Дифференциальные усилители

Практически во всех схемах УПТ между соседними усилительными каскадами используют непосредственную (гальваническую) связь, что вызывает эффект дрейфа нуля – самопроизвольное изменение выходного сигнала при отсутствии входного сигнала. Даже небольшое изменение постоянного тока транзистора в первом каскаде УПТ создает приращения напряжения на его выходе, которое затем усиливается другими каскадами и выделяется на нагрузке как полезный сигнал.

Дрейф нуля практически отсутствует в схемах параллельно-балансных УПТ, называемых дифференциальными усилителями (ДУ). Интегральные ДУ строятся по принципу уравновешенного моста (рис. 3.18), образованного идентичными транзисторами VT 1, VT 2 и резисторами , (отметим, что в интегральных схемах роль резисторов выполняют динамические сопротивления – определенным образом включенные транзисторы).

В одну диагональ моста введены два источника питания и источник стабильного тока . Источник стабильного тока создает в общей цепи эмиттеров транзисторов неизменный суммарный ток =const. При отсутствии входных сигналов мост уравновешен, и выходное напряжение усилительного каскада .

Дифференциальный усилитель не усиливает (подавляет) синфазные сигналы. Пусть на оба входа ДУ подаются одинаковые (синфазные) сигналы. При одновременном увеличении или уменьшении амплитуд синфазных сигналов на входах усилителя коллекторные токи обоих транзисторов и напряжения на их коллекторах изменяются соответственно на одни и те же величины. Выходное же напряжение , определяемое разностью коллекторных напряжений транзисторов, будет по-прежнему равным нулю.

ДУ усиливает дифференциал (разность) сигналов на входах. Пусть сигнал на входе получил положительное приращение, а сигнал на входе -равное, но отрицательное приращение. В этом случае коллекторный ток транзистора VT 1 увеличится, а коллекторный ток транзистора VT 2 уменьшится точно на такую де величину. Соответствующим образом изменятся и потенциалы на коллекторах транзисторов, что приведет к изменению напряжения на выходе ДУ.

Пусть выходной сигнал в схеме рис. 3.18 снимается с выхода , входной сигнал подключен к входу , а вход заземлен. При подаче на вход положительного приращения усиливаемого напряжения увеличатся коллекторный ток и падение напряжения на резисторе . Выходное (коллекторное) напряжение при этом уменьшится и окажется в противофазе с входным. Поэтому вход по отношению к выходу называют инвертирующим.

Теперь допустим, что входной сигнал подается на вход , а вход дифференциального усилителя заземлен. При увеличении входного сигнала возрастает ток эмиттера транзистора VT 1, а ток эмиттера транзистора VT 2 уменьшится (ведь ). При этом ток коллектора транзистора VT 2 и падение напряжения на сопротивлении уменьшатся, а выходное напряжение увеличится. Таким образом, выходное напряжение оказалось в фазе со входным , вследствие чего вход является неинвертирующим для выходного сигнала.

ДУ применяют для сравнения с высокой точностью значений двух напряжений или усиления их разности. Это, в частности, объясняет название “дифференциальный” усилитель.

Операционные усилители

Операционным усилителем (ОУ) называют высококачественный линейный усилитель напряжения, имеющий большой коэффициент усиления (), высокое входное (сотни Мом) и малое выходное (единицы Ом) сопротивления. В качестве входного каскада ОУ используется дифференциальный усилитель, а выходным каскадом является эмиттерный повторитель. На рис. 3.19, а показано условное графическое обозначение ОУ.

 

Как и в ДУ, один из входов ОУ по отношению к выходу является неинвертирующим , а другой – инвертирующим ; последний обозначается знаком инверсии (кружок на вводе ОУ). Питание ОУ осуществляется от двух одинаковых разнополярных источников + и - (на графических обозначениях источники питания обычно не показывают). При таком питании входные и выходные сигналы могут быть двуполярными, а нулевым входным сигналам соответствует нулевой выходной сигнал. Выходной сигнал ОУ пропорционален дифференциальному входному сигналу: – разности входных .

Коэффициент усиления по напряжению собственно ОУ равен отношению выходного напряжения к дифференциальному входному напряжению:

. (3.41)

Передаточные характеристики (см. рис. 3.19, б) имеют важнейшее значение для ОУ. Если усиливаемый сигнал подан на неинвертирующий вход, а инвертирующий вход заземлен, то знак выходного напряжения совпадает со знаком входного напряжения (линия 1). При подаче сигнала на инвертирующий вход и заземлении неинвертирующего, то знак выходного напряжения будет противоположен знаку входного (линия 2). Угол наклона линейных участков передаточных характеристик пропорционален коэффициенту усиления по напряжению . Горизонтальные участки передаточных характеристик соответствуют режиму насыщения оконечных транзисторов ОУ, поэтому выходное напряжение .

Допущение к упрощению при расчетах схем на ОУ.

В теории с целью упрощения анализа и расчета схем на операционных усилителях вводят понятие “ идеальный ” ОУ, для которого справедливы следующие допущения:

- бесконечно большие коэффициент усиления и входное сопротивление ;

- нулевое выходное сопротивление .

Из этих допущений вытекают два основных свойства (правила анализа) ОУ:

1. Дифференциальный входной сигнал равен нулю

. (3.42)

2. Входы ОУ не потребляют ток от источника входного сигнала

, (3.43)

что соответствует так называемому принципу “виртуального” (кажущегося) замыкания его инвертирующего и неинвертирующего входов. При виртуальном замыкании, как и при физическом (обычном), напряжение между соединенными зажимами равно нулю. Вместе с тем, в отличие от физического замыкания, ток между виртуально замкнутыми зажимами не течет, что эквивалентно разрыву электрической цепи.

В зависимости от условий подачи усиливаемого сигнала на входы ОУ и подключения к нему внешних элементов можно получить две фундаментальные схемы включения – инвертирующую и неинвертирующую. Любое схемотехническое решение с применением ОУ базируется на этих включениях.

Инвертирующий усилитель (рис. 3.20, а).

В схеме инвертирующего усилителя входное напряжение через резистор подается на инвертирующий вход, который с помощью резистора обратной связи охвачен параллельной ООС по напряжению. Неинвертирующий вход усилительного каскада заземлен.

Для определения параметров инвертирующего усилителя воспользуемся первым законом Кирхгофа для токов инвертирующего входа: . Поскольку по второму свойству идеального ОУ ток =0, то . Выразив токи через соответствующие им входные напряжения, получим:

.

По первому свойству идеального ОУ напряжение , поэтому . Тогда коэффициент усиления инвертирующего усилителя:

. (3.43)

Согласно формуле (3.43), изменением величины сопротивления обратной связи можно регулировать коэффициент усиления.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя существенно меньше собственного входного сопротивления ОУ. В схеме рис. 3.20,а точка подключения инвертирующего входа ОУ является виртуальным нулем, т.е. по входному сигналу она заземлена. Можно показать, что входное и выходное сопротивления инвертирующего усилителя:

(3.44)

Отметим, что при схема рис. 3.20,а превращается в инвертирующий повторитель (инвертор).

Вариантом построения инвертирующего усилителя является преобразователь тока в напряжение. Это достигается при . Тогда ток и выходное напряжение .

Инвертирующий сумматор (суммирующий усилитель). Для суммирования нескольких напряжений можно использовать инвертирующее включение ОУ. На рис. 3.20,б показан инвертирующий сумматор трех напряжений.

Входные напряжения , и через резисторы сопротивлениями R подаются на инвертирующий вход ОУ. Напряжение на инвертирующем входе ОУ характеризуется виртуальным нулем. Поэтому токи , и будут определяться только соответствующими им входными напряжениями , , и сопротивлением R:

Согласно второму свойству идеального ОУ, инвертирующий вход практически не потребляет ток. Поэтому сумма всех этих входных токов протекает только через резистор и создает на нем падение напряжения . Подставив в эту формулу соответствующие значения токов, выраженные через входные напряжения, и положив , получим:

(3.45)

Выходное напряжение сумматора равно алгебраической сумме входных напряжений, взятых с обратным знаком.

В схеме инвертирующего сумматора все входные токи полностью протекают через резистор обратной связи . Поэтому токи практически не влияют друг на друга. Следовательно, и входные напряжения не взаимодействуют друг с другом, т.е. все три входа усилителя полностью развязаны. Это свойство используют для независимого смешивания (микширования) сигналов низкой (звуковой) частоты.

Неинвертирующий усилитель. В неинвертирующем усилителе входной сигнал поступает на неинверирующий вход. Инвертирующий вход охвачен последовательной ООС по току резисторами делителя , (рис. 3.21,а).

 

В схеме . Поскольку , то . Отсюда коэффициент усиления неинвертирующего усилителя:

(3.46)

Можно показать, что входное сопротивление неинвертирующего усилителя велико и равно входному сопротивлению ОУ по неинвертирующему входу, а выходное сопротивление близко к нулю.

Если сопротивление обратной связи = 0, то , и неинвертирующий усилитель превращается в повторитель напряжения, который часто используют в радиоэлектронных устройствах для гальванической развязки различных схем.

 

Контрольные вопросы

1. Определение линейной цепи. Классический метод анализа процессов в этой цепи.

2. Каким параметром определена линейная цепь при спектральном методе анализа? Вид входного сигнала при определении этого параметра.

3. Каким параметром определена линейная цепь при операторном методе анализа?

4. Каким параметром определена линейная цепь при анализе цепи методом интеграла Дюамеля? Вид входного сигнала при определении этого параметра.

5.Нарисуйте: графическое обозначение биполярного (р-п-р, п-р-п) и полевых транзисторов (включая МДП) с обозначением выводов; входные и выходные статические характеристики.

6. Какому состоянию переходов биполярного транзистора соответствуют режимы холостого хода, короткого замыкания и управляемый режим усиления?

7. Определение способа включения биполярного транзистора.

8. Определите h - параметры транзистора по его статическим ВАХ.

9. Функции разделительных конденсаторов в цепи базы и коллектора усилителя с ОЭ.

10. Функции делителя в цепи базы

11. Какие резисторы выполняют функцию термостабилизации усилителя с ОЭ и назначение конденсатора в цепи эмиттера?

12. При каких условиях и что определяют в расчете по постоянному току усилителя ОЭ? Угол наклона линии нагрузки.

13. Почему в усилителе с ОЭ сопротивления в цепи коллектора и нагрузки или базового делителя считают включенными параллельно по переменному току?

14. При каких условиях строят динамическую линию нагрузки по переменному току усилителя с ОЭ? Почему эта линия должна проходить через рабочую точку (точку покоя)?

15. Можно ли говорить, что динамическая линия нагрузки определяет мгновенные значения токов и напряжений на выводах транзистора усилителя?

16. Усилитель с ОЭ инвертирует входной сигнал, а ОК и ОБ нет?

17. Что определяет амплитудная характеристика и коэффициент гармоник усилителя?

18. Входное и выходное сопротивление усилителя с ОЭ, ОК.

19. Почему усилитель с ОБ применяют на более высоких частотах?

20. Виды обратной связи в усилителях.

21. Влияние ООС на стабильность коэффициента усиления усилителя, входное и выходное сопротивление и нелинейные искажения сигнала.

22. Что усиливает дифференциальный усилитель?

23. Условное обозначение ОУ, инвертирующего и неинвертирующего входов.

24. Понятие идеальный ОУ.

25. Коэффициент усиления по напряжению, входное и выходное сопротивление инвертирующего ОУ.

26. Коэффициент усиления по напряжению, входное и выходное сопротивление неинвертирующего ОУ.

27. Схема замещения МДП-транзистора; определение крутизны стоко-затворной характеристики.

28. Усилительный каскад с ОИ, ОС.

⇐ Предыдущая1234

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: