Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Шпоры по ТТЭ - файл ГЛАВА 10.doc


Шпоры по ТТЭ
скачать (3670.4 kb.)

Доступные файлы (14):

ГЛАВА 10.doc3655kb.15.01.2005 00:00скачать
ГЛАВА 12.doc4472kb.15.01.2005 00:09скачать
ГЛАВА 14.doc1723kb.15.01.2005 00:31скачать
ГЛАВА 16.doc489kb.15.01.2005 00:52скачать
ГЛАВА 18.doc2195kb.15.01.2005 01:20скачать
ГЛАВА 1.doc41kb.13.01.2005 18:16скачать
ГЛАВА 20.doc492kb.15.01.2005 01:44скачать
ГЛАВА 2.doc718kb.13.01.2005 19:41скачать
ГЛАВА 3.doc7420kb.13.01.2005 22:41скачать
ГЛАВА 4.doc233kb.13.01.2005 23:04скачать
ГЛАВА 5 .doc6394kb.14.01.2005 14:44скачать
ГЛАВА 6.doc476kb.14.01.2005 14:59скачать
ГЛАВА 7.doc804kb.14.01.2005 23:05скачать
ГЛАВА 8.doc1338kb.14.01.2005 23:12скачать

содержание
Загрузка...

ГЛАВА 10.doc

1   2   3   4   5
Реклама MarketGid:
Загрузка...
^

10.5. Каскады сдвига потенциальных уровней


Отказ от разделительных конденсаторов при соединении отдель­ных каскадов ИС требует применения элементов, обеспечивающих согласование выхода каскада со входом следующего каскада по величине (уров­ню) постоянного потенциала для сохра­нения работоспособности ИС.

Выходной потенциал каскада зави­сит от выбора рабочей точки верхнего транзистора, а следовательно, от его коллекторного напряжения. Включение резисторных делителей для понижения потенциала приводит к настолько силь­ному снижению коэффициента усиления сигнала, что этот способ в ИС не на­ходит практического применения.

Вообще говоря, задача согласования решается в случае исполь­зования комплементарных БТ (рис. 10.16). В этой схеме осуществ­ляется сдвиг (уменьшение) потенциала на величину , т.е. . Однако в полупроводниковых ИС изгото­вить в едином технологическом процессе высококачественные р-n-р-транзисторы не удается. Горизонтальные р-n-р-транзисторы, как правило, имеют низкий коэффициент передачи р (несколько еди­ниц) и плохие частотные свойства. Их применение оправдано толь­ко в эмиттерных повторителях, источниках стабильного тока и в ка­честве активной нагрузки, но не в качестве основных усилительных элементов. В полупроводниковых ИС проблема согласования реша­ется применением специальных каскадов сдвига уровня.

Простейший каскад сдвига уровня показан на рис. 10.17,а. Он представляет собой эмиттерный повторитель на транзисторе . Эмиттерная цепь состо­ит из резистора и ис­точника стабильного то­ка, обеспечивающего по­стоянство тока . В ка­честве ИСТ может быть использованы схемы, по­казанные на рис. 10.15. В схеме на рис. 10.17,a уровень постоянной со­ставляющей напряже­ния сдвинут на величину по сравне­нию с ее значением на входе. Вследствие по­стоянства тока уро­вень постоянной состав­ляющей на выходе прак­тически не изменяется.

Каскад ослабляет переменный сигнал незначительно, так как динамическое (выходное) сопротивление источника тока значитель­но больше сопротивления . Тем не менее следует заметить, что сопротивление из условий согласования приходится выбирать достаточно большим, поэтому выходное сопротивление каскада оказывается значительным и при работе на низкоомную нагрузку бу­дет проявляться ослабление переменного сигнала. Для борьбы с этим явлением в схему вводится дополнительный эмиттерный пов­торитель, исключающий влияние низкоомной нагрузки.

Задачу преобразования уровня может выполнить схема эмиттерного повторителя на составном транзисторе. В этом варианте сдвиг уровня увеличивается в 2 раза.

Разницу между входным и выходным напряжениями по сравне­нию с падением напряжения на эмиттерном переходе можно увеличить также включением в цепь эмиттера одного или нескольких дио­дов, как показано на рис. 10.17,б. Для более точного согласования включается резистор . Очевидно, что . Так как в качестве диодов используются интегральные транзисторы в диодном включении, то и .

Варьированием величин n, , можно получить любое значение сдвига .

Пусть необходимо получить = 2,4 В. При =0,7 и n =2(n+1) = 2,1 В, поэтому необходима величина = 0,3В. При = 1мА необходим резистор сопротивлением = 300 Ом.
^

10.6. Операционный усилитель


10.6.1. Структурная схема и параметры

Операционным усилителем ОУ называют высококачествен­ный интегральный усилитель постоянного тока с дифференци­альным входом и однотактным выходом, предназначенным для работы в схемах с обратной связью. Название усилителя связано с первоначальным применением – выполнением различных мате­матических операций с аналоговыми сигналами (суммирование, вычитание, логарифмирование, интегрирование, дифференциро­вание и др.). В настоящее время ОУ выполняют многофункцио­нальную роль в разнообразных устройствах. Они применяются для усиления, ограничения, перемножения, частотной фильтра­ции, генерирования, стабилизации сигналов в аналоговых и циф­ровых устройствах.

Идеальный ОУ имеет бесконечно большой коэффициент уси­ления по напряжению, бесконечно большое входное сопротивление, нулевое выходное сопротивление, бесконечно большую по­лосу пропускания.



На рис. 10.18,а приведено условное упрощенное графическое обозначение ОУ без выводов для подключения источников питания, без общей шины и внешних элементов, а на рис. 10.18,б – с некото­рыми из этих выводов.

Современные ОУ имеют, как правило, три структурных элемента (рис. 10.19): входной дифференциальный каскад (ДК), промежуточ­ный усилительный каскад (ПУК) и выходной каскад (ВК). Между кас­кадами существует непосредственная связь (без конденсаторов), т.е. ОУ является усилителем постоянного напряжения (тока). При­менение на входе почти всех ОУ дифференциального каскада при­водит к повышению стабильности выходного потенциала ОУ (из-за очень малого уровня дрейфа) и расширению функциональных воз­можностей. В случае ОУ с низким коэффициентом усиления проме­жуточный каскад не предусматривается. В ОУ с большим коэффи­циентом усиления используются промежуточные каскады ПУК, так­же представляющие собой дифференциальные каскады, но с однотактным выходом.

Выходной каскад является усилителем мощности и предназна­чен для согласования усилителя с нагрузкой. В качестве ВК обычно используется эмиттерный повторитель, имеющий низкое выходное сопротивление. Однако этот выходной каскад при отсутствии сигна­ла потребляет значительную мощность. Для уменьшения послед­ней ВК изготовляют по двухтактной схеме на основе комплементар­ных биполярных транзисторов.

В ОУ предусматривается схема сдвига уровня потенциала, обеспечивающая согласование каскадов и установку на выходе при отсутствии сигнала постоянного потенциала, равного потен­циалу входа ОУ.

Ниже приведены назва­ния и обозначения параме­тров интегральных ОУ без внешней обратной связи. Число параметров, приво­димых в справочниках, зависит от типа ОУ. Ниже для примера представлены числовые значения параметров ОУ 153УД1.

Коэффициент усиления по напряжению ................... (20...80)·103

Коэффициент ослабления синфазного сигнала ....... 65 дБ

Входное сопротивление ...........………………….......... 100 кОм

Выходное сопротивление ........……………..……........ 200 Ом

Частота единичного усиления f1............…..……………...... 1 МГц

Напряжение смещения нуля ...........………………....... ± 5 мВ

Температурный дрейф напряжения смещения …..... 35 мкВ/°С

Входной ток при отсутствии сигнала ......…………........ 0,6 мкА

Средний температурный дрейф входного тока. .....……...... 17 нА/°С

Разность входных токов ...............……………………... 0,25 мкА

Средний дрейф разности входных токов ......…………........ 5 нА/°С

Диапазон изменения синфазных входных напряжений ..…. ±10В


Диапазон изменения выходного напряжения ...…….....±10В

Скорость нарастания выходного напряжения .……..... 0,06 В/мкс

Напряжение источника питания Un ........................................ ± 15 В

Ток потребления Iпот ..............…………………………........... 6 мА

Дадим определения тем параметрам, которые еще не встреча­лись или смысл которых не ясен из названия.

Напряжение смещения нуля – напряжение, которое необхо­димо приложить ко входам ОУ для того, чтобы на его выходе полу­чить нулевое напряжение. Дело в том, что из-за неидеальности ха­рактеристик на выходе при отсутствии входного сигнала появляется некоторое напряжение, которое может быть принято за сигнал. Для коррекции нуля (балансировки) предусмотрен специальный вывод.

Входной ток – ток, текущий в цепи входной электрод-земля при отсутствии сигнала и при сбалансированной схеме.

Частота единичного усиления f1 – частота, при которой коэффи­циент усиления по напряжению равен единице: . Частота, при которой уменьшается до уровня 0,7 от значения при f = 0 (как в биполярном транзисторе), называется предельной (fnp). В области от 2fnp до f1 действует соотношение (5.126) Ku(f)f= fn.

Скорость нарастания выход­ного напряжения опреде­ляется при подаче на вход ска­чкообразного напряжения сиг­нала. Чем больше f1, тем мень­ше время нарастания и выше скорость нарастания.

Для ОУ одной из важнейших является амплитудная (переда­точная) характеристика – зави­симость величины выходного сигнала от величины разност­ного (дифференциального) сиг­нала на входе. Передаточная характеристика идеального ОУ линейна и проходит через начало координат (рис. 10.20). Однако ре­альная характеристика (штриховая линия) сдвинута вправо или вле­во на величину, называемую напряжением смещения нуля . Зна­чение обычно составляет несколько милливольт и в случае необ­ходимости может быть сведено к нулю. После коррекции нуля возмо­жно смещение во времени только из-за изменения температуры и не­стабильности напряжения источников питания. Линейность переда­точной характеристики нарушается, когда уровень выходного сигнала приближается к напряжению источников питания.

^ 10.6.2. Два основных включения операционного усилителя

Несмотря на то что ОУ имеет очень высокий коэффициент уси­ления, практическое его использование для усиления сигнала не­возможно по двум причинам. При большом коэффициенте усиления линейный участок передаточной характеристики на рис. 10.20 ограничен весьма малым напряжением входного сигнала. Как только входной сигнал выходит за пределы этого участка, наблюдается сильное ограничение выходного сигнала. Вторая причина связана с тем, что коэффициент усиления изменяется от экземпляра к экземп­ляру ОУ в широких пределах и к тому же очень сильно зависит от ре­жима работы, в первую очередь от температуры. Влияние этих при­чин практически удается устранить путем добавления в ОУ внешних цепей отрицательной обратной связи (ООС). Применяя различные варианты цепи ООС, можно обеспечить не только функцию усиле­ния, но и другие функции, т.е. обеспечить многофункциональность схем с использованием ОУ.

Существуют два основных включения ОУ с внешними ООС: неин­вертирующее и инвертирующее. Принято в ОУ называть неинверти­рующим тот вход, фаза сигнала на котором совпадает с фазой выход­ного сигнала. На условном обозначении (см. рис. 10.18) он отмечен знаком «плюс». Тогда второй вход ОУ следует называть инвертирую­щим, так как в случае дифференциального входного каскада напря­жение на этом входе будет вызывать изменение выходного напряже­ния в противоположной фазе. Инвертирующий вход обозначается знаком «минус» или кружком.

Схема неинвертирующего включения ОУ в ООС показана на рис. 10.21. Входной сигнал (для примера положительный) подается на неинвертирующий вход ОУ (между ним и землей). Второй (инвертирующий) вход соединен с делителем напряже­ния на резисторах и . Поэтому часть выходного напряжения оказывается приложенной между инвертирующим входом и землей. Это напряжение и называется на­пряжением обратной связи . Таким образом, между входами ОУ действует алгебраическая сумма напряжений входного сигнала и напряжения обратной связи:

(10.57)

где называется коэффициентом обратной связи, так как он показывает, какая часть выходного напряжения поступа­ет через цепь обратной связи во входную цепь ОУ. Относительно земли напряжения и одинаковы по знаку (или по фазе в слу­чае синусоидального сигнала), поэтому непосредственно на вход ОУ поступает разностное напряжение . Ослабление сигнала на входе усилителя и называется эффектом отрицатель­ной обратной связи.

Выходное напряжение ОУ

(10.58)

где – паспортный коэффициент усиления ОУ без обратной связи. Коэффициент усиления схемы ОУ с отрицательной обратной связью для подведенного сигнала , а не действующего между входами ОУ получим из (10.58):

(10.59)

Из (10.59) видно, что < , так как на входе ОУ действует теперь не напряжение , а меньшее напряжение . В ОУ значение очень велико (достигает 106), поэтому >> 1 и вме­сто (10.59) можно записать

(10.60)

Таким образом, коэффициент усиления схемы определяется только параметрами цепи отрицательной обратной связи и практи­чески не зависит от и его нестабильности. Эффект стабилизации получен ценой потери коэффициента усиления сигнала. Другими словами, введение ООС позволяет стабилизировать коэффициент усиления схемы. Действительно, если по какой-то причине уменьшается, то одновременно при том же поступающем сигнале уменьшаются и Uoc, что приводит к росту разности на входах ОУ. Последнее вызовет увеличение , т.е. приведет к компенсации первоначального уменьшения , вызванного пони­жением коэффициента усиления самого ОУ.

Следует отметить, что стремится к нулю при . Таким образом, можно считать, что . Поэтому вместо (10.57) можно записать и сразу получить (10.60). Прибли­жение , означаю­щее, что напряжение меж­ду входами ОУ можно пра­ктически считать близким к нулю, широко использу­ется при анализе различ­ных схем на основе ОУ.

Применение ООС в данной схеме приводит к увеличению входного сопротивления меж­ду входами ОУ (дифференциальное входное сопротивление). Дей­ствительно, из-за уменьшения величины () снижается ток между входами, а следовательно, входное сопротивление становит­ся значительно больше, чем входное сопротивление самого ОУ (без обратной связи), приводимое в справочнике. Входное сопротивле­ние при ООС



В идеальном ОУ , следовательно, .

Выходное сопротивление схемы с инвертирующим включением меньше, чем у ОУ без ООС:



При . Если , то . Заметим еще раз, что повышение входного и понижение выходного сопротивлений явилось результатом применения ООС.

Неинвертирующее включение ОУ используется в тех случаях, когда необходимо согласовать источник сигнала, обладающий вы­соким внутренним сопротивлением, с устройством обработки сигна­ла, имеющим низкое входное сопротивление. При этом будет сохра­няться фаза сигнала, как в повторителях напряжения.

Схема с инвертирующим включением ОУ с ООС приведена на рис. 10.22.

Сигнал от генератора прикладывается к инвертирующему входу через резистор . Сигнал обратной связи с выхода на инвертирую­щий вход поступает через резистор . Однако в отличие от преды­дущей схемы происходит алгебраическое сложение токов, а не на­пряжений. Входной ток инвертирующего входа . Считая входное сопротивление ОУ бесконечно большим, т.е. , полу­чаем . Токи, протекающие через и , примерно одинако­вы. Напряжение на входе ОУ , поэтому

;

Отсюда легко получить коэффициент усиления схемы



Знак «минус» означает, что полярности (или фазы) выходного и входного сигна­лов противоположны. Коэффициент усиления зависит только от отношения сопротивлений и , что делает его стабильным.

Входное сопротивление схемы , как правило, невелико. Это является недостатком схемы с инвертирующим включением ОУ. Преимущество этой схемы – более низкое выходное сопротивление по сравнению с ОУ без отрицатель­ной обратной связи. Анализ показывает, что . При .

В заключение сравним передаточные характеристики двух схем включения ОУ (рис. 10.23). Передаточная характеристика схемы с инвертирующим включением расположена во втором и четвертом квадрантах, так как она отражает инвертирование сигнала, а схемы с неинвертирующим включением – в первом и третьем. Линейные участки характеристик соответствуют большему входному сигналу при том же , чем в ОУ, из-за снижения коэффициента усиления (<<) в результате действия ООС.

Важной является также амплитудно-частотная характеристика ОУ с отрицательной обратной связью – зависимость коэффициен­та усиления схемы включения ОУ в ОСС от частоты сигнала. На рис. 10.24 она приведена для ОУ с одним каскадом усиления при различных значениях коэффициента усиления . Значения и частоты откладываются в логарифмическом масштабе, чтобы охватить большой диапазон этих зна­чений. Кривая 1 соответствует АЧХ од­нокаскадного ОУ без обратной связи (). При наличии ООС АЧХ опус­каются (кривые 2, 3). Как и в транзисто­рах, частоту, на которой происходит уменьшение в раз (на 3 дБ), на­зывают предельной (). На частотах выше предельной АЧХ совпа­дает с АЧХ ОУ без обратной связи (с ее линейной падающей частью при лога­рифмическом масштабе по обеим осям). Так как с ростом частоты коэффициента обратной связи увеличивает­ся, то говорят, что полоса пропускания (усиления) возрастает по сравнению с ОУ без обратной связи, но ценой потери коэф­фициента усиления: во сколько раз выиг­рываем в полосе,во столько же раз теряем в коэффициенте усиления. Нетрудно пока­зать, что при произведение коэффи­циента усиления на текущую частоту оста­ется постоянным, как в схеме включения с общим эмиттером биполярного транзисто­ра (5.12б). Значение соответствует ча­стоте единичного усиления.

Следует отметить, что в случае двухкаскадного ОУ наблюдаются два излома АЧХ, которые происходят из-за различия предельных частот каскадов (рис. 10.25). Для однокаскадного ОУ спад составля­ет 20 дБ/декада, для двухкаскадного на высоких частотах достигает 40 дБ/декада (декада соответствует изменению частоты в 10 раз). Такой большой наклон АЧХ сопровождается значительным сдвигом фазы. Если при сдвиг фазы на какой-то частоте превысит 360°, то возможна паразитная генерация колебаний: переход из ре­жима усиления в режим генерации. В схемах с ОУ приходится преду­сматривать коррекцию АЧХ и фазочастотной характеристики, чтобы избежать генерации колебаний.

1 ^ Пара в латинском языке против.
1   2   3   4   5



Скачать файл (3670.4 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru