Характеристики полевых транзисторов

Большое разнообразие типов ПТ, возникающее как следствие возможных комбинаций поляр­ности (p- и n-канальные), вида изоляции затвора (ПТ с полупроводниковым пере­ходом или МОП-транзисторы с изолято­ром в виде окисла), а также типа легиро­вания канала (ПТ обогащенного или обедненного типа) обуславливает наличие нескольких типов этих приборов. Из восьми имеющихся в результате этих комбинаций возмож­ностей шесть могли бы быть реализова­ны, а пять-реализованы на практике. Основной интерес представляют четыре случая из этих пяти.

Чтобы понять, как работает ПТ, начнем рассмотрение только с одного типа, точно так, как мы сделали с биполярным транзистором.

Входные характеристики ПТ. Рассмот­рим вначале n-канальный МОП-транзис­тор обогащенного типа, биполярным ана­логом которого является n-р-n-траязистор (рис. 3.1.1). В нормальном режиме сток (или соответствующий ему коллектор) имеет положительный потенциал относительно истока (эмиттера). Ток от стока к истоку отсутствует, пока на затвор (базу) не будет подано положительное по отношению к истоку напряжение. В последнем случае затвор становится «прямосмещенным», и возникает ток стока, который весь проходит к истоку.

Рис. 3.1. 1 р-и-n канальный МОП-транзистор; б-бипо­лярный n-р-n-транзистор.

 

 

На рис. 3.1.2 показано, как изменяется ток стока I_С в зависимости от напряжения сток-исток Uси, при нескольких значениях управляющего напряжения затвор-исток Uзи. Для сравнения здесь же приведено соответствующее семейство кривых зависимости Iк от U_КЭ для обычного билолярного n-p-n-транзистора. Очевидно, что n-канальные МОП-транзисторы биполярные n-р-n-транзисторы во многом схожи.

 

рис. 3.1.2 ВАХ полевых транзисторов

 

Подобно n-p-n-транзистору, ПТ имеет большое приращение полного сопротивления стока, в результате чего при напряжении Uс свыше 1-2 В ток стока почти не меняется. Для этой области характеристик ПТ неудачно выбрано название «область насыщения», тогда как у билоярных транзисторов соответствующая область называется «активной». Подобно биполярному транзистору, чем больше смещение затвора ПТ относительно истока, тем больше ток стока. В любом случае, поведение ПТ ближе к идеальным устройствам - преобразователям проводимости (постоянный ток стока при неизменном напряжении затвор-исток), чем биполярных транзисторов.

До сих пор ПТ выглядел подобно n-p-n-транзистору. Посмотрим, однако, на ПТ поближе. Во-первых, свыше нормального диапазона ток насыщения стока растет довольно умеренно при уве­личении напряжения затвора (U_ЗИ). Фак­тически он пропорционален (U_3И- U_П)², где U_П-«пороговое напряжение затво­ра», при котором начинает идти ток стока (для ПТ на рис. 3.1.2 UП ≤ 1,63 В). Во-вторых, постоянный ток затвора равен нулю, так что мы не должны смотреть на ПТ как на устройство, усиливающее ток (коэффици­ент усиления тока был бы равен бесконеч­ности). Вместо этого будем рассматри­вать ПТ как характеризуемое крутизной устройство - преобразователь проводимо­сти с программированием тока стока на­пряжением затвор-исток. Напомним, что крутизна g_m есть просто отношение i _с/ u_си. В-третьих, у МОП-транзистора затвор действительно изоли­рован от канала сток-исток; поэтому, в отличие от биполярных транзисторов, можно подавать на него положи­тельное (или отрицательное) напряжение до 10 В и более, не заботясь о диодной проводимости. И наконец, ПТ отличается от биполярного транзистора в так называемой линейной области графика, где его поведение довольно точно соответствует поведению резистора, даже при отрица­тельном Uси, это оказывается очень по­лезным свойством, поскольку, как вы уже могли догадаться, эквивалентное сопро­тивление сток-исток программируется напряжением затвор-исток.

 

Рис. 3.1.3 Ключ на МОП-транзисторе

Два примера использования ПТ. Рассмотрим две простые переключающие схемы. На рис. 3.1.3 показан МОП-транзисторный эк­вивалент рассмотрен­ного нами ранее насыщенного транзисторного переключателя. Схема на ПТ проще, поскольку здесь мы совершенно не должны заботиться о неизбежно возник­шем ранее компромиссе между необхо­димостью задать соответствующий необ­ходимый для переключения ток базы (рассматривая наихудший случай-мини­мальное значение h21э в сочетании с сопротивлением холодной нити лампы) и исключить избыточное расходование энергии. Вместо этого мы всего лишь подаем на затвор, имеющий высокое пол­ное входное напряжение, полное напря­жение питания постоянного тока. По­скольку включенный ПТ ведет себя как резистор с малым по сравнению с нагруз­кой сопротивлением, потенциал стока станет при этом близок к потенциалу земли; типичный мощный МОП-транзис тор имеет Rвкл < 0,2 Ом, что превосходно для данной задачи.

 

 

Рис 3.1.4. Аналоговый переключатель

 

На рис. 3.1.4. показана схема «аналогово­го переключателя», которую вообще не­возможно выполнить на биполярных транзисторах. Идея этой схемы состоит в том, чтобы переключать проводимость ПТ из разомкнутого (затвор смещен в «обратном» направлении) в замкнутое состояние («прямое» смещение затвора), тем самым блокируя или пропуская ана­логовый сигнал (позже мы увидим мно­жество причин выполнять такого рода вещи). В данном случае мы должны лишь обеспечить, чтобы на затвор подавалось более отрицательное переключающее напряжение, чем любой размах входного переключаемого сигнала (ключ разомк­нут) или на несколько вольт более поло­жительное, чем любой входной сигнал (ключ замкнут). Биполярные транзисторы для такой схемы непригодны, поскольку база проводит ток и образует с коллек­тором и эмиттером диоды, что приводит к опасному эффекту «защелкивания». В сравнении с этим МОП-транзистор вос­хитительно прост, нуждаясь лишь в пода­че на затвор (являющийся практически разомкнутой цепью) напряжения, равного размаху входного аналогового сигнала. Будьте, однако, внимательны: наше рас­смотрение этой схемы было до некоторой степени упрощением - например, мы игно­рировали влияние емкости затвор-канал, а также вариации R_вкл при изменении сигнала.

Типы ПТ

N-канальные, р-канальные ПТ. Теперь о генеалогическом древе. Во-первых, поле­вые транзисторы (как и биполярные) могут выпускаться обеих полярностей. Та­ким образом, зеркальным отображением нашего n-канального МОП-транзистора является p-канальный МОП-транзистор. Его характеристики симметричны и на­поминают характеристики p-n-p-тран-зистора: сток нормально имеет отрица­тельное смещение по отношению к исто­ку, и ток стока будет проходить, если на затвор подать отрицательное по отноше-шпо к истоку напряжение не менее од-ного-двух вольт. Симметрия несовершен­на, поскольку носителями являются не электроны, а дырки с меньшей «подвиж­ностью» и «временем жизни неосновных носителей». Эти параметры полупровод­ника важны для свойств транзисторов, а выводы стоит запомнить: p-канальные ПТ имеют обычно более плохие характе­ристики, а именно более высокое порого­вое напряжение, более высокое Rвкл и меньший ток насыщения.

 

 

 

Рис. 3.2.1 N-канальный МОП-транзистор

МОП-транзисторы, ПТ с р-n-переходом. У МОП-транзисторов (металл-окисел-полупроводник) затвор изолиро­ван от проводящего канала тонким слоем Si0₂ (стекла), наращенного на канал (рис. 3.2.1). Затвор, который может быть металлическим или легированным полу­проводником, действительно изолирован от цепи исток-сток (характеристическое сопротивление > 10¹⁴ Ом) и действует на проводимость канала только своим элек­трическим полем. Иногда МОП-транзис­торы называют полевыми транзисторами с изолированным затвором. Изолирую­щий слой довольно тонкий, обычно его толщина не превышает длины волны ви­димого света и он может выдержать на­пряжение затвора до ±20 В и более. МОП-транзисторы просты в применении, поскольку на затвор можно подавать напряжение любой полярности относи­тельно истока, и при этом через затвор не будет проходить никакой ток. Эти тран­зисторы, однако, в большой степени под­вержены повреждениям от статического электричества, вы можете вывести из строя устройство на МОП-транзисторах буквально одним прикосновением.

Символическое изображение МОП-транзистора показано на рис. 3.2.2. Здесь представлен дополнительный вывод, «те­ло» или «подложка»-кусок кремния, на котором выполнен ПТ (см. рис. 3.2.2).

 

 

 

Рис. 3.2.2. a-n-канальный и б-p-канальный МОП-транзисторы

 

3.3. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ НА ПТ

В ос­тавшейся части этой главы мы поста­раемся показать схемные решения, в ко­торых проявляются преимущества уни­кальных свойств ПТ, т. е. схемы, которые работают лучше, будучи построены на ПТ, или которые совсем нельзя изгото­вить на биполярных транзисторах. С этой целью может оказаться полезным сгруп­пировать схемы на ПТ по категориям; здесь особенно важным является, как мы это видим.

 

 

 

 

 

Таблица 3.1.	Полевые транзисторы	с /?-и-переходом
Тип	в	*С яач»	мА	Un(U0	хс),В	Сш> пФ	Сзс, пФ Примечания
	МИН.	макс.	мин.	макс.	макс.	макс.
л-канальные
2N4117A-2N4119A	40 40	0,03 0,24	0,09 0,6	0,6	1,8 6	3 4	1,5 1,5	Малая утечка^-ЦпА (макс.)
2N4338		0,2	0,6	0,3				0,51 А/Гц1/2 при 100 кГц
2N4416				2,5			0,8	Малый СВЧ-шум: 2 дБ (макс.) при 100 МГц
2N4867A-2N4869A	40 40	0,4 2,5	1,2 7,5	0,7 1,8	2 5	25 25	5 5	Низкочастотный, малый шум: 10 нВ/Гц1/2 (макс.) при 10 Гц
2N5265-2N5270	60 60	0,5	1 14	. -	3 8	7 7		6 типов в серии, строгая специфи­кация по /Снач; комплементар­ные к /^-канальным 2N5358-64.
2N5432			-					Ключ: RnKJ1 = 5 Ом (макс.)
2N5457-2N5459	25 25	1 4	5 16	0,5	6 8	7 7	3 3	Общего назначения; комплемен­тарные к /7-канальным 2N5460-62 Малый шум на ВЧ; недорогой
/ 2N5484-2N5486	25 25	1 8	5 20	0,3	3 6		1 1
2SK117		0,6		0,2	1,5	13D	З1*	Сверхмалый шум: 1 нВ/Гц1/2
2SK147				0,3	1,2	75 1)	15 *>	Сверхмалый шум: 0,7 нВ/Гц1/2
р-канальные
2N5114								Ключ: Дмл = 75 Ом
i 2N5358-2N5364	40 40	0,5 9	1 18	0,5 2,5	3 8	6 6	2 2	7 видов в серии, строгая специфи­кация по /Снач; комплементар­ные к «-канальным 2N5265-70
2N5460- 2N5462	40 40	1 4	5 16	0,75 1,8	6 9	7 7		Общего назначения; комплемен­тарные к «-канальным 2N5457-59 Сверхмалый шум: 0,7 нВ/Гц1/2
| 2SJ72	25 5 ' значение.		0,3		185г>	55 *>
1 Х) Типичное

 

Схемы с высоким полным сопротивле­нием (слаботочные). Сюда относятся буферные или обычные усилители для тех применений, где ток базы или конечное полное входное сопротивление биполяр­ных транзисторов ограничивает их харак­теристику. Хотя мы можем построить такие схемы на отдельно взятых ПТ, од­нако сегодняшняя практика отдает пред­почтение использованию интегральных схем, построенных на ПТ. В некоторых из них ПТ используется только в качестве высокоомного входного каскада, а вся остальная схема построена на биполяр­ных транзисторах, в других вся схема построена на ПТ.

Аналоговые ключи. МОП-транзисторы являются превосходными аналоговыми ключами, управляемыми напряжением, как мы уже указывали в разд. 3.01. Мы еще обсудим вкратце данный предмет. И снова говоря «аналоговый ключ», мы должны в общем случае иметь в виду интегральные микросхемы, а не схемы, построенные на дискретных элементах.

Цифровая логика. МОП-транзисторы доминируют при построении микропро­цессоров, схем памяти и большинства вы­сококачественных цифровых логических схем. Микромощные логические схемы изготавливаются исключительно на МОП-транзисторах. Здесь, как и прежде, МОП-транзисторы используются в составе интегральных схем. Далее мы уви­дим, почему ПТ отдается предпочтение перед биполярными транзисторами.

Мощные переключатели. Мощные МОП-транзисторы часто бывают пред­почтительнее биполярных транзисторов для переключения нагрузок, как мы уже показали в нашей первой схеме, приведен­ной в данной главе. Для таких примене­ний используются мощные дискретные ПТ.

Переменные резисторы; источники тока. В «линейной» области стоковых характе­ристик ПТ ведут себя подобно резисто­рам, управляемым напряжением; в об­ласти «насыщения» они являются управ­ляемыми напряжением источниками тока. Вы можете использовать эти присущие ПТ свойства в своих схемах.

Общая замена биполярных транзисто­ров. Вы можете использовать ПТ в гене­раторах, усилителях, стабилизаторах на­пряжения, радиоприемных схемах (по крайней мере в некоторых из них),-там, где обычно используются биполярные транзисторы. Применение ПТ не гаран­тирует улучшения схемы-иногда такая замена желательна, иногда нет. Их сле­дует просто иметь в виду как возможную альтернативу.

Источники тока на ПТ с р-n-переходом

ПТ используется в качестве источников тока в составе интегральных схем (в част­ности, в ОУ), а также иногда и в схемах на дискретных элементах. Простейший источник тока на ПТ показан на рис. 3.3.1.

Рис. 3.3.1. Источник тока (слева) и семейство выходных характеристик n-ка-налыюго ПТ с p-n-переходом типа 2N5484: зависи­мость I_С при различных значениях U_m при полном масштабе изменений параметров.

 

 

Мы выбрали ПТ с р-n-переходом, а не МОП-транзистор, поскольку ему не тре­буется смещения затвора (режим с обед­нением). Из стоковых характеристик ПТ (рис. 3.3.1) видно, что ток будет прибли­зительно постоянным при иси больше 2 В. Однако в силу разброса I_Снач величи­на этого тока непредсказуема. Например, устройство 2N5484 (типичный n-каналь-ный транзистор с p-n-переходом) имеет паспортную величину I_Снач от 1 до 5 мА. И все же эта схема привлекает своей простотой двухвыводного устройства, дающего постоянный ток. Существуют дешевые серийные «диодные стабилиза­торы тока», представляющие собой всего лишь отобранные по току ПТ с p-n-переходом, у которых затвор соединен со стоком. Это токовые аналоги стабили­тронов (стабилизаторов напряжения). И снова говоря «аналоговый ключ», мы должны в общем случае иметь в виду интегральные микросхемы, а не схемы, построенные на дискретных элементах.

 

3.4. Логические и мощные ключи на МОП-транзисторах

Другие виды применений ПТ-ключей-это логические и мощные переключающие схемы, Отличить их просто. При пере­ключении аналогового сигнала мы используем ПТ как последовательный ключ, разрешающий или блокирующий прохождение аналогового сигнала, кото­рый представляет собой изменяющееся в некотором диапазоне (непрерывным, т.е. аналоговым образом) напряжение. Аналоговый сигнал-это обычно сигнал, имеющий низкий уровень напряжения и незначительную мощность. С другой сто­роны, при логическом переключении клю­чи на МОП-транзисторах замыкаются и размыкаются, перебрасывая выход схемы от одного источника питания к другому. Фактически эти «сигналы» являются циф­ровыми, а не аналоговыми-они скачком переходят от уровня питания одного источника к другому, представляя тем самым два состояния: «высокое» и «низ­кое». Промежуточные уровни напряжения не являются полезными или желатель­ными; фактически, они даже незаконны! И наконец, понятие «мощные переключа­тели» относится к включению и выключе­нию питания нагрузки, такой как лампа, обмотка реле или двигатель вентилятора. В таких применениях обычно и напряже­ния, и токи велики. Рассмотрим вначале логические переключатели.

Логические ключи. На рис. 3.4.1 показан простейший тип логического переключа­теля на МОП-транзисторе. В обеих схе­мах в качестве нагрузки используется ре­зистор и обе они осуществляют логичес­кую функцию инвертирования-высокий логический уровень на входе создает низ­кий уровень на выходе, и наоборот. Вариант схемы на -канальном транзисторе включает выход на землю при подаче на затвор высокого уровня, тогда как в /^-ка­нальном варианте на резисторе обра­зуется высокий логический уровень при заземленном (низкий уровень) входе.

 

 

 

 

 

Рис. 3.4.1 Логические инверторы на «-канальном (а) и /?-канальном (б) МОГИранзисторах.

 

Об­ратите внимание на то, что МОП-тран­зисторы в этих схемах используются как инверторы с общим истоком, а не как истоковые повторители. В цифровых ло­гических схемах подобных представлен­ным нас обычно интересует выходное на­пряжение («логический уровень»), проду­цируемое некоторым входным напряже­нием; резистор служит просто пассивной нагрузкой в цепи стока, обеспечивая при запертом ПТ выходное напряжение, рав­ное напряжению питания стока. С другой стороны, если мы заменим резистор осве­тительной лампочкой, реле, приводом печатающей головки или какой-то другой мощной нагрузкой, получим схему мощного переключателя (рис. 3.3). Хотя мы используем ту же самую схему «ин­вертора», однако при переключении мощ­ной нагрузки нас интересует ее включе­ние и выключение, а не напряжение вы­хода.

Инвертор на КМОП. Представленные выше инверторы на «-канальном или р-ка-нальном МОП-транзисторе имеют не­достатки: они потребляют ток в состоя­нии «ВКЛ» и имеют относительно высо­кое выходное сопротивление в состоянии «ВЫКЛ». Можно уменьшить выходное сопротивление (уменьшив R), но только ценой увеличения рассеиваемой мощ­ности, и наоборот. За исключением источ­ников тока иметь высокое выходное сЬ-противление, конечно же, всегда плохо. Даже если подключенная к выходу на­грузка имеет высокое сопротивление (на­пример, это затвор другого МОП-тран­зистора), все равно возникают проблемы шумов из-за емкостных наводок и умень­шается скорость переключения из состоя­ния «ВКЛ» в состояние «ВЫКЛ» («хвост переключения») за счет паразитной ем­кости нагрузки. В этом случае, например, инвертор на «-канальном МОП-транзис­торе со стоковым резистором, имеющим компромиссное сопротивление, скажем10 кОм, даст на выходе форму сигнала, показанную на рис. 3.4.2.

 

Рис. 3.4.2 Ключ на полевом транзисторе и эпюры напряжений

 

Рис. 3.4.3. Логический КМОП-инвертор.

Ситуация напоминает однокаскадный эмиттерный повторитель из разд. 2.15, в котором потребляемая мощность в сос­тоянии покоя и мощность, направляемая в нагрузку выбираются из тех же комп­ромиссных соображений. Решение здесь одно-использование пушпульной схемы, особенно хорошо подходящей для пе­реключателей на МОП-тг>анзисторах. Взгляните на рис. 3.58; здесь показано как можно было бы организовать двухтактный ключ. Потенциал земли на входе вводит нижний транзистор в состояние отсечки, а верхний-во вклю­ченное (замкнутое) состояние, в резуль­тате чего на выходе будет высокий логи­ческий уровень.

Высокий (+1/сс) уровень входа действует противоположным обра­зом, давая на выходе потенциал земли. Это инвертор с низким выходным сопро­тивлением в обоих состояниях и в нем совершенно отсутствует ток покоя. Назы­вают его КМОП-инвертор (инвертор на комплементарных МОП-транзисторах), и он является базовой структурой для всех цифровых логических КМОП-схем-семейства, которое уже стало преобла­дающим в больших интегральных схемах (БИС) и которому, похоже, предопреде­лено заменить более ранние семейства логических схем (так называемые ТТЛ-схемы), построенные на биполярных тран­зисторах. Обратите внимание на то, что КМОП-инвертор представляет собой два комплементарных МОП-ключа, соединен­ных последовательно и включаемых по­переменно, в то время как аналоговый КМОП-ключ (рассмотренный ранее в этой главе)-это параллельно соединен­ные комплементарные МОП-ключи, включаемые и выключаемые одновре­менно.

Рис. 3.59. КМОП-вентили И-НЕ и И.

 

О цифровых КМОП-схемах гораздо больше будет сказано там, где будут рас­сматриваться цифровые логические схемы и микропроцессоры (гл. 8-11). На сей момент остановимся на очевидном: КМОП-схемы-это семейство маломощ­ных логических схем (с нулевым потреб­лением мощности в состоянии покоя), имеющих высокое полное входное сопро­тивление и жестко заданные уровни вы­ходного напряжения, соответствующие полному диапазону напряжений питания. Однако прежде чем оставить сей предмет, мы не можем устоять против соблазна показать еще одну КМОП-схему (рис. 3.59). Это логический вентиль И-НЕ, на выходе которого будет низкий логический уровень только в том случае, если на обоих входах-на входе А и на входе В-будет высокий уровень. Понять, как он работает, исключительно просто.

Если уровни А и В-оба высокие, то оба последовательно включенные я-каналь-ные МОП-ключи 7\ и Т2 находятся в проводящем состоянии, жестко фиксируя на выходе потенциал земли; /^-канальные ключи Г3 и Т4 оба разомкнуты, так что ток через них не течет. Однако если уро­вень на любом из входов А или В (или на обоих) низкий, то соответствующий /?-ка-нальный МОП-транзистор открыт, пода­вая на выход высокий уровень, так как один (или оба) транзистор последова­тельной цепи Тг Т2 закрыт и ток через них не проходит.

Схема называется вентилем И-НЕ, по­скольку она осуществляет логическую функцию И, но с инверсным (НЕ) выхо­дом. Хотя вентили и их варианты-предмет рассмотрения гл. 2, вы можете доставить себе удовольствие, попытав­шись набить руку на решении следующих проблем.

Операционные усилители

В большинстве случаев, рассматривая схе­мы с обратной связью, мы будем иметь дело с операционными усилителями. Опе­рационный усилитель (ОУ)-это диффе­ренциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиле­ния и несимметричным выходом. Прооб­разом ОУ может служить классический дифференциальный усилитель (разд. 2.18) с двумя входами и несимметричным вы­ходом; правда, следует отметить, что реальные операционные усилители обла­дают значительно более высокими коэф­фициентами усиления (обычно порядка 105-106) и меньшими выходными импе-дансами, а также допускают изменение выходного сигнала почти в полном диа­пазоне питающего напряжения (обычно используют расщепленные источники питания ±15 В).

 

рис. 4.1.1 Схематичесое изображение ОУ

 

Промышленность выпус­кает сейчас сотни типов операционных усилителей; условное обозначение, приня­тое для всех типов, представлено на рис. 4.1; входы обозначают (+■) и (—.), и рабо­тают они, как можно догадаться, следу­ющим образом: выходной сигнал изме­няется в положительном направлении когда потенциал на входе (+) становится более положительным, чем потенциал на входе (—), и наоборот. Символы «+» и «—» не означают, что на одном входе потенциал всегда должен быть более положительным, чем на другом; эти символы просто указывают относительную
фазу выходного сигнала (это важно, если в схеме используется отрицательная ОС).
Во избежание путаницы лучше называть входы «инвертирующей» и «неинвертирующий», а не вход «плюс» и вход «минус». На схемах часто не показывают подключение источников питания к ОУ и вывод, предназначенный для заземления. Операционные усилители обладают колоссальным коэффициентом усиления по напряжению и никогда (за редким исключением) не используются без обратной связи. Можно сказать, что операционные усилители созданы для работы с обратной связью. коэффициент усиления схемы без обратной связи так велик, что при наличии замкнутой петли ОС характеристики усилителя зависят только от схемы обратной связи. Конечно, при более под робном изучении должно оказаться, что такое обобщенное заключение справедливо не всегда. Начнем мы с того, что просто рассмотрим, как работает операционный усилитель, а затем по мере необ­ходимости будем изучать его более тщательно.

Промышленность выпускает буквально сотни типов операционных усилителей, которые обладают различными преимуществами друг перед другом (загляните в табл. 4.1, если вам не терпится окинуть взглядом это море возможностей). Повсеместное распространение получила очень хорошая схема типа LF411 (или просто «411»), представленная на рынок фирмой National Semiconductor. Как и все операционные усилители, она представляет собой крошечный элемент, размещенный в миниатюрном корпусе с двухрядным расположением выводов; ее внешний вид показан на рис. 4.2. Эта схема недорога и удобна в обращении; промышленность выпускает улучшенный вариант этой схемы (LF411A), а также элемент, размещенный в миниатюрном корпусе и содержащий два независимых операционных усилителя (схема типа LF412, которую называют также «удвоен­ный» операционный усилитель). В даль­нейшем в этой главе мы будем использо­вать схему типа LF411 как стандарт опе­рационного усилителя, мы также реко­мендуем вам эту схему в качестве хоро­шей начальной ступени в разработке электронных схем.

Схема типа 4И -это кристалл кремния, содержащий 24 транзистора (21 биполяр­ный транзистор, 3 полевых транзистора, 11 резисторов и 1 конденсатор). На рис. 4.3 показано соединение с выводами Корпуса. Точка на крышке корпуса и вы­емка на его торце служат для обозначения точки отсчета при нумерации выводов. В большинстве корпусов электронных схем нумерация выводов осуществляется в направлении против часовой стрелки со стороны крышки корпуса. Выводы «уста­новка нуля» (или «баланс», «регулиров­ка») служат.для устранения небольшой асимметрии, возможно в операционном усилителе. Речь об этом пойдет позже в этой главе.

Важнейшие правила

Сейчас мы познакомимся с важнейшими правилами, которые определяют пове­дение операционного усилителя, охвачен­ного петлей обратной связи. Они спра­ведливы почти для всех случаев жизни.

Во-первых, операционный усилитель обладает таким большим коэффициентом усиления по напряжению, что изменение напряжения между входами на несколько долей милливольта вызывает изменение выходного напряжения в пределах его полного диапазона, поэтому не будем рассматривать это небольшое напряже­ние, а сформулируем правило I: I. Выход операционного усилителя стре­мится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю.

Во-вторых, операционный усилитель потребляет очень небольшой входной ток (ОУ типа LF411 потребляет 0,2 нА; ОУ со входами на полевых транзисторах-по­рядка пикоампер); не вдаваясь в более глубокие подробности, сформулируем правило II:

И. Входы операционного усилителя ток не потребляют.

Здесь необходимо дать пояснение: пра­вило I не означает, что операционный усилитель действительно изменяет на­пряжение на своих входах. Это невозмож­но. (Это было бы несовместимо с прави­лом II.) Операционный усилитель «оцени­вает» состояние входов и с помощью внешней схемы ОС передает напряжение с выхода на вход, так что в результате разность напряжений между входами ста­новится равной нулю (если это возможно).

Эти правила создают достаточную основу для рассмотрения схем на опера ционных усилителях. О предосторожно­стях, которые необходимо соблюдать при работе с ОУ, мы поговорим в разд. 4.08, после того как рассмотрим основные схе­мы включения ОУ.

ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

4.04. Инвертирующий усилитель

Рассмотрим схему на рис. 4.4. Проанали­зировать ее будет нетрудно, если вспом­нить сформулированные выше правила:

1. Потенциал точки В равен потенциалу земли, следовательно, согласно правилу I, потенциал точки А также равен потен­циалу земли.

2. Это означает, что: а) падение напряже­ния на резисторе R₂ равно 1/_вых, б) паде­ние напряжения не резисторе R_x равно

3. Воспользовавшись теперь правилом II, получим U_BhlJR₂ = —U_bJR_l9 или коэф­фициент усиления по напряжению = U_BhlJ /U_bx= —R₂/R_v Позже вы узнаете, что чаще всего точку В лучше заземлять не непосредственно, а через резистор. Одна­ко сейчас это не имеет для вас значения.

Итак, анализ схемы на ОУ оказался даже чересчур простым. Он, правда, не позволяет судить о том, что на самом деле происходит в схеме. Для того чтобы понять, как работает обратная связь, представим себе, что на вход подан неко­торый уровень напряжения, скажем 1 В. Для конкретизации допустим, что резис­тор R_x имеет сопротивление 10 кОм, h резистор R₂- 100 кОм. Теперь представим себе, что напряжение на выходе решило выйти из повиновения и стало равно 0 В.

Рис. 4.4. Инвертирующий усилитель.

Выход

Что произойдет? Резисторы i?_x и R₂ обра­зуют делитель напряжения, с помощью которого потенциал инвертирующего входа поддерживается равным 0,91 В. Операционный усилитель фиксирует рас­согласование по входам, и напряжение на его выходе начинает уменьшаться. Изме­нение продолжается до тех пор, пока вы­ходное напряжение не достигнет значения —10 В, в этот момент потенциалы входов ОУ станут одинаковыми и равными по­тенциалу земли. Аналогично, если напря­жение на выходе начнет уменьшаться и дальше и станет более отрицательным, чем —10 В, то потенциал на инверти­рующем входе станет ниже потенциала земли, в результате выходное напряжение начнет расти.

Как определить входной импеданс рассматриваемой схемы? Оказывается, просто. Потенциал точки А всегда равен 0 В (так называемое мнимое заземление, или квазинуль сигнала). Следовательно, Z_BX = R_v Пока вы еще не знаете, как подсчитать выходной импеданс; для этой схемы он равен нескольким долям ома.

Следует отметить, что полученные ре­зультаты справедливы и для сигналов постоянного тока-схема представляет собой усилитель постоянного тока. По­этому, если источник сигнала смещен относительно земли (источником являет­ся, например, коллектор предыдущего каскада), у вас может возникнуть желание использовать для связи каскадов конден­сатор (иногда такой конденсатор назы­вают блокирующим, так как он блокирует сигнал постоянного тока, а передает сиг­нал переменного тока). Немного позже (когда речь пойдет об отклонениях харак­теристик ОУ от идеальных), вы узнаете, что в тех случаях, когда интерес пред­ставляют только сигналы переменного тока, вполне допустимо использовать блокирующие конденсаторы.

Схема, которую мы рассматриваем, на­зывается инвертирующим усилителем. Недостаток этой схемы состоит в том, что она обладает малым входным импедан­сом, особенно для усилителей с большим коэффициентом усиления по напряжению (при замкнутой цепи ОС), в которых ре-

Вход

Рис. 4.5. Неинвертирующий усилитель.

зистор R_l9 как правило, бывает неболь­шим. Этот недостаток устраняет схема, представленная на рис. 4.5.

Неинвертирующий усилитель

Рассмотрим схему на рис. 4.5. Анализ ее крайне прост: U_A = U_BX. Напряжение U_A снимается с делителя напряжения: U_A = = U^RM + R₂). Если U_A=U_BX9 то коэффициент усиления = U_Bblx/U_BX = 1 + + R₂/Ri- Это неинвертирующий усили­тель. В приближении, которым мы вос­пользуемся, входной импеданс этого уси­лителя бесконечен (для ОУ типа 411 он составляет 10¹² Ом и больше, для ОУ на биполярных транзисторах обычно превы­шает 10⁸ Ом). Выходной импеданс, как и в предыдущем случае, равен долям ома. Если, как в случае с инвертирующим уси­лителем, мы внимательно рассмотрим поведение схемы при изменении напряже­ния на входах, то увидим, что она рабо­тает, как обещано.

Эта схема также представляет собой усилитель постоянного тока. Если источ­ник сигнала и усилитель связаны между собой по переменному току, то для вход-

ного тока (очень небольшого по величине) нужно предусмотреть заземление, как по­казано на рис. 4.6. Для представленных на схеме величин компонентов коэффициент усиления по напряжению равен 10, а точке — 3 дБ соответствует частота 16 Гц.

Усилитель переменного тока. Если уси­ливаются только сигналы переменного тока, то можно уменьшить коэффициент усиления для сигналов постоянного тока до единицы, особенно если усилитель обладает большим коэффициентом уси­ления по напряжению. Это позволяет уменьшить влияние всегда существующе­го конечного «приведенного ко входу на­пряжения сдвига». Для схемы, представ­ленной на рис. 4.7, точке —3 дБ соответ­ствует частота 17 Гц; на этой частоте импеданс конденсатора равен 2,0 кОм. Обратите внимание, что конденсатор дол­жен быть большим. Если для построения усилителя переменного тока использовать неинвертирующий усилитель с большим усилением, то конденсатор может ока­заться чрезмерно большим. В этом случае лучше обойтись без конденсатора и на­строить напряжение сдвига так, чтобы оно было равно нулю (этот вопрос мы рассмотрим позже в разд. 4.12). Можно воспользоваться другим методом-увели­чить сопротивления резисторов R_x и R₂ и использовать ^образную схему дели­теля (разд. 4.18).

Несмотря на высокий входной импе­данс, к которому всегда стремятся разра­ботчики, схеме неинвертирующего усили­теля не всегда отдают предпочтение перед схемой инвертирующего усилителя. Как

 

 

 

Рис. 4.6.

мы увидим в дальнейшем, инвертирую­щий усилитель не предъявляет столь вы­соких требований к ОУ и, следовательно, обладает несколько лучшими характери­стиками. Кроме того, благодаря мнимо­му заземлению удобно комбинировать сигналы без их взаимного влияния друг на друга. И наконец, если рассматриваемая схема подключена к выходу (стабильно­му) другого ОУ, то величина

⇐ Предыдущая123

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: