Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка - страница 15

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60 

Суть роботи таких схем полягає у наступному.

Вхідний сигнал напруги постійного струму за допомогою спеціаль­ного пристрою, що називається модулятором, перетворюється у сиг­нал напруги змінного струму, амплітуда якої дорівнює напрузі постійного сигналу. Потім змінний сигнал підсилюється підсилювачем напруги змінного струму, після чого за допомогою демодулятора змінний сиг­нал знову перетворюється у постійний, напруга якого дорівнює амплі­туді підсиленого змінного сигналу.

Наявність підсилювача змінного струму виключає дрейф нуля. Але через досить велику складність виконання такі підсилювачі викорис­товуються рідко.

4.6. Операційні підсилювачі

4.6.1. Загальні відомості

Операційний підсилювач (ОП) - це ППС, що має високий коефіці­єнт підсилення, два входи (так званий диференційний вхід) і один вихід.

Зазвичай ОП будують як ППС з безпосередніми зв'язками між кас­кадами, з диференційним входом і біполярним відносно амплітуди підси­люваного сигналу виходом. Це забезпечує нульові потенціали на вході і виході ОП за відсутності вхідного сигналу. Тому такі підсилювачі лег­ко з'єднувати послідовно, а також охоплювати зворотними зв'язками.

За своєю структурою ОП бувають три- або двокаскадні.

За трикаскадною схемою будувались ОП у інтегральному виконанні першого покоління. Перший диференційний каскад у них працює в ре­жимі мікрострумів, забезпечуючи тим самим високий вхідний опір.

Другий диференційний каскад забезпечує підсилення напруги. Третій каскад, вихідний, виконується як двотактний з СК і забезпечує підси­лення потужності, а також низький вихідний опір (див. пп. 3.7.2).

ОП другого покоління будуються за двокаскадною схемою. Це стало можливим із зростанням рівня інтегральної технології. При цьому, перший каскад забезпечує і високий вхідний опір, і великий коефіцієнт підсилення за напругою. Другий каскад є підсилювачем потужності.

Свою назву ці підсилювачі одержали у зв'язку з тим, що спочатку вони використовувались для моделювання математичних операцій (множення, додавання, віднімання, диференціювання, інтегрування та ін.) в аналогових обчислювальних машинах (АОМ).

Із розвитком інтегральної техніки області використання ОП значно розширились. Нині вони використовуються в основному як високо­якісні підсилювачі напруги при побудові будь-яких електронних при­строїв. А АОМ тим часом були витіснені цифровими обчислювальни­ми машинами.

Поширеному застосуванню ОП сприяють їхні високі параметри. Це великий коефіцієнт підсилення за напругою, що становить K = (104­106); високий вхідний опір кожного з входів - R> 400 кОм; низький вихідний опір Reux< 100 Ом; досить широкий частотний діапазон - від нуля до одиниць мегагерц.

За ними ОП для багатьох застосувань наближаються до ідеального підсилювача, що має:

1) K®¥;

2) два симетричних входи з R ®¥;

3) R  ® 0; "

7      вих 7

4) безкінечний діапазон частот підсилюваного сигналу. При цьому зазначимо, що як лінійні підсилювачі у десятки тисяч

разів реальні ОП не застосовують, бо їхній коефіцієнт підсилення (як і інші параметри) - величина вкрай нестабільна (наприклад, під дією температури).

Умовне позначення ОП наведене на рис. 4.7,а (на рис. 4.7,б,в надано умовні позначення, прийняті у деяких зарубіжних країнах).

Вхід, на який подано U називається інвертуючим, а UH - неінвер-туючим.

DA

и, <>>с

U6uX

а) б) в)

Рис. 4.7 - Умовні позначення ОП

Якщо сигнал подати на неінвертуючий вхід, то зміни вихідного сиг­налу співпадають за знаком (фазою) із змінами вхідного. Якщо сигнал подати на інвертуючий вхід, то зміни вихідного сигналу матимуть проти­лежний знак (фазу) щодо змін вхідного. Інвертуючий вхід використову­ють для охоплення ОП зовнішніми НЗЗ, а неінвертуючий - ПЗЗ.

Коротко розглянемо деякі характерні принципові схеми ОП.

ОП типу 153УД1 (рис. 4.8) має трикаскадну структуру.

Перший диференційний каскад побудований на тран­зисторах VT1, VT2 з джере­лом струму на транзисторі VT3. Другий - на складених транзисторах VT5, VT6 і VT8, VT9 (для забезпечен­ня великого коефіцієнта підсилення за напругою). Вихідний двотактний каскад утворюють VT14 і VT15. Інші елементи забезпечу­ють стабільне живлення пер- Рис. 4.8 - ОП типУ 153уД1 шого каскаду і узгодження другого з вихідним (зверніть увагу: без кола на схемах позначають транзистори, що не мають власного корпусу -безкорпусні).

Схемотехніка цього підсилювача багато у чому повторює схемотех­ніку ППС на дискретних елементах (див. рис. 4.6, рис. 3.37).

Особливістю інтегральної схемотехніки у даному разі є застосуван­ня в якості джерела струму Ід для вхідного диференційного каскаду так званого "струмового дзеркала", побудованого на транзисторах

VT3, VT7. Суть його роботи полягає у тому, що за однакових пара­метрів транзисторів (а при виконанні на одному кристалі у одному технологічному циклі вони дуже подібні) струм коллектора VT3 наслі­дує - "віддзеркалює" - струм колектора VT7: напруга з VT7 у діодному вмиканні задає струм бази VT3, що працює у режимі генератора стру­му (див. рис. 9.33). При цьому нестабільність І визначається нестабіль­ністю контактної різниці потенціалів емітерного переходу VT7. Задаю­чи відповідним чином величини опору резисторів, увімкнених послідовно з VT7, і напругу живлення каскаду, забезпечують стабілізацію режиму VT7, а отже і VT3.

у режимі мікрострумів, забезпечуючи тим самим великий вхідний опір ОП. Вони є джерелом сигналу для каскадів з СБ на VT2, VT7, що їхніми колекторними навантаженнями є динамічні навантаження -джерела струму на VT3, VT8 (як відомо, з боку колектора, через не­значний нахил статичних вихідних ВАХ, транзистор має опір у сотні кілоом, а реально можливі опори резисторів у інтегральному вико­нанні сягають лише десятків кілоом). Оскільки значення коефіцієнта підсилення за напругою пропорційне опору колекторного навантаження (див. пп. 3.7.3), це дозволяє отримати підсилення у декілька сотень разів вже у першому каскаді.

Вихідний каскад на транзисторах VT23, VT24 працює у режимі кла­су АВ. Захист каскаду від перевантажень забезпечують транзистори VT21 і VT22, що, вмикаючись напругою датчиків струму R9, R (якщо

Типовим представ­ником ОП другого по­коління є ОП типу 140УД7 (рис. 4.9). Він двокаскадний, має складний вхідний дифе-ренційний каскад на VT1-VT4 і VT6-VT8 з

Рис. 4.9 - ОП типу 140УД7

вмиканням транзисторів за схемою СК-СБ-СЕ. Вхідні емітерні повто-рювачі (каскади з СК) на VT1 , VT6 працюютьвона перевищує приблизно 0,6 В), шунтують емітерні переходи транзи­сторів VT23 і VT24. Решта елементів забезпечує додаткове підсилен­ня та узгодження диференційного каскаду з вихідним.

Особливістю ОП 140УД8 (рис. 4.10) є те, що для забезпечення підвищеного вхідного опору у якості вхідних транзисторів VT2 і VT5 використано польові транзистори.

Слід зазначити, що номенклатура сучас­них ОП надзвичайно широка. Це необхідно для забезпечення кон­кретних специфічних потреб розробників електронних пристроїв.

На рис. 4.11 наведена типова схема вмикан­ня ОП типу 140УД7.

Диференційний вхід­ний сигнал Uex подаєть­ся між виводами 2 (ін­вертуючий вхід) і 3 (не-

Рис. 4.10 - ОП типу 140УД8

DA 1

2

 

 

- FC

 

+U

NC

 

 

 

140

 

NC

УД7

-U

6

_Ueux

1

R1

10 кОм

інвертуючий вхід). исф -синфазний сигнал. На­вантаження підмика-     Рис. 4.11 - Схема вмикання ОП типу 140УД7 ється до виводу 6. Живлення забезпечується двополярним джере­лом напруги is  is  що підмикається між виводами 7, 4 і нульовою точкою.

Нульовий вихідний сигнал при U = 0 забезпечується резистором R підімкненим до входів балансування (корекції нуля) 1 і 5. Це дозво­ляє виключити вплив несиметрії схеми ОП, що виникає за рахунок не­ідеальної подібності його елементів.

Конденсатор С1 забезпечує корекцію амплітудно-частотної ха­рактеристики (АЧХ).

Схеми вмикання ОП і параметри коригуючих ланцюгів наводяться у довідкових матеріалах.

+Ueux, в а

Найважливішими характеристиками ОП є вихідні амплі­тудні (передатні) характеристики -U   = f (U ), зобра-

вих     J    v    вх'7 г

жені на рис. 4.12.

Знімають ці ха­рактеристики, пода­ючи сигнал на один із входів і з'єднуючи інший з нульовою точкою.

Кожна вихідна ха-

t -иаих, в

рактеристика має

Рис. 4.12 - Передатні характеристики ОП горизонтальні та скісну ділянки. Горизонтальні ділянки відповідають режимам повністю відкритого чи закритого транзистора вихідного каскаду (режимам наси­чення ОП). При зміні напруги вхідного сигналу на цих ділянках вихідна напруга підсилювача залишається незмінною і визначається напругами U +    або U -    , близькими до напруги джерел живлення К та Е .

вихт вих т> l j l 12

Коефіцієнт підсилення визначається за скісними ділянками:

Киоп

AU

AU

(4.8)

Великі його значення дозволяють за умови охоплення ОП глибо­ким НЗЗ одержати схеми з властивостями, що залежать лише від параметрів ланцюга НЗЗ, бо, як виходить із формули (3.34), при К®¥ К33 ® 1/c - залежить лише від параметрів ланцюга НЗЗ (і, на перший погляд, фактично не залежить власне від підсилювача!)

Стан, за якого Ueux= 0 при Uex= 0, називається балансом ОП. Однак для реальних ОП умови балансу не виконуються (є розбаланс).

Напруга U   , за якої Uem= 0, має назву вхідної напруги зміщення нуля. Вона визначає напругу, що необхідно подати на вхід підсилюва­ча для створення балансу. Передатні характеристики ОП за наявності розбалансу

наведені на рис. 4.13.

AU йиг

+Ueux^ і

-U3U о

U

змв

-. (4.9)

Киоп

Корекція розбалансу вико­нується коригуючими лан­цюгами або, за відсутності таких у ОП деяких типів, по­дачею на вхід напруги, що дорівнює U   і протилежна

-ивх

+aUeux

1'L

--------J-E2

у -Ueux

Рис. 4.13 - Передатні характеристики ОП за наявності розбалансу

за знаком (див. пп. 4.6.5).

Вхідний опір, вхідний струм зміщення, максимальні вхідні диференційна та синфазна на­пруги є основними вхідними параметрами ОП.

При необхідності захисту від перенапруг між входами ОП вмика­ють зустрічно-паралельно два діоди або стабілітрони.

Вихідними параметрами ОП є вихідний опір, максимальна вихідна напруга та струм. Ku^

Частотні характеристики ОП ви­значають з його АЧХ, зображеної на рис. 4.14. Вона має спадний харак­тер за високих частот, починаючи від частоти зрізу f .

Киоп Киоп

~4Т

f

f3p fe

Рис. 4.14 - АЧХ ОП

f - верхня межа частотного діапазону. За цієї частоти:

Киоп

(4.10)

Ки

v2

Діапазон частот (0 - f) має назву смуги частот ОП.

Широке практичне використання ОП в аналогових пристроях зумов­лене, головним чином, застосуванням у їхніх схемах різного роду зовніш­ніх НЗЗ, чому сприяє велике значення коефіцієнта підсилення KUon, високий вхідний та малий вихідний опори. Висока якість параметрі13Є

ЕЛЕКТРОНІКА І МІКРОСХЕМОТЕХНІКА

сучасних ОП дозволяє, зокрема, без внесення помітної похибки при розрахунку схем на ОП, приймати KUon®¥, Rex0n®¥, Reux0n® 0, а зна­чить вважати ОП за ідеальний!

Розглянемо деякі приклади електронних пристроїв на ОП.

4.6.2. Інвертуючий підсилювач

Інвертуючий підсилювач (необхідно розрізняти поняття "операцій­ний підсилювач" і "підсилювач, виконаний на операційному підсилювачі"), схему якого зображено на рис. 4.15,а, змінює знак вихідного сигналу відносно вхідного. Він створюється введенням паралельного НЗЗ за до­помогою резистора R33 на інвертуючий вхід ОП - на цей вхід подається частина вихідного сигналу з дільника R33,Rr

R33

ізз R1 іі

DA

Uo

і

1 1

а)

Ueux

і

Uex=1 в

PV2]

UR1=1 в

->

R1

1 к Ои

PV1 ,

і1=1 мА

PV4}

UR2=10 в

->

R2

,     ^   10 к ОМ

2     1 DA

]   ( PV3j Uo=0

Ueux= -10 в -о-

PV5]

б)

1 ї

Рис. 4.15 - Інвертуючий підсилювач на ОП

Неінвертуючий вхід з'єднується із спільною точкою схеми (точкою з нульовим потенціалом). Вхідний сигнал через резистор R1 подається на інвертуючий вхід ОП. Кола живлення і ланцюги корекції тут і надалі не показано.

Виходячи з наведеного вище, а саме: вважаючи ОП за ідеальний, при аналізі схем з ОП слід виходити з таких положень:

1) коефіцієнт підсилення ОП нескінченний;

2) входи ОП струму не споживають (RexOIj=¥);

3) у вихідних колах ОП падіння напруги відсутнє (RxuxOn=0);

4) якщо ОП охоплено НЗЗ і він працює у лінійному режимі (в режи­мі підсилення, а не насичення), різниця потенціалів між його входами

вхОП 0

Доведемо останнє положення.

UвихОП

UeuxOn KUOnUвхОП;

UвхОП

Киоп

Якщо KUon®¥ то Uxoon ® 0.

Реально UxxOIj=Ug нулю не дорівнює. Але це настільки незначна ве­личина, що для більшості схем на ОП нею можна знехтувати. Дійсно, якщо, наприклад, UxuxOn=10 В (це майже відповідає насиченню), а KUOn= 100000, то U0 = 100 мкВ!

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60 


Похожие статьи

Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка