Входной дифференциальный каскад

 

Основой его является усилительная схема на двух транзисторах.

Схема входного дифференциального каскада показана на рис. 75. Реализация источника тока I₀ представлена на рис. 76. Ввиду полной идентичности транзисторов ток I₀ делится между эмиттерами транзисторов поровну.

Рассмотрим случай при Uвх=0. Т.к. эмиттерные токи VT1 и VT2 равны I₀/2, то коллекторные токи также равны I₀/2 (пренебрегаем малыми базовыми токами). График напряжений на элементах схемы представлен на рис. 77. Uвых=Uвых1-Uвых2=0.

При Uвх¹0 график показан на рис. 78. Под действием положительного входного напряжения VT1-открывается, VT2-закрывается. Uвых= Uвых1-Uвых2¹0 - баланс нарушен.

Недостатки такого дифференциального каскада:

1. Выходное напряжение снимается между коллекторами, т.е. не привяза-

но к общей точке.

2. Низкий коэффициент усиления по напряжению при малом уровне тока I₀ и конечных сравнительно низких номиналах R_к1 и R_к2.

 

 

Современный входной дифференциальный каскад

 

Схема показана на рис. 79. VT1 и VT2 с источником тока I₀ пов-

торяют первую схему. Добавлены VT3 и VT4, образующие повторитель

тока эмиттера транзистора VT1. Ток 2I_б при больших коэффициентах усиления»0. Схема на транзисторах VT3 и VT4 называется “токовое зеркало”.

При Uвх=0: I_VT1=I₀/2, I_VT2=I₀/2, I_VT4=I_VT1=I₀/2. Т.к. I_VT2=I_VT4 , то I_н=0. При Uвх>>0: VT1-открыт, VT2-закрыт, I_VT1=I_VT3=I_VT4=I₀, I_VT2=0, поэтому I_н=I_н2=-I₀.

При Uвх<<0: VT1-закрыт, VT2-открыт, I_VT1=I_VT3=I_VT4=0, I_VT2=I₀, поэтому I_н=I_н1= I_0.

Существуют и другие варианты подобных каскадов. Для получения большого коэффициента усиления операционные усилители обычно дела-ются трехкаскадными. Следующий второй каскад называется промежуточным каскадом.

 

Промежуточный каскад

 

Он может быть выполнен:

а) как первый входной каскад;

б) с общим эмиттером;

в) с общим коллектором.

 

Выходной каскад

 

Чаще всего применяется реверсивный эмиттерный повторитель на транзисторах разного типа проводимости. Схема его показана на рис. 80.

Параметры операционных усилителей

 

1. Напряжение питания U_{ПИТ.НОМ}=2´(5…16,5)В.

2. Ток потребления I_ПОТ=(0,15…10)мА.

3. Коэффициент усиления K_U=10³…10⁵.

4. Напряжение смещения U_СМ=(0,5…20)мВ. Это напряжение, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы U_ВЫХ=0.

5. Входной ток I_ВХ=(0,1…1000)нА.

6. Разность входных токов DI_ВХ=(0,05…500)нА.

7. Входное сопротивление R_ВХ=5кОм…50Мом.

8. Коэффициент ослабления синфазного сигнала К_ОС.СФ=(60…100)Дб.

9. Максимальное синфазное напряжение U_CФ.MAX=(10…30)В.

10. Максимальное дифференциальное напряжение U_ДФ.MAX=(5…30)В.

11. Максимальное выходное напряжение U_ВЫХ.MAX=(10…12)В.

12. Минимальное сопротивление нагрузки R_Н.MIN=2кОм.

13. Частота единичного усиления f₁=(0,5…30)МГц.

14. Скорость нарастания выходного напряжения V_U=(0,2…500)В/мкс.

 

Классификация ОУ

1. ОУ общего применения.

2. Прецизионные ОУ имеют большой К_У(3*10⁵), малое U_CМ (0,05мВ), большое R_ВХ (30 МОм).

3. Быстродействующие ОУ с высоким значением V_U.

4. Микромощные ОУ с малым током потребления.

Основные схемы включения ОУ.

Инвертирующее включение

ОУ обычно применяется с обвязывающими цепями. Применение

этих цепей позволяет выполнять с помощью его математические операции:

алгебраическое суммирование, интегрирование, дифференцирование. Инвертирование - это изменение знака. Одновременно со всеми указанными операциями выполняется усиление входного сигнала.

Типовая схема инвертирующего включения представлена на рис. 81. Схема замещения выходной цепи представлена на рис. 82.

На основе свойств ОУ можно записать следующие уравнения:

Iвх=Uвх/Zвх;

Iос=Iвх;

Iос= -Uвых/Zос.

На основе этих уравнений получаем:

-Uвых/Zос=Uвх/Zвх;

Uвых= -Zос/Zвх´Uвх;

Uвых/Uвх= -Zос/Zвх,

где Zос/Zвх=Ку -коэффициент усиления схемы.

Отношение Uвых/Uвх в случае, если каждая из этих величин записа-

на в преобразовании Лапласа, называется передаточной функцией схемы.

Понятие передаточной функции - одно из основополагающих понятий тео-

рии управления.

Применение инвертирующего усилителя

В качестве интегратора

 

Схема представлена на рис. 83. На ней: Zвх=Rвх; Zос=1/pCос.Тогда

 

-Uвых/Uвх=1/(pCос´Rвх)=1/pТ_и,

 

где Т_и=Сос´Rвх-постоянная интегрирования.

Получение этих же зависимостей с помощью подробного описания

на основе двух свойств ОУ:

i_вх=u_вх/Rвх;

i_вх=i_ос.

Выходное напряжение ОУ:

u_вых= –1/Cосòi_осdt= –1/Cосò(u_вх /Rвх)dt= –1/(CосRвх)òu_вх dt Þ –1/(pСосRвх)´Uвх.

Диаграмма работы интегратора представлена на рис. 84.

Схема дифференцирования

 

Схема представлена на рис. 85.

Zвх=1/pСвх; Zос=Rос;

-Uвых/Uвх=Rос/(1/ рСвх)= рСвхRос=рТд,

где Тд=СвхRос - постоянная дифференцирования.

Диаграммы работы представлены на рис. 86, где p/2 -сдвиг по фазе.

Амплитуда выходного сигнала зависит от Тд (чем больше Тд, тем больше

амплитуда).

 

Схема суммирования

 

Схема представлена на рис. 87. Исходные уравнения:

 

I1=Uвх1/Rвх1; I2=Uвх2/Rвх2; I3=Uвх3/Rвх3; Iос=I1+I2+I3; Uвых=Iос´Rос.

 

Отсюда

Uвых= Uвх1´Rос/Rвх1 + Uвх2´ Rос/Rвх2 + Uвх3´Rос/Rвх3.

 

Входов может быть сколько угодно, знаки входных напряжений произвольны.

Если в качестве Zос применить Cос, то одновременно с суммировани-

ем будет выполняться и интегрирование.

На практике резисторы устанавливаются величиной 1кОМ¸десятки кОМ.

 

Неинвертирующее включение

 

Схема представлена на рис. 88. Другое возможное изображение представлено на рис. 89. Исходные уравнения:

I1=Uвх/R1; I1=Iос; Iос=(Uвых-Uвх)/Rос.

Отсюда

Uвх/R1=(Uвых-Uвх)/Rос; Uвх/R1+Uвх/Rос=Uвых/Rос.

Следовательно,

Uвых=(Rос/R1+1)´ Uвх =(Rос+R1)/R1´Uвх

или

Uвых/Uвх=(Rос+R1)/R1.

 

Ограничитель сигнала

 

Применение нелинейных элементов позволяет реализовать нелинейную

связь между входным и выходным напряжениями. Обычно это выполняется с помощью инвертирующего включения. Характеристика, связывающая входное и выходное напряжения в инвертирующем включении, имеет вид, представленный на рис. 90. При этом tga=Rос/Rвх.

Схема, реализующая характеристику без положительных значений выходного напряжения, представлена на рис. 91.

Ограничение выходного напряжения на заданном уровне может быть выполнено с помощью схемы, представленной на рис. 92.

1. При Uвх>0:

если U_ОС³U_VD1+U_СТ2, то Uвых=U_ОГР1=U_VD1+U_СТ2,

т.е. напряжение на цепи обратной связи будет постоянным.

2. При Uвх<0:

если ½U_ОС½³½U_VD2+U_СТ1½, то Uвых=U_ОГР2=U_VD2+U_СТ1.

Когда U_СТ1 не равно U_СТ2, уровень ограничения U_ОГР1 будет не равен уровню ограничения U_ОГР2 . Отметим, что Uвых всегда равно падению напряжения на сопротивлении обратной связи.

 

Компараторы

Компараторы определяют знак входного сигнала. Компараторы являются связующим элементом между аналоговыми и цифровыми схемами. Для реализации компаратора может использоваться операционный усилитель без обвязывающих цепей Zвх, Zос. Характеристика компаратора должна иметь вид, показанный на рис.93. Чтобы из инвертирующего включения получить компаратор, из схемы необходимо убрать Rос. R1 можно закоротить, как показано на рис. 94. Возможно и неинвертирующее включение ОУ (рис. 95).

Выпускаются специализированные микросхемы компараторов: К521СА3, К554СА3, КР597СА2 и др. Специализированные компараторы обладают повышенным быстродействием и имеют цифровой выход 1 и 0.

Диаграммы работы компаратора представлены на рис.96.

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: