ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Цель работы: Изучение принципа работы и измерение основных параметров и характеристик операционных усилителей. Компьютерное моделирование базовых функциональных устройств на основе операционных усилителей.
1. Дифференциальный каскад как базовый элемент аналоговых интегральных микросхем
Наиболее распространенной схемой, на базе которой создаются усилители постоянного тока, операционные усилители, цифровые микросхемы эмиттерно-связанной логики, является дифференциальный каскад.
Дифференциальный усилительный каскад (рис.1) выполняют по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами Rк1 и Rк2, а два других – транзисторами Т1 и Т2. Выходное напряжение снимается между коллекторами транзисторов (т.е. с диагонали моста).
На транзисторе Т3 собрана схема источника стабильного тока Iэ, определяющего сумму эмиттерных токов Iэ1 и Iэ2 транзисторов Т1
и Т2. Для определения тока Iэ необходимо знание напряжения между точками схемы 1 и 2.
Iэ=(U1-2 – 0,6) / R3 = (I1R2 – 0,6) / R3.
Питание каскада производится от источников +Ек1 и – Ек2 с равными напряжениями относительно общей точки (земли).
С помощью напряжения Ек2
снижают потенциал эмиттеров транзисторов Т1 и Т2
относительно общей точки схемы. Это позволяет подавать сигналы на входы усилителя без введения дополнительных смещений.
Схема дифференциального каскада требует применения близких по параметрам транзисторов Т1, Т2 и равенства сопротивлений Rк1, Rк2.
Благодаря этому, при входных сигналах, равных нулю, достигается баланс моста, напряжения на коллекторах обоих транзисторов равны и выходное напряжение, снимаемое с диагонали, Uвых = Uвых 1 – Uвых 2 = 0. Идентичность параметров транзисторов Т1 и Т2 легко достигается при интегральном исполнении, когда их изготовление осуществляется в едином технологическом процессе на общем кристалле полупроводника.
Rк1 Iк1 Iк2 Rк2
Uвых 1 Uвых Uвых 2
Т1 Т2
Uвх 1 Iэ1 Iэ2 Uвх 2
Iэ
1 R1
+
R3 R2
I1
Рис.1 - Eк2
2
Если Uвх1 и Uвх2 замкнуты на общую точку схемы (землю), то Uвх = 0. Ток Iэ делится поровну между двумя транзисторами Iэ1= Iэ2= Iэ/2. Значение эмиттерных токов определяются входными токами смещения
(базовыми токами покоя):
Равенству эмиттерных токов транзисторов будет соответствовать равенство их коллекторных токов Iк1 = Iк2 = ?Iэ / 2 ? Iэ / 2
или режим покоя.
Uвх1 = Uвх2 = 0, Uвых = Uк1 – Uк2 = 0.
Пусть Uвх1 ? 0, при Uвх2 = 0. Предположим, что напряжение входного сигнала Uвх1 имеет положительную полярность.
Под воздействием входного сигнала через входные цепи обоих транзисторов будет протекать входной ток Iвх, увеличивающий ток базы транзистора Т1 и уменьшающий ток базы транзистора Т2.
При этом токи Iэ1 и Iк1 увеличиваются, а токи Iэ2 и Iк2 уменьшаются. Изменение токов обоих транзисторов происходит на одну и ту же величину, поскольку сумма токов Iэ1+Iэ2 = Iэ остается неизменной.
Изменения коллекторных токов вызывают изменение потенциальной диаграммы каскада. Напряжение Uк1 = Ек1
– Iк1Rк1 уменьшается, что вызывает приращение напряжения -?Uк1, противоположное по знаку напряжению входному Uвх1.
Напряжение Uк2 = Ек1 – Iк2Rк2 возрастает, что создает соответственно приращение напряжения +?Uк2 того же знака, что и напряжение входного сигнала.
Таким образом, для рассматриваемого способа подачи входного сигнала выход каскада со стороны коллектора транзистора Т1 (Uвых1) является инвертирующим, а со стороны коллектора транзистора Т2
(Uвых2) – неинвертирующим. Сигнал, снимаемый с обоих коллекторов, называется дифференциальным:
Изменения выходных напряжений схемы под воздействием сигнала на входе прекращаются, когда под влиянием входного тока ток базы одного из транзисторов становится равным нулю, а ток Iэ протекает только через один из транзисторов (Т1). Тогда:
Uвых 1 = Ек 1
- Iэ·Rк
Uвых 2 = Ек 1
Uвых = Uвых 2 – Uвых 1 ? Iэ·Rк
Подобно описанным, но с иными знаками приращений, протекают процессы в схеме при изменении полярности входного сигнала или при подключении его к другому входу.
Определим коэффициенты усиления по напряжению дифференциального каскада.
Входной ток каскада:
где Rвых – выходное сопротивление источника сигнала Uвх.
Входной ток создает приращение коллекторных токов ± ?Iк = ± ?Iвх и напряжений на коллекторах: ± ?Uвых1.2 = ± ?IкRк = ± ?IвхRк.
Коэффициент усиления по напряжению каскада (по обоим выходам Uвых1, Uвых2):
Коэффициент усиления по дифференциальному выходу (Uвых):
Весьма важным параметром дифференциального каскада является крутизна его передаточной характеристики S, т.е. величина, количественно характеризующая степень влияния Uвх на коллекторный ток транзисторов Т1 и Т2.
Так как Iк1 + Iк2 = ?Iэ = const, то dIк1 = - dIк2. Следовательно,
С учетом этого усилительные свойства дифференциального каскада можно записать в более компактном виде с учетом комбинаций подачи входного напряжения и снятия выходного.
1. Симметричный вход – несимметричный выход.
Для первого выхода
Для второго выхода
2. Симметричный вход – симметричный выход.
2. Основные сведения об операционных усилителях
Операционный усилитель – это модульный многокаскадный усилитель с дифференциальным входом, по своим характеристикам приближается к воображаемому “идеальному усилителю”. С таким идеальным усилителем обычно ассоциируются следующие свойства:
1) бесконечный коэффициент усиления по напряжению (А> ?);
2) бесконечное полное входное сопротивление (Zвх > ?);
3) нулевое полное выходное сопротивление (Zвых > 0);
4) равенство нулю выходного напряжения (Uвых = 0) при равных напряжениях на входах (U1 = U2);
5) бесконечная ширина полосы пропускания (?fпр= ?).
На практике ни одно из этих свойств не может быть осуществлено полностью, однако к ним можно приблизиться с достаточной для многих приложений точностью. Например, если коэффициент усиления схемы ограничивается при помощи обратной связи значением 10, то коэффициент усиления собственно усилителя (без обратной связи), равный 100000, с практической точки зрения достаточно близок к бесконечности.
Первый каскад операционного усилителя – это дифференциальный усилитель. Дифференциальный усилитель имеет высокий коэффициент усиления по отношению к разности входных сигналов U2 – U1 и низкий коэффициент усиления по отношению к одинаковым сигналам, поданным на входы одновременно (синфазные сигналы).Входной каскад операционного усилителя является наиболее ответственным, поскольку именно им определяется величина Zвх и в нем минимизируется чувствительность к синфазным сигналам и напряжение сдвига.
