллекторному сопротивлению

, . (3.6)

Коэффициент усиления по напряжению равен

. (3.7)

Для увеличения входного сопротивления каскада биполярные транзисторы заменяют полевыми. Коэффициент усиления по напряжению такого каскада равен

, (3.8)

где S – крутизна А/В полевого транзистора.

Каскад с полевыми транзисторами обладает более значительным дрейфом напряжения, чем каскад на биполярных транзисторах, так как напряжение затвор-исток значительно превышает напряжение база-эмиттер биполярного транзистора, соответственно больше разница параметров у полевых транзисторов.

Рис. 3.3 Симметричный дифференциальный каскад на полевых транзисторах