Необходимость в средствах усиления медленно изменяющихся сигналов
(сигналы от термопар, тензодатчиков, газовых анализаторов и т.п.) определила требование к разработке устройств - усилителей постоянного тока, которые должны иметь большой коэффициент усиления, высокое входное сопротивление, равномерную амплитудно-частотную характеристику в диапазоне частот от 0 до десятков кГц, линейную амплитудную характеристику с заданным коэффициентом усиления К.
Для выполнения этих требований схема усилителя должна иметь гальванические связи (без разделительных конденсаторов) с источником сигнала и нагрузкой.
Для построения усилителей постоянного тока используют два различных подхода. Первый - с использованием модуляции и демодуляции - заключается в том, что входной сигнал предварительно модулируется (преобразуется в периодический сигнал,
состоящий из прямоугольных импульсов постоянной частоты, амплитуда которых равна величине входного сигнала). Этот сигнал переменного тока далее поступает на усилитель, с выхода которого - на схему демодуляции, в которой из прямоугольных импульсов воссоздается сигнал постоянного тока.
Второй основан на использовании непосредственных связей между каскадами, установлении точки покоя и стабилизации режима транзисторов.
Дрейфом нуля (нулевого уровня) называется самопроизвольное отклонение напряжения или тока на выходе УПТ от начального значения. Поскольку дрейф нуля наблюдается и при отсутствии сигнала на входе на входе УПТ, то его невозможно отличить от истинного сигнала.
К физическим причинам, вызывающим дрейф нуля в УПТ, относятся:
◆ нестабильность источников питания;
|
|
◆ временная нестабильность ("старение") параметров транзисторов и резисторов;
◆ температурная нестабильность параметров транзисторов и резисторов;
◆ низкочастотные шумы;
◆ помехи и наводки.
Наибольшую нестабильность вносит температурный фактор. Гальваническая связь между каскадами хорошо передает медленные изменения сигнала, что приводит к эффекту каскадирования (умножению) температурных нестабильностей от входа к выходу.
Изменение температуры приводит к изменению напряжения на p - n переходе на 2 мВ/град. Это приводит к изменению выходного напряжения и нарушению соотношения Uвых = К Uвх.
Наибольшее влияние на изменение характеристик усилителя оказывает изменение режима первого каскада усиления, который обычно и обеспечивает усиление сигнала по напряжению.
Для построения первых каскадов усиления используется схема дифференциального усилительного каскада.
a) Для обеспечения условия Uвых = 0 при Uвх = 0 питание каскадов усилителя осуществляется от двух разнополярных источников напряжения.
Рис. Стабилизация режима в двухкаскадном УПТ Дифференциальный усилитель
Дифференциа́льный усили́тель (ДУ) обладает двумя входами, а выходной сигнал равен разности входных напряжений, умноженной на константу. Применяется в случаях, когда необходимо выделить небольшую разность напряжений на фоне значительной синфазной составляющей. Синфазными сигналами являются, например, сигнал помехи или тепловые токи, действующие на входы усилителя одновременно с одинаковым уровнем напряжения.
|
|
Рис. а) ДУ б) схема замещения
Чтобы понять, как схема усиливает противофазный сигнал и подавляет синфазный, рассмотрим схему замещения, представленную на рис. б. Схема представляет собой мост, образованный резисторами в коллекторах транзисторов RK1 = RK2 (специально устанавливаются равными по величине) и сопротивлениями переходов коллектор-эмиттер транзисторов RVT1 и RVT2, сопротивление которых зависит от токов через транзисторы. Резистор RН включён в диагональ моста.
При отсутствии сигнала на входе усилителя RVT1 = RVT2, мост сбалансирован, напряжение на RН равно нулю. Положительная полуволна противофазного синусоидального входного сигнала открывает транзистор VT1, ток эмиттера этого транзистора возрастает, сопротивление RVT1 уменьшается, транзистор VT2 от этого закрывается, его ток эмиттера уменьшается, сопротивление RVT2 растёт. Мост разбалансируется, на резисторе RН выделяется полезный сигнал. Отрицательная полуволна вызывает противоположный эффект.
б) Реальная схема содержит два транзистора, включенных по схеме ОЭ с общим сопротивлением в цепи эмиттера. Питание каскада осуществляется от двухполярного источника +Е и -Е.
При равных сопротивлениях резисторов в коллекторных цепях транзисторов и одинаковых параметрах транзисторов коллекторные токи равны и разность напряжений на коллекторах Vout равна 0, если равны напряжения на базах транзисторов.
Если на оба входа (на базы) подать равные напряжения, напряжение на эмиттере станет равным входному напряжению, изменение тока в Re=R3 будут определяться значением входного напряжения. Изменения токов в транзисторах будут равны половине изменения тока в R3(Re). В результате, изменения напряжений на коллекторах транзисторов составит:
|
|
- чем больше сопротивление эмиттерного резистора R3 по сравнению с коллекторной нагрузкой R1, тем меньше коэффициент передачи синфазного сигнала.
Коэффициент усиления дифференциального сигнала KU диф будет равен в случае симметрии плеч коэффициенту усиления каскада с ОЭ.
Повысить параметры дифференциального усилителя можно простым увеличением сопротивлений резисторов RК и RЭ, но при этом уменьшится ток покоя транзисторов и ухудшится температурная и временная стабильность усилителя.
При интегральном исполнении дифференциальных усилительных каскадов вместо резисторов Rc (Rк) используют транзисторы, выполняющие функцию динамических нагрузок каскада. Подобные схемы позволяют обеспечить существенно большие значения коэффициента усиления по сравнению с ранее рассмотренными схемами, имеющими резистивные нагрузки, что важно при создании многокаскадных УПТ.
Транзисторы VT3 и VT4 p-n-p -типа, близкие по параметрам, выполняют функцию динамических нагрузок каскада. Транзистор VT3 используется в качестве диода. Ток Ic1 транзистораVT1, протекающий также через транзистор VT3, создает напряжение Uбэ3, определяющее входное напряжение Uбэ4. Поскольку транзисторы VT3 и VT4 близки по параметрам, ток Ic2 будет близок к Ic1. В этом главная особенность рассматриваемой схемы. Выходной дифференциальный сигнал снимается с коллектора транзистора VT2.
Эффективный путь улучшения характеристик ДУ состоит в a) в замене резисторов источниками тока, обладающими высоким динамическим сопротивлением при достаточно больших токах; б) в качестве динамической нагрузки в цепи коллекторов транзисторов дифференциального усилителя используется так называемое токовое зеркало (рис а). Выходной ток схемы почти повторяет входной, что используется для питания входных каскадов ДУ. Использование токовых зеркал в качестве динамической нагрузки дифференциального каскада и источника тока в цепи эмиттеров позволяет получить коэффициент усиления входного дифференциального напряжения на одном каскаде свыше 5000 (при условии, что нагрузка на выходе усилителя отсутствует) и КОСС свыше 100 000 (100 дБ).
Рис. а) Схема токового зеркала б) Упрощенная схема ОУ μА741
Общее сопротивление в эмиттерной цепи осуществляет стабилизацию режима работы при изменении температуры. В дифференциальном каскаде Rэ имеет большое сопротивление, поэтому можно считать, что через резистор Rэ подается стабильный ток. Вместо резистора Rэ используют источник стабильного тока, реализованный на транзисторах (что удобно в МС), варианты схем которого приведены на рисунке 5.6. Такая схема должна обеспечивать стабильный ток при изменении нагрузки.
а) Выходные ВАХ б) упрощенная схема ГСТ на БТ
Обратимся к выходным ВАХ биполярного транзистора для схемы включения с общим эмиттером (рисунок а). Из рисунка видно, что если биполярный транзистор работает в активном режиме, то при фиксированном значении тока базы (например, IБ = IБ 0) его выходной ток IК мало зависит от напряжения между выводами эмиттера и коллектора UКЭ. Изменение сопротивления нагрузки Rн транзистора (рисунок б) может вызывать существенное изменение напряжения UКЭ транзистора (D UКЭ на рисунке а) за счет изменения наклона нагрузочной линии, но при фиксированном токе базы ток коллектора транзистора будет изменяться незначительно (D IК на рисунке а).
Изменение сопротивления нагрузки Rн в цепи коллектора транзистора (рисунок б) не приводит к существенным изменениям тока коллектора, то есть можно полагать, что ток коллектора в этих условиях будет стабильным. Таким образом, чтобы получить источник тока на биполярном транзисторе, достаточно обеспечить постоянство (стабильность) тока в цепи его базы, например, за счет резистивного делителя, скомпенсировав уход рабочей точки диодом.
Использование ГСТ позволяет реализовать ДУ в виде экономичной ИМС, с КОСС порядка 100 дБ.
При использовании ПТ характер построения ДУ не меняется, следует только учитывать особенности питания и термостабилизации ПТ. В схеме ГСТ на полевом транзисторе с управляющим переходом напряжение Uзи , управляющее током, формируется за счет автоматического смещения Uзи = iс Rи. В частном случае при Rи = 0 и uзи= 0, Iн = IC макс.
Для повышения входного сопротивления часто используют ДУ на полевых транзисторах. На рис. 11.3 приведена принципиальная схема ДУ на МДП транзисторах. В данной схеме использованы МДП транзисторы с каналом n-типа. ДУ также выполнен по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы транзисторами VT1, VT2, а два других ‑ транзисторами VT3, VT4. Сопротивление нагрузки включается в диагональ моста, т.е. между стоками транзисторов VT1, VT2. Транзисторы VT3, VT4 выполняют функции пассивных элементов – резисторов. Поэтому такой ДУ иногда называют усилителем с динамической нагрузкой.
Способность дифференциального каскада не реагировать на синфазный сигнал является очень важным и полезным свойством. Это свойство дифференциальных каскадов позволяет использовать их для выделения малых сигналов на фоне больших синфазных помех, производить с их помощью сравнение сигналов между собой и с заданными уровнями, выделять слабые сигналы на фоне шумов при передаче по длинным линиям (кабелям) цифровых, звуковых, радиочастотных сигналов, напряжения электрокардиограмм, сигналов считывания информации с магнитной памяти и т.д.
Дифференциальные каскады обладают малыми нелинейными искажениями при усилении сигналов переменного тока и представляют собой основной базовый каскад аналоговых ИМС, в частности, ДУ является входным каскадом любого операционного усилителя.
Операционный усилитель (ОУ, OpAmp)
Операционный усилитель (ОУ) - это усилитель постоянного тока с дифференциальным входом, характеристики которого близки к характеристикам так называемого «идеального» усилителя, который имеет большой коэффициент усиления по напряжению К>>1 (К=104...106), большое входное (Rвх=0.1...100 МОм) и малое выходное (Rвх=10...100 Ом) сопротивления.
В линейных усилителях применяют ОУ только с цепями отрицательной обратной связи (ООС), которая уменьшает коэффициент усиления К по напряжению до 1...103, одновременно с этим уменьшает зависимость К от температуры, напряжения питания, увеличивает Rвх.ус и уменьшается Rвых.ус. Применение ОУ в усилителях без цепей ООС недопустимо, так как увеличивается опасность нарушения устойчивости ОУ и усложняются цепи коррекции частотной характеристики в широкой полосе частот.
За входным каскадом следуют один или несколько промежуточных; они обеспечивают необходимое усиление по напряжению и по току.
Комплементарный выходной каскад должен обеспечивать низкое полное выходное сопротивление операционного усилителя и ток, достаточный для питания ожидаемых нагрузок. В качестве выходного каскада обычно используется простой или комплементарный эмиттерный повторитель.
Для снижения чувствительности схемы к синфазным сигналам и увеличения входного сопротивления ток эмиттера первого дифференциального каскада задается с помощью источника стабильного тока, для выравнивания коллекторных токов применяется «токовое зеркало».
Основные параметры операционных усилителей
1. К – собственный коэффициент усиления ОУ (без обратной связи).
2. Uсдв - выходное напряжение сдвига. Небольшое напряжение, возникающее из-за несимметрии плеч ОУ при нулевом напряжении на обоих входах. Обычно Uсдв имеет значение 10 - 100 мВ.
3. Iсм - входной ток смещения. Ток на входах усилителя, необходимый для работы входного каскада операционного усилителя.
4. Iсдв - входной ток сдвига. Разность токов смещения появляется вследствие неточного согласования входных транзисторов. 
.
5. Rвх - входное сопротивление. Как правило, Rвх имеет значение до 1-10 мегаом.
6. Rвых - выходное сопротивление. Обычно Rвых не превосходит сотен Ом.
7. Косс - коэффициент ослабления синфазного сигнала. Характеризует способность ослаблять сигналы, приложенные к обоим входам одновременно.
8. Ток потребления. Ток покоя, потребляемый операционным усилителем.
9. Потребляемая мощность (рассеиваемая)
10. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения (В/мкс).
11. U пит. - Напряжение питания.
12. Переходная характеристика. Сигнал на выходе усилителя при подаче на его вход скачка напряжения.
Обозначения
Обозначение операционного усилителя на схемах
На рисунке показано схематичное изображение ОУ
здесь:
V +: неинвертирующий вход
V −: инвертирующий вход
V out: выход
V S+: плюс источника питания (также может обозначаться как V DD, V CC, или V CC+)
V S−: минус источника питания (также может обозначаться как V SS, V EE, или V CC−)
Указанные пять выводов присутствуют в любом ОУ, они абсолютно необходимы для его функционирования. Помимо этого, некоторые ОУ могут иметь дополнительные выводы, предназначенные для: - установки тока покоя; - частотной коррекции; - балансировки (коррекции смещения) и др.
Амплитудная, амплитудно-частотная, фазочастотная характеристики
Фазочастотная характеристика
Применение ОУ.
Неинвертирующий и инвертирующий усилитель. На рисунке а приведена схема неинвертирующего усилителя (не меняющего полярность усиливаемых сигналов), где сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ через разделительную цепочку С1R1. Цепочка С2R2 служит для коррекции частотной характеристики устройства на высоких частотах и устраняет возможности самовозбуждения ОУ.
Рисунок – Схема принципиальная неинвертирующего усилителя а) и инвертирующего б) выполненного на ОУ
Для стабилизации коэффициента усиления устройства, улучшения его характеристик, уменьшения коэффициента гармоник и т.д. с выхода ОУ на его инвертирующий вход подана последовательная обратная связь по напряжению. Глубина обратной связи определяется коэффициентом деления делителя R3 / R4. Коэффициент усиления такого устройства практически равен
КУнеин. = 1 + R3 / R4. Его можно изменять изменением сопротивления резистора R3.
На рисунке б приведена схема инвертирующего усилителя (меняющего фазу усиливаемых сигналов), где сигнал подается на инвертирующий вход ОУ через разделительную цепочку С1R1. Цепочка FC-С2 служит для коррекции частотной характеристики устройства на высоких частотах и устраняет возможности самовозбуждения ОУ. Для стабилизации коэффициента усиления устройства, улучшения его характеристик, уменьшения коэффициента гармоник и т.д. с выхода ОУ на его инвертирующий вход подана параллельная обратная связь по напряжению. Глубина обратной связи определяется коэффициентом деления делителя R2 / R1. Коэффициент усиления такого устройства практически равен
КУ ин. = - R2 / R1. Его можно изменять изменением сопротивления резистора R2.
Схема интегрирования. Для аналоговой вычислительной техники важное значение имеет применение операционных усилителей для реализации математических операций.
Для мгновенных значений: i 1 = - i c. Поскольку i 1 = u 1/ R 1, а выходное напряжение схемы равно напряжению на конденсаторе:
Может служить фильтром НЧ первого порядка
Схема дифференцирования. Uвых = -Rос С dUвх/dt = -τ dUвх/dt
Схема суммирования
Инвертирующий сумматор формирует алгебраическую сумму нескольких напряжений и меняет ее знак на обратный.