Работа 4.1 Дифференциальные усилители на биполярных транзисторах

В современной радиоэлектронике широкое применение находят дифференциальные (разностные) усилители. Дифференциальный усилитель (ДУ) представляет симметричную схему с двумя входами и двумя выходами (рис. 4.1.1). Вход, обозначенный символом «+», называют неинвертирующим. Вход, обозначенный символом «–», называют инвертирующим. Поскольку схема имеет два выхода, в качестве выходного можно использовать напряжения , или их разность . В последнем случае выход дифференциального усилителя называют симметричным.

Рис. 4.1.1

Сигналы на входе дифференциального усилителя представляют в виде суммы дифференциальной исинфазной составляющих:

;

.

Из последних равенств следует, что дифференциальный сигнал равен разности входных напряжений:

, (4.1.1)

а синфазный – их полусумме:

. (4.1.2)

В соответствии с (4.1.1) и (4.1.2) источник сигнала на входе дифференциального усилителя можно представить эквивалентной схемой, показанной на рис. 4.1.2.

Различают коэффициенты усиления дифференциального и синфазного сигналов:

;

.

Рис. 4.1.2

Важное свойство дифференциального усилителя заключается в том, что он усиливает дифференциальные и ослабляет синфазные составляющие сигнала. Одним из главных параметров дифференциального усилителя является коэффициент ослабления синфазного сигнала, который показывает, во сколько раз коэффициент усиления дифференциального сигнала больше коэффициента синфазного сигнала:

.

Дифференциальные усилители находят широкое применение в аналоговых интегральных схемах: операционных усилителях, аналоговых перемножителях, компараторах и т. д. Это объясняется следующими причинами.

1. ДУ эффективно подавляет синфазные составляющие сигнала, которые как правило являются помехами.

2. ДУ не требуют включения развязывающих конденсаторов.

3. Работа дифференциальных усилителей основана на идентичности параметров элементов, входящих в его состав. Это легко обеспечивается в интегральных схемах, где элементы расположены на одном кристалле на расстоянии нескольких микрон друг от друга.

44. Операційні підсилювачі, схеми їх включення.

Операційний підсилювач (ОП) – це підсилювач напруги з безпосередніми зв'язками між каскадами, який має великий коефіцієнт підсилення, малий рівень шумів, великий вхідний опір, малий вихідний опір і широку смугу одиничного підсилення. ОП є підсилювачем постійного струму (ППС), оскільки здатний підсилювати постійну напругу. Назву «Операційний підсилювач» було дано спочатку підсилювачам з великим коефіцієнтом підсилення, розробленим для виконання математичних операцій складання, віднімання, множення й ділення. В даний час інтегральні ОП використовуються для створення різних функціональних вузлів.

Операційний підсилювач має два входи: інвертуючий і неінвертуючий. На рис. 6.1, а і б інвертуючий вхід позначений кружечком. Обидва входи називають диференціальним (або різницевим). Оскільки вхідний каскад ОП є диференціальним, вихідна напруга ОП U_вихзалежить від різниці напруг

U_вхд = U_вх2 – U_вх1, (6.1)

U_вхд називається диференціальним вхідним сигналом.

Умовні позначення операційного підсилювача наведено на рис. 6.1.

Якщо U_вх2 >U_вх1, то полярність вихідного сигналу співпадає з полярністю сигналу U_вх2 (сигнал не інвертується). Якщо U_вх1 >U_вх2, то полярність вихідного сигналу протилежна полярності сигналу U_вх1 (сигнал інвертується). Формула (4.1) справедлива також для випадку, коли або U_вх2 = 0, або U_вх1 = 0.

Рис.6.1. Умовні позначення операційного підсилювача

а – згідно ЄСКД; б – за функціональною ознакою (підсилювач)

Операційний підсилювач не чутливий до синфазної складової вхідних сигналів, яка дорівнює

U_вхс = (U_вх2 + U_вх1). (6.2)

Тому коефіцієнт підсилення ОП визначається тільки для диференціального вхідного сигналу

K_ОП = . (6.3)

Напруги U_вх1, U_вх2 і U_вихвідлічуються відносно корпусу.

Операційний підсилювач має один вихід і два виводи для підключення джерела живлення: +Е_ж1, –Е_ж2. Для ОП використовується, як правило, симетричне (відносно корпусу) джерело живлення (±Е_ж), як показано на рис. 6.2.

Рис. .6.2. Симетричне джерело живлення

Таке живлення називають двополярним, може використовуватися також несиметричне (однополярне) живлення.

Виводи, що служать для підключення кіл корекції нуля ОП, позначаються символами NC, а для підключення елементів частотної корекції – символами FC.

Якщо аналізуються характеристики і параметри пристроїв на операційних підсилювачах для сигналу, звичайно використовують спрощене позначення ОП: виведення кіл живлення і корекції не показують.

Операційний підсилювач за своїми характеристиками і параметрами наближається до «ідеального» підсилювача.

Параметри ідеального ОП:

1) нескінченний коефіцієнт підсилення напруги (K_ОП®¥);

2) нескінченний повний вхідний опір (Z_вхОП ®¥);

3) нульовий повний вихідний опір (Z_вихОП = 0);

4) рівна нулю вихідна напруга U_вих = 0 при рівних напругах на обох входах U_вх2 = U_вх1;

5) нескінченна ширина смуги пропускання (відсутність затримки при проходженні сигналу через підсилювач).

На практиці жодна з цих властивостей не може бути здійснена повністю, проте до них можна наблизитися з достатньою точністю для багатьох застосувань.

45. Параметри та характеристика операційних підсилювачів.

Параметри операційного підсилювача

Властивості ОП визначаються великим числом параметрів. Основними технічними показниками ОП є:

1) Коефіцієнт підсилення напруги K_ОП, рівний відношенню вихідної напруги до диференціальної вхідної напруги (формула 5.3). Для сучасних ОП значення коефіцієнта підсилення дорівнює: K_ОП = 10⁵...10⁶.

2) Напруга джерела живлення Е_ж, В при симетричному живленні.

3) Споживаний струм І_спож, мА.

4) Максимальна вихідна напруга: позитивного плеча ; негативного плеча . Максимальна вихідна напруга звичайно на (1…2) В менша напруги живлення.

5) Коефіцієнт ослаблення синфазних вхідних напруг

K_{пос.сф, дБ} = 20 lg . (6.4)

Значення цього коефіцієнта для сучасних ОП дорівнює (70...80) дБ.

6) Вхідна напруга зміщення нуля U_зм, мВ, рівна напрузі, яку необхідно подати на диференціальний вхід, щоб U_вих = 0.

7) Вхідний струм зміщення І_зм, нА, рівний середньому струму, що протікає у вхідних колах ОП при U_вих = 0.

8) Різниця вхідних струмів зміщення DІ_зм = – , нА, яка визначається при U_вих = 0.

9) Вхідний опір ОП R_вхОП для диференціального сигналу.

10) Вихідний опір ОП R_вихОП при подачі диференціального вхідного сигналу.

11) Частота одиничного підсилення f₁, на якій модуль коефіцієнта підсилення ОП рівний одиниці, тобто |K_ОУ| = 1 або K_{ОП, дБ} = 20lg K_ОП = 0 дБ.

Структура операційного підсилювача

Більшість операційних підсилювачів виконується у вигляді трикаскадних підсилювачів. Структурну схему ОП наведено на рис. 6.3.

Рис. 6.3. Структурна схема операційного підсилювача

Вхідний каскад ОП – це диференціальний підсилювач. Диференціальний підсилювач має великий коефіцієнт підсилення диференціального вхідного сигналу і велике ослаблення синфазного вхідного сигналу. Диференціальний підсилювач має також великий вхідний опір для будь-яких вхідних сигналів. Вхідний каскад є найбільш відповідальним каскадом ОП.

За вхідним слідує проміжний каскад, який здійснює основне підсилення струму і напруги ОП. В ОП використовується безпосередній (гальванічний) зв'язок між каскадами, тому проміжний каскад повинен забезпечити також пониження напруги спокою, щоб на виході ОП напруга спокою дорівнювала нулю.

Вихідний каскад повинен забезпечити малий вихідний опір ОП і струм, достатній для живлення передбачуваного навантаження. Крім того, цей каскад повинен мати великий вхідний опір, щоб не навантажувати проміжний каскад. Як вихідний каскад в ОП використовується двотактний емітерний повторювач.

6.2.Характеристики операційного підсилювача

1. Передавальна характеристика ОП

Передавальна характеристика ОП – це залежність вихідної напруги U_вихвід вхідної диференціальної напруги U_{вх д}. Передавальну характеристику ОП наведено на рис. 6.4, яка апроксимована шматково-ламаною лінією.

У передавальній характеристиці ОП можна виділити три характерні області: лінійну область і області насичення. У лінійній області вихідна напруга прямо пропорційна вхідній диференціальній напрузі

U_вих = K_ОПU_вхд. (6.5)

Лінійна область з обох боків (зверху і знизу) обмежена областями насичення. У будь-якому випадку напруга на виході ОП не може перевищити напругу будь-якого з джерел живлення, тобто Е_ж. Максимально можлива вихідна напруга, як правило, приблизно на 2 В менша абсолютної величини живлячої напруги, а при низькоомному навантаженні діапазон зміни вихідної напруги скоротиться ще більше. Отже, можна вважати, що максимальна неспотворена вихідна напруга рівна

U_вихmax»E_ж– 2 В. (6.6)

Оскільки підсилення ОП велике (K_ОП = 10⁵...10⁶), то ширина лінійної зони передавальної характеристики мала. Максимальне значення вхідного диференціального сигналу можна розрахувати

U_{вхд max} » . (6.7)

Рис. 6.4. Передавальна характеристика операційного підсилювача

Наприклад, якщо напруга живлення дорівнює Е_ж = ±15 В, то максимальне значення вхідного диференціального сигналу буде рівне

U_{вхд max} » = 13 мкВ, (6.8)

тобто дорівнює дуже маленькому значенню.

Отже, щоб сигнал на виході ОП був рівний підсиленій вхідній напрузі без спотворень, амплітуда вхідної напруги повинна бути невеликою. При подачі великого вхідного сигналу ОП потрапляє в область насичення, форма вихідного сигналу буде «обрізаною», тобто сильно спотвореною.

У операційний підсилювач звичайно вводять негативний зворотний зв'язок, що створює ряд істотних переваг і дозволяє створити велику кількість різних електронних пристроїв. Оскільки коефіцієнт підсилення ОП має велике значення, то при введенні негативного зворотного зв'язку глибина зворотного зв'язку має велике значення: g = (1 + ВK_ОП) >> 1. Отже, негативний зворотний зв'язок виходить глибоким, тоді

K_ГНЗЗ = . (6.9)

В цьому випадку коефіцієнт підсилення пристрою, виконаного на ОП з глибоким негативним зворотним зв'язком, буде визначатися тільки елементами кола зворотного зв'язку В, тобто зовнішніми елементами, і не буде залежати від коефіцієнта підсилення ОП K_ОП. Змінюючи елементи кола зворотного зв'язку В, можна реалізувати різні електронні пристрої на операційних підсилювачах. використовувати повну формулу (3.9) для K_зв.

2. Амплітудно-частотна характеристика операційного підсилювача

Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) операційного підсилювача – це залежність модуля коефіцієнта підсилення ОП K_ОПвід частоти вхідного диференціального сигналу. ОП є підсилювачем постійного струму (ППС), тому його частотна характеристика починається від нульової частоти.

Коефіцієнт підсилення K_ОПзалишається незмінним у невеликій області частот. При збільшенні частоти коефіцієнт підсилення K_ОПзменшується, бо зменшуються коефіцієнти підсилення каскадів, з яких складається ОП. ОП складається з трьох каскадів, тому три постійні часу і три граничні частоти (частоти зрізів) каскадів визначатимуть спад АЧХ операційного підсилювача у області верхніх частот.

Коефіцієнт підсилення трикаскадного ОП дорівнює добутку коефіцієнтів підсилення його окремих каскадів.

K_ОП(f)= , (6.10)

де частоти зрізів каскадів дорівнюють граничним частотам і визначаються постійними часу цих каскадів.

f_c1 = f_вгр1 = , f_c2 = f_вгр2 = , f_c3 = f_вгр3 = . (6.11)

Граничні частоти каскадів не однакові, самим вузькосмуговим є, як правило, проміжний каскад, самим широкосмуговим – вихідний. Тому АЧХ операційного підсилювача матиме три перелома: на частотах f_c1, f_c2, f_c3. Кожний з каскадів дає спад АЧХ в області верхніх частот (–20 дБ/дек), тому загальний спад АЧХ трикаскадного підсилювача буде дорівнювати (–60 дБ/дек), а загальне фазове зміщення = 270°.

3. Стійкість операційного підсилювача із зворотним зв'язком

Операційні підсилювачі використовуються для створення великого числа функціональних вузлів, в яких застосовується негативний зворотний зв'язок. Трикаскадний підсилювач з негативним ЗЗ є потенційно нестійкою системою, тому що максимальне фазове зміщення в області верхніх частот такого підсилювача дорівнює Dj = . Отже, існує така частота, на якій фазовий зсув підсилювача буде дорівнювати Dj(f) = –p. На цій частоті загальний фазовий зсув у петлі зворотного зв'язку буде рівним j = p + Dj = p – p = 0, отже, на цій частоті зв'язок з негативного перейде в позитивний.

Таким чином, на якійсь частоті виконується одна з умов самозбудження: умова фаз (j = 0), зв'язок стає позитивним. Для того, щоб підсилювач із зворотним зв'язком перейшов в режим генерації, має бути виконана також умова амплітуд: петльове підсилення ВK_ОП = 1. Якщо обидві умови самозбудження будуть виконані, пристрій перетвориться на генератор, а всі його характеристики погіршають.

Оскільки працездатність ОП визначається його стійкістю, то забезпечення стійкості – одне з основних завдань при розробці операційних підсилювачів. Для забезпечення стійкості необхідно, щоб на тих частотах, де виконується умова амплітуд (ВK_ОП> 1), не виконувалася умова фаз. А на тих частотах, де виконується умова фаз (Dj³ –p), не повинна виконуватися умова амплітуд. Стійкість повинна забезпечуватися з певним запасом.

Для забезпечення стійкості операційних підсилювачів використовують як внутрішню, так і зовнішню корекції. Внутрішня корекція ОП виконується в процесі виробництва шляхом підключення невеликої ємності до певних точок у схемі. Ця ємність зменшує частоту першого зрізу АЧХ, що забезпечує стійкість ОП. Перевагою операційних підсилювачів з внутрішньою корекцією є простота їх використання, оскільки вони будуть стійкі за будь-яких параметрів петлі зворотного зв'язку. Їх істотний недолік полягає у тому, що смуга пропускання пристрою з негативним зворотним зв'язком виходить невеликою.

Кола зовнішньої корекції підключаються до спеціальних виводів операційного підсилювача (FC). У цьому випадку зовнішні елементи можна підібрати з умови оптимальної роботи схеми. Такий підбір дозволяє одержати ширшу смугу пропускання пристрою.

Для апроксимації АЧХ операційного підсилювача можна використовувати одну постійну часу – максимальну. В цьому випадку АЧХ операційного підсилювача, побудована в логарифмічному масштабі за обома осями, матиме вигляд, наведений на рис.6.5. На цьому рисунку вказані дві частоти зрізу ОП:

f_с1 = – частота зрізу каскаду з максимальною постійною часу (як правило, проміжного); f_с2 – частота зрізу іншого каскаду з меншою постійною часу; частота зрізу третього каскаду f_с3 тут не показана, бо вона не визначає стійкість ОП. На АЧХ вказаний спад характеристики на різних ділянках.

АЧХ операційного підсилювача можна апроксимувати шматково-ламаною лінією, частоти перелома визначаються значеннями постійних часу каскадів ОП. Смугу пропускання ОП без зворотного зв'язку визначає частота зрізу f_с1 =

= f_сОП = f_{вгр ОП}. Значення частоти f_сОП складає десятки герц.

Параметром операційного підсилювача є частота одиничного підсилення f₁, на якій модуль коефіцієнта підсилення ОП без зворотного зв'язку рівний одиниці (K_ОП = 1, K_ОПдБ = 0 дБ). У сучасних операційних підсилювачів частота одиничного підсилення має порядок декількох мегагерц (f₁ » (1…10) Мгц).

Рис. 6.5. АЧХ операційного підсилювача

При введенні негативного зворотного зв'язку коефіцієнт підсилення зменшується, смуга пропускання при цьому розширюється. Значення частоти зрізу ОП можна визначити за формулою

f_сОП » , (6.12)

значення граничної частоти підсилювача з негативним зворотним зв'язком можна визначити за формулою

f_вгр » , (6.13)

відношення цих частот згідно формулам (6.12) і (6.13) буде дорівнювати

. (6.14)

Далі коефіцієнт підсилення пристрою з негативним ЗЗ позначатиметься K = K_НЗЗ.

Приклад. Частота одиничного підсилення операційного підсилювача рівна f₁ = 4 МГц, коефіцієнт підсилення ОП K_ОП = 10⁵ (K_{ОП, дБ} = 100 дБ). Коефіцієнт підсилення підсилювача з негативним зворотним зв'язком рівний K = 10 (K_дБ = = 20 дБ). Визначимо значення частоти зрізу ОП

f_сОП » = 40 Гц

і смугу пропускання підсилювача з негативним зворотним зв'язком

f_вгр » = 400 кГц.

Таким чином, одержали широкосмуговий пристрій із заданим коефіцієнтом підсилення. При збільшенні K смуга f_{в гр} відповідно формулі (6.13) буде зменшуватися.

Наведені вище залежності справедливі тільки в тому випадку, якщо частота f_с2, відповідна другій точці перелому АЧХ операційного підсилювача, значно більша смуги пропускання підсилювача з негативним зворотним зв'язком, а також більша частоти одиничного підсилення, як показано на рис. 9.9: f_с2>>f_вгр., f_с2 >f₁.

46. Інвертуюче та неінвертуюче включення операційних підсилювачів.

6.3.1. Інвертуючий підсилювач

Схему інвертуючого підсилювача наведено на рис. 6.6. Аналогові ІМС на схемах позначаються буквою А, цифрові – буквою D.

Рис. 6.6. Інвертуючий підсилювач

Схема інвертує напругу, оскільки вхідний сигнал поданий на інвертуючий вхід. Отже, напруги U_вхі U_вихзміщені за фазою на p. Зворотний зв'язок подається на вхід підсилювача за допомогою резистора R₂, коло зворотного зв'язку В утворене зовнішніми елементами R₂ і R₁. Оскільки напруги вхідна U_вхі зворотного зв'язку U_звзміщені на p, то зв'язок негативний. За способом введення – зв'язок паралельний, за способом зняття – за напругою. Паралельний негативний ЗЗ призводить до збільшення вхідного струму схеми І_вх = І₁, і, отже, до зменшення вхідного опору інвертуючого підсилювача порівняно з вхідним опором операційного підсилювача. Негативний ЗЗ за напругою призводить до зменшення вихідного опору інвертуючого підсилювача, тобто R_вих<R_вихОП,яке і без зворотного зв'язку малий.

Для спрощення аналізу вважатимемо, що у даній смузі частот операційний підсилювач близький до ідеального: K_ОП®¥, R_вхОП ®¥, R_вихОП ® 0. Це припущення можна вважати справедливим, оскільки згідно формули (4.8) вхідна напруга ОП U_{вх д max} дорівнює дуже маленькому значенню. У цьому випадку вважаємо, що U_вхд » 0, а вхідний струм ОП І_{вх ОП} » 0, тому що вхідний опір R_вхОП ®¥.

Тоді для схеми рис. 9.10 справедлива рівність

І₁ = І₂,

а вхідний опір інвертуючого підсилювача дорівнює

R_вх = = R_1. (6.15)

Для визначення коефіцієнта підсилення інвертуючого підсилювача знайдемо струми:

І₁ = ,

з урахуванням полярності вихідної напруги

І₂ = – .

Оскільки І₁ = І₂, то справедлива рівність

= – .

З цієї рівності знайдемо коефіцієнт підсилення інвертуючого підсилювача

K = . (6.16)

Таким чином, коефіцієнт підсилення K визначається тільки зовнішніми елементами схеми і не залежить від коефіцієнта підсилення операційного підсилювача K_ОП. Знак мінус свідчить про інверсію сигналу.

Для змінного вхідного сигналу

K = .

За умовчанням, під коефіцієнтом підсилення розуміють його модуль.

Операційний підсилювач є підсилювачем постійного струму, тому підсилювач (рис. 5.5) підсилює і постійну, і змінну напруги. У загальному випадку, якщо вхідний сигнал містить і постійну, і змінну складові, обидві складові будуть підсилені в K раз. Перевагою операційних підсилювачів є те, що при використанні симетричного двополярного живлення, якщо сигнал не містить постійної складової, то і вихідний сигнал також не буде містити постійної складової. Це істотною спрощує каскадне з'єднання таких підсилювачів, оскільки немає необхідності використовувати розділяльні конденсатори між каскадами.

6.3.2. Неінвертуючий підсилювач.

Схему неінвертуючого підсилювача наведено на рис. 6.7.

Рис. 6.7. Неінвертуючий підсилювач

Підсилювач вхідну напруга на інвертує, оскільки вхідний сигнал поданий на неінвертуючий вхід. Отже, напруга U_вхі U_вихспівпадають за фазою. Резистори R₁ і R₂ утворюють чотириполюсник зворотного зв'язку В. Напруга зворотного зв'язку U_зв, яка виділяється на резисторі R₁ (U_зв = I₁R₁), включена послідовно з вхідною напругою у протифазі. Таким чином, у схемі рис. 5.7 використаний негативний ЗЗ послідовний за напругою. Послідовний ЗЗ збільшує вхідний опір неінвертуючого підсилювача, тобто R_вх>R_вхОП,який і без зворотного зв'язку великий (R_вхОП®¥). Негативний ЗЗ за напругою зменшує вихідний опір неінвертуючого підсилювача, тобто R_вих <R_вихОП.

Знайдемо коефіцієнт підсилення неінвертуючого підсилювача, вважаючи U_{вх д} » 0, І_{вх ОП} » 0. У цьому випадку І₁ = І₂, а U_вх= І₁R₁,U_вих = І₂R₂ + І₁R₁ = І₂R₂ + U_вх. Знайдемо струм І₂

І₂ = .

Прирівнявши струми, отримаємо

= .

Звідси знайдемо коефіцієнт підсилення неінвертуючого підсилювача

K = 1 + . (6.17)

Приклад використанні неінвертуючого підсилювача - повторювач напруги.

47. Імпульсивні пристрої, переваги їх роботи.

ИНФОРМАЦИЯ ДАНА В КОНСПЕКТЕ!!!! В ИНЕТЕ НАПИСАН БРЕД! Или вот

48. Форма та параметри імпульсів. Реальний прямокутний імпульс.

Аналогично в конспекте!

Реальна форма імпульсу трохи відрізняється від прямокутної й має вигляд, як показано на мал. 5. У цьому випадку є відхилення, які не повинні перевищувати значень, зазначених у технічній документації.

Рис.5. Параметри реального прямокутного імпульсу.

Звичайно прямокутні імпульси характеризуються наступними основними параметрами:

•амплітудним значенням Umaxі напругою спаду вершини Ucn, що не повинна перевищувати 0,05Umax;

тривалістю фронту наростання tфн, тобто інтервалом часу, протягом якого миттєве значення наростає від 0,1 до 0,9 амплітудного Umax(цей час становить 0,1 ...0,2 всієї довжини імпульсу);

тривалістю фронту спаду tфсп, тобто часом спаду напруги від 0,9 до 0,lUmax (цей час становить 0,2...0,3 ширини імпульсу).

Природно, що головним параметром імпульсу служить тривалість імпульсу.

49-50. Сутність роботи диференцюючого кола.

Диференцюючим колом, називається коло, призначене для виконання операції диференціювання, тобто для одержання вихідної напруги пропорційного похідної від вихідного:

(1) чи в операторній формі (2)

ФВЧ - ця схема, що передає без змін сигнали високих частот, а на нижніх частотах забезпечує загасання сигналів на амплітуді і визначення їхній по фазі щодо вхідних сигналів.

Така схема може бути використана:

Для від фільтрування низькочастотних складових, у частотних складових, зокрема для усунення постійної складових ланцюга;

Для виконання операції диференціювання, тобто одержання сигналів, пропорційних похідної від вхідних сигналів, (з визначеною точністю);

Для зменшення (укорочення) тривалості імпульсу ;

Для одержання двополюсних імпульсів з однополярних.