Составные части операционного усилителя - Оcновы радиоэлектроники

Усилитель постоянного тока (УПТ).

УПТ отличается от усилителей переменного тока отсутствием каких-либо емкостей.

простейший усилитель постоянного тока

Рис. 2. Простейший усилитель постоянного тока.

Рассмотрим работу простейшего усилителя постоянного тока на транзисторе (рис. 2). Постоянное входное напряжение, которое требуется усилить, одновременно играет роль напряжения питания базы. Коэффициент усиления такой схемы по напряжению равен

, (1)

Где -- коэффициент усиления тока базы, RВх -- входное сопротивление, равное RВх=rБ+(+1)(rЭ+RЭ), rБ И rЭ соответственно собственные сопротивления базы и эмиттера транзистора. При условии RЭ>>rЭ, коэффициент усиления по напряжению KU будет определяться по приближенной формуле

, (2)

Т. е. он не будет зависеть от свойств транзистора. Таким образом, температурные изменения параметров транзистора практически не изменяют коэффициент усиления усилителя и в случае выполнения RK и RЭ из одного материала почти полностью исключается температурная зависимость КU.

Дифференциальный каскад.

Основным каскадом ОУ является дифференциальный. Он состоит из двух усилителей У1 и У2 с

блок-схема дифференциального усилителя (ду)

Рис. 3. Блок-схема дифференциального усилителя (ДУ)

Коэффициентами усиления K1 и K2 вычитающего устройства В (рис. 3). Напряжение на выходе ОУ будет равно:

. (3)

Введем синфазную UC и дифференциальную UД составляющие входных сигналов:

, (4)

Выражая отсюда U1 и U2 через UC и UД и подставляя эти формулы в (3), получаем

. (5)

Обозначив

, (6)

Получим

. (7)

Величины К и КС называются коэффициентами усиления дифференциальной и синфазной составляющих входного сигнала ОУ. Их физический смысл заключается в том, что если на вход поступают одинаковые сигналы (U1=U2), то на выходе напряжение определяется KC, а если сигналы противофазны (U1=-U2), то выходное напряжение определяется K. Обычно К>>KC. В реальных схемах операционных усилителей дифференциальный каскад выполняется на двух биполярных или двух полевых транзисторах, а соотношение К>>KC получается благодаря общему сопротивлению в эмиттерных цепях транзисторов.

принципиальная схема дифференциального каскада

Рис. 4. Принципиальная схема дифференциального каскада

Действительно, через сопротивление RЭ/2 течет ток, равный сумме эмиттерных токов транзисторов VT1 и VT2. Если входные сигналы равны по величине и противоположны по фазе, то изменение напряжения на эмиттерном сопротивлении не происходит, т. к. увеличение эмиттерного тока через один транзистор полностью компенсируется уменьшением тока через другой. Таким образом, эмиттеры по переменному току можно считать заземленными и схема ДУ распадается на два независимых каскада с заземленными эмиттерами. Коэффициент усиления одного такого каскада и есть дифференциальный коэффициент усиления. Он может быть определен по формуле (1) при RЭ =0. Если входные сигналы равны по величине и синфазны, то оба транзистора находятся в одинаковых условиях. Сопротивление RЭ/2 можно представить в виде двух параллельно соединенных резисторов значением RЭ каждый. Тогда схема дифференциального усилителя снова распадается на два независимых каскада (рис. 2). Коэффициент передачи такого каскада определяется также по формуле (1), но при RЭ>0, и тем меньше, чем больше RЭ. При снятии сигнала с одного из выходов 1 или 2 он и будет равен синфазному коэффициенту передачи ДУ KC. Коэффициент подавления синфазного сигнала () будет примерно пропорционален RЭ:

. (8)

Чтобы увеличить RЭ, не увеличивая при этом напряжение питания E1 и E2, сопротивление RЭ обычно заменяют транзистором с фиксированным током базы (рис. 5). Выходное сопротивление этого транзистора играет роль RЭ и является малым для постоянного тока и большим для переменного, как это следует из выходной характеристики транзистора (рис. 6).

дифференциальный каскад с транзистором в эмиттерной цепи

Рис. 5. Дифференциальный каскад с транзистором в эмиттерной цепи

Для постоянного тока -

,

Для переменного тока. -

.

выходная характеристика транзистора

Рис. 6. Выходная характеристика транзистора

Чтобы еще больше увеличить сопротивление в эмиттерной цепи усилительных транзисторов, используют схему стабилизации коллекторного тока транзистора VT3. Такая схема получила название источника стабильного тока (рис. 7).

источник стабильного тока

Рис. 7. Источник стабильного тока

Предположим, что в результате каких-либо, например, температурных, изменений коллекторный ток транзистора увеличивается. При этом, во-первых, увеличивается падение напряжения на R3 и, следовательно, уменьшается напряжение UБэ, что несколько компенсирует изменение коллекторного тока. Во-вторых, если транзистор VT4 обладает такими же температурными свойствами, что и транзистор VT3, то его сопротивление уменьшится и потенциал базы VT3, вследствие изменения коэффициента деления делителя R1, VT4, R2, уменьшится, что дополнительно скомпенсирует коллекторный ток транзистора vT3.

Иногда такой источник стабильного тока ставится в коллекторные цепи уменьшительных транзисторов VT1 и VT2 для увеличения эффективного коллекторного сопротивления RK, что увеличивает дифференциальный коэффициент усиления согласно формуле (1).

Каскад сдвига уровня

При построении усилителя постоянного тока возникает проблема согласования постоянных напряжений между каскадами. Рассмотрим для примера двухкаскадный усилитель постоянного тока (УПТ) (рис. 8). Для работы транзисторов в активном режиме необходимо обеспечить определенные напряжения между базой и эмиттером, эмиттером и коллектором каждого транзистора.

Так как в схеме УПТ отсутствуют переходные емкости, то постоянное напряжение с коллектора транзистора VT1 передается на базу транзистора VT2, и тогда для обеспечения нормального напряжения между базой и эмиттером этого транзистора требуется увеличить R3, а для обеспечения UКэ2 нужно уменьшить R4. При этом коэффициент усиления второго каскада падает по сравнению с первым. Чтобы не уменьшался коэффициент усиления второго каскада, используют каскад сдвига уровня, который включается между VT1 и VT2.

Каскад сдвига уровня (рис. 9а) представляет из себя эмиттерный повторитель с делителем в цепи эмиттера. Постоянное напряжение в точке "b" практически равно постоянному напряжению в точке "а" (т. к. UВа0,3 В -- мало).

двухкаскадный упт

Рис. 8. Двухкаскадный УПТ

каскады сдвига уровней

Рис. 9. Каскады сдвига уровней

Следовательно, постоянное напряжение на выходе каскада UC равно:

. (9)

Выбрав достаточно малое отношение R3/R2, получим снижение напряжения на входе следующего каскада. Чтобы обеспечить большой коэффициент передачи цепочки R2, R3 для переменной составляющей напряжения, вместо R3 ставят иногда транзистор со стабилизированным током коллектора. Выходное сопротивление такого транзистора для переменной составляющей R~ много больше сопротивления постоянной составлявшей R=.

Поэтому при малом коэффициенте передачи постоянной составляющей

Можно добиться практически полной передачи переменной составляющей

.

Сопротивление R4 служит дня обеспечения нормального режима работы транзистора VT2.

Выходные каскады.

Чтобы нагрузка не влияла на работу схемы ОУ и с целью снижения выходного сопротивления на выходе ОУ часто ставят эмиттерный повторитель (рис. 10). Иногда для увеличения выходного сигнала ставят двухтактный каскад (рис. 11).

рис.11

Рис.10 Рис.11

В случае двухтактного каскада при подаче на вход периодического сигнала транзисторы VT1 и VT2 открываются разными полуволнами поочередно и на выходе напряжение возрастает по сравнению с обычным усилителем примерно в два раза.

Схема операционного усилителя К14ОУД1Б (рис. 12).

Первый каскад -- дифференциальный усилитель собран на транзисторах VT2, VT3. Транзистор VT1 играет роль эмиттерного сопротивления этого каскада. Транзистор VT9 -- транзистор в диодном включении, стабилизирует коллекторные токи VT1 и VT8. Второй каскад -- VT4, VT5. Транзистор VT5 работает как обычный УПТ с общим эмиттером; VT4 подключен ко второму плечу дифференциального каскада и симметрирует коллекторные токи VT2 и VT3. Цепочка VT6, VT8 -- цепь сдвига уровня. Выходной каскад собран на VT7 и представляет собой эмиттерный повторитель. Подключение его эмиттера к части эмиттерной нагрузки транзистора VT8 обеспечивает слабую положительную обратную связь, увеличивающую усиление выходного каскада. Этот ОУ является одним из простейших.

Рис. 12. Схема операционного усилителя К140УД1Б

Похожие статьи




Составные части операционного усилителя - Оcновы радиоэлектроники

Предыдущая | Следующая