2. Изменение давления и влажности окружающей среды.

Дата: 2025-05-25; Просмотры: 3

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Занятие 4. Операционные усилители

Учебные, методические и воспитательные цели:

1. Изучить основы построения дифференциальных усилителей, структурную схему, характеристики и параметры операционных усилителей.

2. Прививать методические навыки логического изложения учебного материала.

3. Развивать инженерное мышление.

Время: 2 часа

План лекции

Материальное обеспечение:

1. Плакат "Базовые элементы аналоговых ИС".

Литература:

1. К.С. Петров "Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника", с.371-380.

2.Степаненко И.П. "Основы микроэлектроники",2001г., стр.357-373.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

Изученные в дисциплине ТЭЦ широкополосные усилители оказываются неспособными усиливать колебания, нижняя граничная частота полосы которых близка к нулю.

В то же время на практике часто необходимо усиливать сколь угодно медленно меняющиеся колебания, например, в измерительных приборах, счетно-решающих устройствах, следящих системах и т.д. Для усиления медленно меняющихся колебаний служат усилители постоянного тока, которые составляют основу многофункциональных интегральных схем – операционных усилителей, на основе которых можно реализовать практически любую операцию обработки аналогового сигнала. Изучению этого материала и будет посвящена сегодняшняя лекция.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1.Дифференциальные усилители

Усилитель постоянного тока - это усилитель, способный усиливать сколь угодно медленные электрические колебания. Коэффициент усиления такого усилителя в области нижних частот поддерживается постоянным и равным коэффициенту усиления в области средних частот вплоть до частоты ω =0(рис.1). Для построения усилителя постоянного тока (УПТ) в принципе можно использовать изученные ранее схемы усилителей с исключением из них разделительных конденсаторов, т.е. связь между каскадами усилителя должна быть гальванической (посредством проводников, резисторов, диодов, стабилитронов).

Стабилизация начальной рабочей точки в режиме покоя в простейших транзисторных УПТ может осуществляться рассмотренными ранее методами, а ликвидация начального тока через нагрузку достигается использованием мостовых балансных цепей, а также двухполярного питания.

Однако добиться высоких качественных показателей от УПТ, построенных на основе простейших схем транзисторных усилителей не представляется возможным из-за неизбежного изменения режима каскадов, которое вследствие гальванических связей изменяет выходное напряжение или ток УПТ - так называемый дрейф. Причинами дрейфа являются дестабилизирующие факторы:

1. Изменение температуры окружающей среды.

2. Изменение давления и влажности окружающей среды.

3. Колебания напряжения источников питания.

4. Старение УЭ и других компонентов усилителя.

Для сравнения различных усилителей по дрейфу используют его уровень, приведенный к входу усилителя.

Уровень дрейфа - это эквивалентная ЭДС в цепи источника сигнала, создающая такое же напряжение на выходе усилителя, какое в действительности вызывает воздействие дестабилизирующих факторов. Указанную ЭДС обычно находят, поделив напряжение дрейфа на выходе усилителя на соответствующий коэффициент усиления.

Для одиночных каскадов с ОЭ дрейф по напряжению примерно равен 2-8 мВ/град для кремниевых биполярных транзисторов, 20-30 мВ/град для германиевых. В каскадах на полевых транзисторах с общим истоком дрейф также может достигнуть 3-4 мВ/град.

Такие величины дрейфа неприемлемы для УПТ, поэтому необходимо применять специальные меры по уменьшению дрейфа. Перечислим некоторые из них:

1. Уменьшение пределов изменения дестабилизирующих величин.

2. Применение схем термокомпенсации дрейфа.

3. Применение общей ООС.

4. Использование в УПТ балансных (или мостовых схем).

В этом случае уменьшаются уровни дрейфа, обусловленные и изменением напряжения питания, и температуры окружающей среды, а также старением элементов усилителя. Меньший дрейф обеспечивают симметричные балансные схемы, которые образуют два плеча моста. Симметричные балансные усилители можно построить как с последовательным, так и с параллельным включением УЭ по отношению к источнику питания. Наибольшее распространение получил параллельный балансный усилитель, который часто называют дифференциальным (разностным). Рассмотрим основные особенности схемы и принцип работы простейшего дифференциального усилителя (рис.2).

Схема состоит из двух одинаковых (симметричных) плеч, каждое из которых содержит транзистор и резистор. В общую эмиттерную цепь включается источник тока, либо резистор Rэ (элемент ООС).

Выходным напряжением является разность коллекторных потенциалов, а входным - разность базовых потенциалов. В основе дифференциального усилителя лежит идеальная симметрия обеих плеч, т.е. идентичность параметров VT1 и VT2, и равенство сопротивлений R_к1 и R_к2. Только в этом случае U_вых = 0 при воздействии синфазной помехи, а также исключается температурный дрейф НРТ, что обеспечивает возможность усиления постоянного и медленно изменяющегося напряжения и тока.

Создание таких усилителей стало возможным с развитием микроэлектроники. Только в ИС, где элементы располагаются друг от друга на расстоянии единиц микрон, можно обеспечить идентичность параметров, температурных коэффициентов и т.п.

Схема предназначена для увеличения амплитуды напряжения сигнала в диапазоне частот 0 до ω_в (десятки мегагерц), обеспечения высокой стабильности режима покоя (малого уровня дрейфа) и подавления синфазной помехи.

При отсутствии входного сигнала и заданных одинаковых режимах во входных цепях в схеме будут протекать постоянные токи I_бп1, I_бп2, I_кп1, I_кп2. Последние два создают на резисторах R_к1 и R_к2 падение напряжения U_к1=I_кп1 ´ R_к1 и U_к2=I_к2´R_к2 . Величины этих напряжений равны, равны и потенциалы в точках а и б схемы, т.е. выходное напряжение равно нулю.

С целью обеспечения малого дрейфа нуля и надежного подавления синфазной помехи (что будет показано ниже) в схеме создана глубокая ООС, которая не уменьшает коэффициент усиления дифференциального сигнала.

При подаче на входы усилителя одинаковых по величине и фазе колебаний (помеха) входные токи транзисторов, а следовательно и токи коллекторов будут одновременно увеличиваться или уменьшаться. Поскольку коэффициенты усиления каждого плеча одинаковы, то потенциалы коллекторов изменяются одинаково, а выходное напряжение при полной симметрии схемы равно нулю.

Таким образом, дифференциальный усилитель при строгой симметрии схемы не усиливает, а подавляет синфазный сигнал, причем эффект "подавления" будет тем больше, чем больше величина R_э, обеспечивающая ООС по току для обоих синфазных сигналов, причем эффект "подавления" будет тем больше, чем больше величина R_э, обеспечивающая ООС по току для обоих синфазных сигналов.

При воздействии на входы схемы двух одинаковых по величине, но противоположных по фазе колебаний, коллекторные токи транзисторов VT1 и VT2 изменяются в противоположных направлениях. Это вызывает противоположное изменение потенциалов коллекторов и напряжение на выходе оказывается пропорциональным входному дифференциальному сигналу.

U_вых =K_д (U_вх1 –U_вх2 )=K_д U_{вх д}

где: К_д - коэффициент усиления дифференциального сигнала. Поскольку на транзисторы VT1 и VT2 действуют противофазные напряжения, то токи эмиттеров этих транзисторов также будут меняться в противофазе. Приращение одного тока будет компенсироваться в симметричной схеме противоположным приращением другого тока. Значит через резистор Rэ переменный ток не протекает и переменное напряжение на нем будет отсутствовать, а следовательно отсутствует и ООС, которая имела место для синфазной помехи и режима покоя.

Для обеспечения необходимого (как правило, очень большого) коэффициента усиления дифференциального сигнала усилитель собирают на супербета транзисторах (b = 3 - 5 тыс.), что в свою очередь увеличивает входное сопротивление усилителя и составляет десятки килоом. Еще большая величина входного сопротивления может быть обеспечена при использовании составных транзисторов, у которых b равно десятки тысяч или МДП-транзисторов.

Выходное сопротивление единицы килоом, т.к.

Напряжение на нагрузке создается током двух транзисторов, одинаковых по величине, но изменяющихся противофазно, поэтому амплитуда напряжения увеличивается вдвое, а амплитуда тока остается той же.

Часто на вход дифференциального усилителя может действовать слабый полезный противофазный сигнал и сильная синфазная помеха. Для оценки способности дифференциального усилителя выделить слабый противофазный сигнал на фоне сильной синфазной помехи используют коэффициент ослабления синфазного сигнала.

где: r _э - внутреннее сопротивление эмиттерной области транзистора.

Дифференциальные усилители могут использоваться в УПТ с различными схемами включения:

- с симметричным входом и несимметричным выходом. Bыходное напряжение в этом случае снимается с одного коллектора транзистора относительно общей точки;

с симметричным входом и выходом. Источник входного сигнала включается между входами, выходное напряжение снимается между коллекторами;

- с несимметричным входом и симметричным выходом. При этом способе источник входного сигнала подключается к одному из входов, а второй вход соединяется с общей точкой;

- с несимметричным входом и выходом. В этом случае используется один из входов усилителя для подключения источника сигнала, а выходное напряжение снимается с одного из коллекторов транзистора.

Дифференциальный усилитель, являясь составной частью многокаскадных УПТ, может использоваться в виде самостоятельной схемы. Примером служит микросхема К122УД1, используемая в современных радиоприемных устройствах.

2. Структурная схема операционного усилителя

Операционный усилитель (ОУ) - это УПТ с весьма большим коэффициентом усиления по напряжению. Характерной особенностью ОУ является наличие двух входов и одного выхода (рис 3). Один из входов обозначается символом " - " и называется инвертирующим. При подаче сигнала на этот вход выходной сигнал оказывается в противофазе с входным. Другой вход ОУ обозначается символом "+" и называется неинвертирующим. При подаче сигнала на этот вход выходной сигнал оказывается в фазе с входным сигналом. Условное графическое обозначение ОУ приведено на рис.3.

Питание ОУ осуществляется обычно от двухполярного источника. Термин "ОУ" дан потому, что первоначально ОУ предназначался для применения в аналоговых вычислительных машинах для выполнения математических операций, таких как суммирование, вычитание, масштабирование и т.д.

ОУ представляет собой многокаскадный УПТ. В зависимости от числа каскадов, вносящих основной вклад в коэффициент усиления, различают трех- и двухкаскадные ОУ.

Три и более усилительных каскада имели ОУ первоначальных разработок (60-е годы).

Cовременный ОУ - это усилитель напряжения, коэффициент усиления которого в полосе частот от 0 до нескольких десятков килогерц составляет величину 10³ – 10⁵ и является двухкаскадным. В его структуре можно выделить три основных элемента: входной каскад, усилитель напряжения и выходной каскад (рис.4).

Кроме того, схема ОУ может содержать еще ряд вспомогательных цепей, корректирующие цепи, схемы сдвига уровней, схемы защиты выходного каскада от перегрузки при коротком замыкании выхода, стабилизаторы напряжения и тока и т.д.

Входной каскад ОУ представляет собой дифференциальный усилитель, что обеспечивает высокое входное сопротивление ОУ и сравнительно малую чувствительность его основных характеристик к изменениям напряжения питания.

Этот усилитель имеет повышенный коэффициент усиления из-за специальных схемных решений. Например, вместо резисторов в коллекторные цепи включается динамическая нагрузка на основе транзисторов, в качестве УЭ используют транзисторы с большим коэффициентом усиления (супербета-транзистор) и т.д.

Усилитель напряжения в сочетании с входным каскадом предназначен для обеспечения основного усиления сигналов и обычно также представляет собой дифференциальный усилитель со схемами согласования его симметричного выхода с несимметричным входом оконечного (выходного) каскада.

Выходной каскад ОУ - это либо эмиттерный повторитель, либо, что встречается чаще в ИС, двухтактный усилитель с несимметричным выходом. Основная задача выходного каскада обеспечение необходимой мощности в нагрузке.

Таким образом, наличие двух симметричных входов делает этот усилитель многофункциональным элементом, так как указанное обстоятельство позволяет осуществить комбинацию различных цепей обратной связи и получать за счет этого схемы различного функционального назначения.

3. Параметры и характеристики операционных усилителей

Основными параметрами ОУ являются: коэффициент усиления по напряжению K_U, равный отношению амплитуды выходного напряжения к амплитуде дифференциального входного напряжения

K_U= U_mвых/U_mвх

Величина К_U известных ОУ колеблется в пределах 10³-5·10⁶, у идеальных ОУ считается равным бесконечности.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала

К_осс = К_д/К_с

где: К_с - коэффициент усиления синфазного сигнала.

Величина К_осс составляет 60-120дб.

Входное сопротивление для дифференциального и синфазного сигнала колеблется в пределах от 0,01 до 1000 мОм.

Входное напряжение смещения нуля U_см, мВ равное напряжению, которое следует подать на один из входов ОУ или на специальный вход ОУ, чтобы U_вых = 0 (десятые доли миливольта).

Частота единичного усиления f₀, при которой К_U= 1 при малом сигнале (f₀ = I - I00 мГц)

Скорость нарастания выходного напряжения (В/мкс). Это наибольшая скорость изменения выходного напряжения ОУ при воздействии импульса максимального входного напряжения прямоугольной формы. Эта величина колеблется в пределах 0,1 - 350 В/мкс.

Максимальное выходное напряжение определяется предельным значением выходного напряжения ОУ при оговоренном сопротивлении нагрузки и напряжении входного сигнала. Как правило, на 1 - 5В ниже напряжения питания.

Выходное сопротивление колеблется в пределах от нескольких Ом до нескольких сотен Ом.

Перечисленные параметры позволяют производить оценку и делать обоснованный выбор ОУ.

Важнейшими характеристиками ОУ являются передаточные (амплитудные ) и частотные характеристики.

Амплитудная характеристика - это зависимость выходного напряжения от напряжения на входе. Так как ОУ имеет два входа, то амплитудных характеристик две: одна для инвертирующего, другая для неинвертирующего входов.

Характеристики снимают при подаче сигнала на один из входов при нулевом сигнале на другом. Каждая из кривых состоит из горизонтальных и н аклонных участков (рис.5). Горизонтальные участки ( соответствуют режиму полностью открытых (насыщенных) либо закрытых транзисторов выходного каскада ОУ. При изменении напряжения входного сигнала на этих участках выходное напряжение усилителя остается без изменений.

Наклонному (линейному) участку кривых соответствует пропорциональная зависимость выходного напряжения от входного. Угол наклона участка определяется коэффициентом усиления ОУ. В общем случае графики амплитудных характеристик не проходят через нулевую точку. Поэтому для обеспечения равенства нулю выходного напряжения необходимо на вход подать некоторое напряжение, называемое напряжением смещения нуля U_см0. Во многих ОУ предусмотрены специальные выводы для установки нулевого напряжения на выходе при отсутствии напряжения на входе.

Диапазон входных напряжений в пределах линейного участка мал и составляет единицы милливольт.

Расширение диапазона усиливаемых напряжений ОУ достигается введением ООС, которая обязательна в схемах устройств, построенных на базе ОУ.

Частотные характеристики показывают зависимости амплитуды и фазы усиливаемого сигнала от частоты.

ОУ - это многокаскадный усилитель постоянного тока с непосредственными связями между каскадами. На нижних частотах, начиная с f = 0, коэффициент усиления не изменяется и разность фаз между входным и выходным напряжениями определяется видом используемого входа и также остается постоянной. На верхних частотах из-за влияния паразитных емкостей начинает уменьшаться коэффициент усиления (К_U) и появляется дополнительный фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами (рис.6).

На высоких частотах К_U ОУ снижается по причине шунтирующего действия паразитных емкостей. Выходное напряжение отстает от входного сигнала и сдвиг по фазе может стать равным 180⁰ и более (характеристика показана для прямого входа). Если учесть, что выходной сигнал возвращается по цепи обратной связи на инвертирующий вход ОУ, то напряжение входного сигнала и обратной связи оказываются в фазе. Это приводит к неуправляемому росту выходного напряжения, искажению усиливаемого сигнала и самовозбуждению усилителя. Для устранения указанного явления принимаются специальные меры: частотная коррекция. Путем частотной коррекции добиваются того, чтобы коэффициент усиления ОУ стал равным единице раньше, чем паразитный набег фазы достигнет 180⁰. Запас по фазе считается достаточным, если он равен 60⁰. Частотная коррекция обеспечивается введением в схему ОУ частотнозависимых цепей. Элементы корректирующих цепей могут быть и внешними по отношению к ОУ .

Таким образом, операционные усилители характеризуются в основном теми же параметрами и характеристиками, что и обычные усилители, но значения этих параметров сильно отличаются. Кроме этого некоторые параметры являются специфическими и присущи только им.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Изученный материал позволяет уяснить принципы построения дифференциальнх и операционных усилителей, их уникальные свойства, параметры, характеристики, которые и обеспечили их широчайшее применение в аппаратуре военной связи. Для закрепления материала рекомендуется по учебнику В.В.Тезикова "Базовые элементы интегральных микросхем" проработать материал изложенный на стр.89-90.

Задание на самостоятельную подготовку:

1. Изучить по учебнику [Л1] страницы 297-298.

Старший преподаватель кафедры N9

доцент п/п Г.Подлеский

Рецензент:

Доцент п/п

Б.Степанов