Файл: Конспект лекций по дисциплине Эц и МСХТ.doc

Для многих областей применения необходим дифференциальный усилитель с высоким входным сопротивлением. Оно может быть существенно увеличено при использовании в каскадах полевых транзисторов.

Типовая схема дифференциального усилителя, выполненного на полевых транзисторах, представлена на рис. 31.

Рис. 31. Типовая схема дифференциального усилителя,

выполненного на полевых транзисторах

Следует отметить, что из-за более значительного технологического разброса параметров симметрия дифференциального усилителя, построенного на полевых транзисторах, несколько хуже, чем у аналогичной схемы, выполненной на биполярных транзисторах. Поэтому усилители на полевых транзисторах обладают примерно на порядок бóльшим значением дрейфа нуля по сравнению с усилителями на биполярных транзисторах.

Дифференциальные усилители используют в тех случаях, когда требуется усиливать слабые сигналы на фоне значительных шумов. Примерами таких сигналов являются цифровые или аналоговые сигналы, передаваемые по длинным кабелям (кабель обычно состоит из двух скрученных проводов), радиочастотные сигналы (двухжильный кабель является дифференциальным), напряжения электрокардиограмм и многие другие. В этих случаях дифференциальный усилитель на приемном конце восстанавливает первоначальный сигнал, даже если синфазные помехи в несколько раз превышают его амплитуду.

Дифференциальные усилители широко используют при построении операционных усилителей, речь о которых пойдёт ниже. Они играют важную роль при разработке усилителей постоянного тока (которые усиливают частоты вплоть до постоянного тока, т. е. не используют для межкаскадной связи конденсаторы): их симметричная схема по сути своей приспособлена для компенсации температурного дрейфа, что позволяет таким усилителям стабильно работать в широком диапазоне температур.

8. Операционные усилители

По принципу действия операционный усилитель сходен с обычным усилителем. Как и обычный усилитель, он предназначен для усиления напряжения или мощности входного сигнала. Однако, тогда как свойства и параметры обычного усилителя полностью определены его схемой, свойства и параметры операционного усилителя определяются преимущественно параметрами цепи обратной связи.

Операционные усилители выполняют на базе дифференциальных усилителей постоянного тока с нулевыми значениями входного напряжения смещения нуля и выходного напряжения. Они характеризуются также большим коэффициентом усиления, высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Ранее подобные высококачественные усилители использовались исключительно в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения таких математических операций, как суммирование и интегрирование. Отсюда и произошло их название – операционные усилители.

В настоящее время операционные усилители выполняются, как правило, в виде монолитных интегральных микросхем и по своим размерам и цене практически не отличаются от отдельно взятого транзистора. Благодаря практически идеальным характеристикам операционных усилителей реализация различных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Поэтому операционные усилители практически вытеснили отдельные транзисторы как элементы схем во большинстве областей аналоговой схемотехники.

Чтобы определить, какой тип операционного усилителя подходит для конкретного случая его применения, достаточно, как правило, знания их основных характеристик. Тем не менее для некоторых особых случаев использования операционных усилителей необходимо знание их внутренней структуры.

Рассмотрим основные параметры и характеристики операционных усилителей, прежде всего те, которые используются для описания реально выпускаемых элементов, и приведём основные принципы построения схем на базе операционных усилителей с использованием внешних обратных связей.

На рис. 32 представлено обозначение операционного усилителя. Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа.

Рис. 32. Условное обозначение операционного усилителя

В области низких частот выходное напряжение находится в той же фазе, что и разность входных напряжений:

Вход, к которому приложено напряжение , называется неинвертирующим и на схеме операционного усилителя обозначается знаком «плюс». Вход с напряжением называется инвертирующим и обозначается на схеме знаком «минус».

Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, следует использовать двуполярное питающее напряжение. Для этого необходимо предусмотреть два источника постоянного напряжения, которые, как это показано на рис. 32, подключаются к соответствующим внешним выводам операционного усилителя. Как правило, стандартные операционные усилители в интегральном исполнении работают с напряжениями питания ±15 В. На принципиальных схемах устройств обычно выводы питания условно не изображают.

В действительности идеальных операционных усилителей не существует. Для того чтобы можно было оценить, насколько тот или иной операционный усилитель близок к идеалу, используются следующие технические характеристики.

Дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя

(8.1)

имеет конечную величину, которая лежит в пределах от 10⁴ до 10⁷. Он называется также собственным коэффициентом усиления операционного усилителя при отсутствии обратной связи.

На рис. 33 показана типовая зависимость выходного напряжения усилителя от . В диапазоне << оно зависит от почти линейно. Этот диапазон выходного напряжения называется областью усиления. В области насыщения с ростом соответствующего увеличения не происходит.

Рис. 33. Выходное напряжение ОУ как функция разности входных напряжений (пунктиром показана характеристика, снятая без компенсации напряжения смещения нулевой точки).

Максимальные значения выходного напряжения и не достигают соответствующих положительного и отрицательного напряжений питания. В зависимости от типа ОУ минимальная разница между выходным напряжением и напряжением питания может лежать в пределах от 0,5 до 3 В. При работе операционного усилителя с напряжением питания ±15 В типовой диапазон области усиления по выходному напряжению составляет ±12 В. Существуют также специализированные ОУ с величиной выходных напряжений, практически равной напряжению питания [4].

Напряжение смещения нуля

Передаточная характеристика идеального операционного усилителя должна проходить через нулевую точку. Однако, как показано на рис. 33 штриховой линией, для реальных операционных усилителей эта характеристика несколько сдвинута. Таким образом, для того чтобы сделать выходное напряжение равным нулю, необходимо подать на вход операционного усилителя некоторую разность напряжений. Эта разность напряжений называется напряжением смещения нуля . Оно составляет обычно от нескольких микровольт до нескольких милливольт и во многих случаях может не приниматься во внимание. Когда же этой величиной пренебречь нельзя, она может быть сведена к нулю с помощью ряда схемных решений [2,3], с этой целью во многих интегральных операционных усилителях предусмотрены специальные выводы коррекции нуля.

После устранения напряжения смещения нуля остаются только его возможные изменения в зависимости от времени, температуры и напряжения питания:

В этой формуле различают следующие составляющие дрейфа:

–температурный дрейф, обычно от 3 до 10 мкВ/К;
–временной дрейф, который может достигать нескольких микровольт за месяц;
–дрейф, обусловленный изменением суммарного напряжения питания.

Составляющая характеризуется влиянием отклонения напряжения питания от номинального значения на величину смещения нулевой точки и составляет обычно 10–100 мкВ/В. Поэтому если требуется минимизировать эту составляющую дрейфа, необходимо обеспечить напряжение питания с точностью до нескольких милливольт.

В дальнейшем изложении будет предполагаться, что напряжение смещения нуля скомпенсировано и равно нулю. Тогда из формулы (8.1) следует:

(8.2)

Таким образом, в пределах динамического диапазона выходное напряжение операционного усилителя пропорционально разности входных напряжений.

Если на неинвертирующий и инвертирующий входы подать одно и то же напряжение , то не изменит нулевого значения. В соответствии с выражением (8.2) выходное напряжение также должно остаться равным нулю. Однако, как уже говорилось ранее, для реальных дифференциальных усилителей это не вполне соответствует действительности, т.е. коэффициент усиления синфазного сигнала не строго равен нулю. Как видно из рис. 34, при некоторых достаточно больших значениях входного синфазного сигнала он резко возрастает.