Предварительный каскад усиления

Транзисторные усилители являются основной базой построения современных операционных усилителей и других электронных схем. Следует помнить, что транзистор (transformer of resistor) – преобразователь сопротивления, т.е. сопротивлением коллекторного перехода транзистора или сопротивлением канала полевого транзистора можно управлять. При подаче на базу транзистора отпирающего потенциала сопротивление коллекторного перехода может упасть на несколько порядков, и если не предпринять меры к защите транзистора, то может произойти тепловой пробой вследствие большой плотности тока, превышающей критическую. Для предотвращения теплового пробоя установим в коллекторную цепь транзистора сопротивление R_к.

При отсутствии на базе смещения транзистор работает в режиме «ключа», т.е. может быть или открыт или закрыт. Введем между источником питания и базой транзистора сопротивление смещения R_б. Это сопротивление создает «ток покоя базы», который вводит транзистор в активный режим работы. При этом падение напряжения на участке коллектор-эмиттер транзистора станет меньше (сместится на R_к). Обычно резистор R_б выбирают таким, чтобы падение напряжения на резисторе R_к и участке коллектор-эмиттер были бы примерно одинаковыми. Для нормальной работы транзистора нужно создать между базой и эмиттером транзистора разность потенциалов близкую к напряжению потенциального барьера. Для германиевых транзисторов оно порядка 0.4 - 0.6 В, для кремниевых транзисторов порядка 0.8 – 1.0 В Напряжение смещения задается сопротивлением R_б, включенного в цепь базы.

Наиболее часто в электронной промышленности используется эмиттерная температурная стабилизация, которая позволяет сохранить высокий коэффициент усиления переменной составляющей сигнала, несущего информацию и одновременно осуществить стабилизацию температурного режима работы транзистора (рис. 4.12). Сопротивление R_э осуществляет ООС по току.

При росте температуры окружающей среды растет число неосновных носителей зарядов в транзисторе, что приводит к самопроизвольному росту тока коллектора транзистора. Возрастает падение напряжения на резисторе R_э, при этом рост напряжения приводит к подзапиранию транзистора, так как на базе относительно эмиттера возникает отрицательный потенциал. Чем выше температура, тем выше ток коллектора транзистора, тем больше падение напряжения на резисторе R_э, тем более отрицательный потенциал базы транзистора призакрывающий его. Конденсатор С_э пропускает переменную составляющую как входного, так и выходного сигнала, не давая осуществить ООС по переменной составляющей.

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

5.1. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

 

Первоначально операционные усилители предназначались для работы в аналоговых вычислительных машинах (АВМ). АВМ должна была работать с масштабными коэффициентами, осуществлять операции сложения, интегрирования, дифференцирования и т.д. При использовании элементов микроэлектроники стало возможным использовать усилитель постоянного тока как основной блок электронных усилителей для выполнения выше названных операций. Основу такого усилителя составляет два или несколько дифференциальных каскадов усиления.

Операционные усилители характеризуются следующими параметрами:

1) амплитудная характеристика u_вых = f (u_вх);

2) коэффициент усиления по напряжению к_U;

3) входное напряжение смещения нуля U_{вх.см 0};

4) максимальное дифференциальное входное напряжение ;

5) cуммарная потребляемая мощность ;

6) Частотные параметры и .

На рис. 5.1 представлена амплитудная характеристика операционного усилителя из которой видно, что с ростом амплитуды входного сигнала растет амплитуда выходного, но при достижении значения u_вх = u_вх._макс и выше операционный усилитель сигнал не усиливает. Причина в ограничении выходного напряжения источника питания, выше которого выходной сигнал быть не может.

Угол наклона линейного участка амплитудной характеристики к горизонтальной оси определяет коэффициент усиления операционного усилителя по напряжению и может быть определен через тангенс угла наклона т.е.

Операционные усилители могут иметь очень высокий коэффициент усиления до 10⁶. Сам коэффициент усиления ОУ при применении отрицательных обратных связей зависит только от параметров обратной связи, т.е. от её глубины и вида и не зависит от коэффициента усиления самого операционного усилителя.

Операционные усилители, при высоком коэффициенте усиления, очень чувствительны к входному сигналу. Схема операционного усилителя считается сбалансированной, если при входном сигнале сигнал на выходе . На рис. 5.1. кривые зависимости выходного напряжения от входного напряжения проходят через ноль, следовательно, данный операционный усилитель сбалансирован.

Поскольку входные цепи операционных усилителей выполнены по дифференциальной схеме, то такой операционный усилитель (ОУ) должен инвертировать сигнал одного их входов (развернуть по фазе на 180⁰). Тот вход ОУ, который опрокидывает фазу выходного сигнала, называется инвертирующим входом. Вход, фаза сигнала которого совпадает с фазой выходного сигнала, называется неинвертирующим.

На рис. 5.1. показана зависимость выходного напряжения от входного напряжения. При подаче на неинвертирующий вход ОУ положительного потенциала сигнал на выходе положительный – кривая 1.

Кривая 2 – зависимость выходного напряжения от напряжения на инвертирующем входе. Положительному значению входного напряжения соответствует отрицательное значение выходного.

При разбалансировке операционного усилителя выходное напряжение может быть больше или меньше нуля т.е. при напряжение на выходе

или

На рис. 5.2 показаны передаточные функции в сбалансированном состоянии ОУ и при его разбалансировке. Пунктирной линией показаны кривые разбалансированного усилителя.

Основной причиной разбалнсировки является разброс параметров транзисторов дифференциального каскада. При изменении температуры возможен дрейф выходного напряжения, который называется температурным. В некоторых операционных усилителях для компенсации дрейфа нуля напряжение смещения подают совместно с полезным сигналом на вход усилителя. В других - для подачи напряжения смещения предусмотрены специальные выводы. На схеме рис. 5.3. показана балансировка ОУ по специальным выводам NC. Для балансировки от источника питания отводится напряжение на потенциометр. Контроль и балансировка производится подключением к выходу усилителя (нагрузке) вольтметра.

Большой коэффициент усиления ОУ вводит определенные ограничения на амплитуду входного сигнала. Так если напряжение питания операционного усилителя составляет 15 В и его коэффициент усиления порядка 50 000 то легко определить амплитуду входного сигнала. Учитывая то, что коэффициент усиления равен отношению выходного напряжения к входному найдем амплитуду входного напряжения:

.

Отсюда

Для нашего случая

Для защиты входа ОУ от перегрузок по напряжению параллельно инвертирующему и неинвертирующему входу включают пару встречно-параллеьных диодов (рис. 5.3) или делители напряжения R ₁- R ₂ и R ₃- R ₄ (рис. 5.4).

 

 

5.3. ИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ

Инвертирующим называют такой усилитель, который фазу усиленных выходных сигналов преобразует в фазу противоположную входным. На рис. 5.7. представлена схема инвертирующего усилителя, для которого по закону Ома можно записать следующие соотношения:

Учитывая тот факт, что коэффициент усиления усилителя близок к бесконечности, можно записать

или

Из формул видно, что коэффициент передачи при инвертирующем включении зависит только от параметров цепи обратной связи.

При подаче на вход операционного усилителя сигнала на выходе формируется усиленный противофазный выходной сигнал, который через резистор обратной связи воздействует на вход усилителя, ограничивая его коэффициент усиления. С ростом сопротивления резистора обратной связи коэффициент усиления усилителя растет. Если вместо резистора обратной связи установить перемычку, то операционный усилитель перейдет в режим инвертирующего повторителя (рис. 5.8).

На низких частотах входное сопротивление инвертирующего усилителя ниже паспортного значения, так как отрицательная обратная связь существенно снижает входное сопротивление.

 

 

5.4. НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ

Схема неинвертирующего усилителя приведена на рис. 5.9. При подаче на вход такого усилителя сигнала на выходе возникает усиленный сигнал, фаза которого совпадает с входной. Для управления коэффициентом усиления операционного усилителя вводят отрицательную обратную связь, как и в предыдущей схеме R_ос и R ₁.

Сигнал, предназначенный для усиления, подается на неинвертирующий вход. Усиленный сигнал в той же фазе появляется на выходе усилителя и поступает через сопротивление отрицательной обратной связи на инвертирующий вход операционного усилителя.

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

5.6. ИНТЕГРАТОР

Схема интегратора идентична схеме инвертирующего усилителя, но вместо резистора обратной связи установлен конденсатор. В интеграторе скорость изменения выходного напряжения пропорциональна напряжению на входе и обратно пропорциональна постоянной времени и

При ступенчатом изменении входного напряжения скорость его изменения на выходе будет равна:

Чем меньше емкость конденсатора и сопротивление интегрирующей цепи, тем больше скорость нарастания выходного напряжения. Масштаб интегрирования выбирают с учетом параметров входных сигналов, чтобы к концу проведения операции интегрирования выходное напряжение не достигло предельного значения.

 

5.7. ДИФФЕРЕНЦИАТОР

Выходное напряжение дифференциатора пропорционально скорости изменения входного сигнала. На инвертирующем входе операционного усилителя установлен конденсатор, который не пропускает постоянную составляющую тока, но не оказывает сопротивления быстро изменяющимся сигналам. При подаче на вход дифференциатора прямоугольного импульса проходят фронт и спад импульса, а вершина импульса не пропускается.

Выходное напряжение дифференциатора:

При синусоидальном входном напряжении дифференциатор работает как фильтр высоких частот, коэффициент усиления которого пропорционален частоте входного сигнала.

Недостаток дифференциатора – чувствительность к шумам высокой частоты. Устраняют этот недостаток ограничением усиления на высоких частотах путем подключения резистора последовательно с конденсатором С. В этом случае схема будет работать как дифференциатор до частот, меньших частоты, определяемой выражением: