Операционные усилители. Дифференциальные каскады усилителей постоянного тока.

Основой ОУ является дифференциальный каскад – параллельный балансный УПТ, обеспечивающий наименьший дрейф выходного напряжения. Параллельный балансный УПТ представляет собой двухтактный линейный усилитель с двумя идентичными плечами, работающими на общую нагрузку. Упрощенная схема такого усилителя приведена на рисунке 10.1.

Рисунок 10.1 – Упрощенная схема балансного УПТ

Особенности схемы:

• два источника питания, необходимые для симметричного усиления разнополярных входных сигналов;

• сопротивление нагрузки не имеет вывода, соединенного с общим проводом;

• выходное напряжение равно разности потенциалов коллекторов транзисторов;

• общий резистор ООС по эмиттерному току ( );

• два входа относительно общего провода;

• дифференциальный вход – между первым и вторым входами (вх1 и вх2);

• симметричность схемы, обеспечивающая равенство между собой токов и напряжений начального режима;

• плечи усилителя работают в классе А за счет соответствующего смещения баз транзисторов в начальном режиме (цепи смещения на схеме не показаны).

Малый дрейф выходного напряжения объясняется несколькими причинами: симметричность схемы, в результате чего разность коллекторных напряжений ( ) в начальном режиме весьма мала; ООС по эмиттерному току уменьшает изменения коллекторных напряжений в результате дрейфа и, следовательно, уменьшает сам дрейф.

В рабочем режиме входной сигнал может подаваться на любой вход, однако балансный УПТ всегда усиливает дифференциальный сигнал . В зависимости от полярности изменяются токи и напряжения транзисторов, соответственно, меняются величина и знак выходного напряжения, при этом глубина ООС по сигналу остается неизменной и не влияет на коэффициент усиления. Поясним это на примере: пусть полярность такова ( > в частном случае может быть , т.е. вх2 закорочен на общий провод), что увеличивается ток базы ( ) и уменьшается ток базы ( ), соответственно получим

;

;

Поскольку в силу симметричности схемы приращения начальных токов равны между собой и противоположны по знаку, то , т.е. ООС по входному сигналу остается неизменной. В то же время будет отрицательным, так как в этом случае по абсолютной величине (ток нагрузки будет протекать от коллектора к коллектору ). Заметим, что в данном случае положительному знаку сигнала на Вх.1 соответствует противоположное по знаку , т.е. имеет место инверсия знака входного сигнала. Вход дифференциального усилителя, сигнал с которого воспроизводится на выходе с обратным знаком (или фазой, если сигнал переменный), называется инвертирующим. Легко проследить, если тот же сигнал подать на Вх.2 ( > , в частном случае может быть , т.е. Вх.1 закорочен на общий провод), то будет положительным, так как (ток нагрузки будет протекать от коллектора к коллектору ), т.е. инверсии сигнала не произойдет. Вход дифференциального усилителя, сигнал с которого воспроизводится на выходе с тем же знаком (или фазой, если сигнал переменный), называется неинвертирующим. Легко убедиться, что при изменении полярности процессы в схеме будут зеркальными. Возможен случай, когда на оба входа подаются одинаковые по величине и знаку (фазе) сигналы, например, в частном случае оба входа закорочены между собой и на объединенный таким образом вход подается входной сигнал. Сигнал, действующий одинаковым образом (по знаку и величине) одновременно на оба входа дифференциального усилителя, называется синфазным. Причиной появления синфазного сигнала могут быть внешние электромагнитные наводки (помехи), кроме того, синфазная составляющая может быть в составе входных сигналов, одновременно действующих на обоих входах усилителя.

Например, если B, В, то очевидно, что синфазная составляющая будет равна В, при этом также будет равно 1 В. Опасность синфазного сигнала заключается в том, что при допустимой величине синфазная составляющая может превышать допустимую (обычно нормируемую) величину и вывести усилитель из строя. Рассмотрим влияние синфазного сигнала на дрейф балансного УПТ. По определению синфазный сигнал вызывает одинаковые приращения токов и напряжений в обоих транзисторах. Например, увеличиваются базовые, коллекторные и эмиттерные токи, следовательно, уменьшаются почти одинаковым образом коллекторные напряжения, однако их разность при этом изменяется незначительно. Кроме того, теперь приращения эмиттерных токов транзисторов одинаковы по знаку и общий эмиттерный ток увеличивается, создавая более глубокую ООС, эффективно подавляющую возникающие изменения коллекторных напряжений. Таким образом, балансный УПТ не усиливает, а подавляет синфазный сигнал благодаря симметричности схемы и действию ООС. Влияние синфазного сигнала в технической документации на конкретные усилители оценивается коэффициентом передачи

(обычно меньше 1).

Чаще используется коэффициент ослабления синфазного сигнала, дБ,

где – коэффициент усиления усилителя.

Следует отметить, что изменения условий внешней среды (например, колебания температуры) приводят к точно таким же процессам в схеме дифференциального усилителя, что и синфазный сигнал, поэтому иногда эти влияния называют синфазной помехой.

В реальных дифференциальных каскадах вместо резистора обратной связи используют токостабилизирующий двухполюсник, рассмотренный ранее. Этим достигается компромисс между необходимостью иметь относительно небольшую ООС, высокий коэффициент усиления по рабочему сигналу (обеспечивается относительно небольшим статическим сопротивлением двухполюсника) и глубокую ООС по синфазной помехе (обеспечивается большим динамическим сопротивлением двухполюсника).