Аналоговая схемотехника (стр. 2 )

Ток базы в рабочей точке можно определить как IБП = (IКП–IКО(Э))/b, а по входным характеристикам определяется UБЭП. Следует помнить, что b = a/(1–a). Для термостабилизации режима по постоянному току выбирают UЭП » (0,1¸0,3)EК .

Типичное значение тока резистивного делителя в цепи базы соответствует: IД = (2¸5)IБП. Отсюда:

R2 = UБП/IД = (UЭП + UБЭП)/IД; R1 = (EК – UБП)/(IД + IБП) . (1.5)

Выбор транзистора производят с учётом следующих факторов:

а) с учетом частотного диапазона по граничной частоте усиления по току (fa для схемы с ОБ или fb для схемы с ОЭ). Для схемы с ОЭ: fb >> fверх. рабоч.; следует помнить, что fb = fa/(1 + b);

б) с учетом максимально допустимого коллекторного тока IКmax:

IКДОП > IКmax = IКП + IКm ; (1.6)

в) по максимально допустимому коллекторному напряжению: UКЭ(доп) > UК ;

д) по мощности, рассеиваемой на коллекторе: PК = UКПIКП < PКдоп.

1.2.1 Усилительный каскад по схеме ОИ

Типовая схема усилителя на полевом МДП транзисторе приведена на рисунке 1.10.

Рисунок 1.10 – Усилитель по схеме с ОИ

Сопротивление RИ создает ООС по постоянному току. Методически подход по расчёту элементов и режима каскада тот же, что и для схемы с ОЭ, с учётом особенностей применяемого ПТ. Основные параметры каскада следующие:

а) коэффициент усиления по напряжению (в области средних частот):

. (1.7)

Дифференциальное сопротивление стока ri можно определить по выходной ВАХ ПТ. Если сопротивление RH велико, то есть RH~ = RC||RВХ » RC, то КU » SRC. Входное сопротивление: RВХ » R1||R2 . Выходное сопротивление: RВЫХ = RC||ri » RC.

1.2.2 Дифференциальный усилительный каскад

Усилители постоянного тока, при их последовательном включении, усиливают паразитный дрейф режима покоя первых каскадов. При больших коэффициентах усиления это полностью нарушает работу УПТ. Дифференциальные усилительные каскады (ДУ) радикально уменьшают дрейф за счет параллельно-балансного построения, рисунок 1.11.

Построение каскада – это параллельно-балансная мостовая схема, состоящая из двух плеч, содержащих сопротивления нагрузки RК1,2, и двух других плеч, содержащих транзисторы VT1,2. По вертикали мост запитан от двух отдельных источников питания. Принцип работы ДУ – принцип сбалансированного моста: при равных между собой входных сигналах uВХ1,2 и идеальной электрической осевой электрической симметрии падения на сопротивлениях коллекторных нагрузок одинаковы и DuВЫХ = 0.

При неравных входных напряжениях токи в вертикальных плечах не равны между собой (мост разбалансируетя) и DuВЫХ ¹ 0. То есть ДУ усиливает разность входных сигналов. Одинаковые сигналы, присутствующие одновременно на обоих входах (синфазные сигналы), никак не проявляются на выходе при идеальной симметрии плеч усилителя.

Высокая стабильность схемы при изменении напряжения питания и температуры наблюдается за счет того, что при одинаковом дрейфе по обоим усилительным плечам каскада, напряжение на коллекторах изменяются в одну и ту же сторону и дрейф на выходе каскада отсутствует.

Рисунок 1.11 – Функциональное содержание ДУ

Сигнал, снимаемый с обоих коллекторов, называется дифференциальным (DuВЫХ, UВЫХ). Для дифференциального сигнала коэффициент усиления каскада определяется по формуле:

, (1.8)

где еГ и RГ – ЭДС и внутреннее сопротивление источника сигнала; rВХ ТРАНЗ – входное сопротивление транзистора.

Или с учетом сопротивления внешней нагрузки RН:

, (1.9)

где rВХ ТРАНЗ = rБ + (1 + b)rЭ .

Дифференциальный каскад допускает подачу на оба входа входных сигналов одновременно. Если UВХ1 и UВХ2 неодинаковой полярности, то

UВХ = UВХ1 + UВХ2; UВЫХ = KUД(UВХ + UВХ2). (1.10)

Если на входы поступают сигналы одинаковой полярности, то есть совпадающие по фазе (синфазные), то UВЫХ = KUД(UВХ1 – UВХ2). Если UВХ1 = UВХ2­, это ведёт к тому, что UВЫХ = 0, то есть синфазная помеха не присутствует на выходе дифференциального каскада. Это в идеальном случае. Реально влияние синфазной помехи оценивают коэффициентом синфазной передачи:

KСИНФ = DUБАЛ/ЕСИНФ, (1.11)

где DUБАЛ – изменение UK1 (или UK2) под воздействием синфазной помехи; ЕСИНФ – напряжение синфазной помехи (то есть приложенное одновременно к обоим входам). Качество дифференциального каскада оценивается коэффициентом ослабления синфазного сигнала: KОСС = 20lg(KСИНФ/KUД) » минус(60 ¸100) дБ.

1.3 Операционные усилители, их параметры и базовые схемы

Операционные усилители (ОУ) – это УПТ с большим коэффициентом усиления, имеющие дифференциальный вход и один общий выход. Часто в качестве УГО используют показанные на рисунке 1.12.

Рисунок 1.12 – УГО операционных усилителей

Основу ОУ составляет дифференциальный каскад, являющийся входным усилителем. Выходной каскад обычно двухтактный эмиттерный повторитель (каскад с ОК). Между входным дифференциальным усилителем и выходным эмиттерным повторителем есть еще два-три дифференциальных усилительных каскада. Максимальные выходные напряжения ОУ близки к напряжениям питания: источника отрицательного напряжения –UПИТ и положительного напряжения +UПИТ. Важнейший параметр ОУ – амплитудная (передаточная) характеристика: это зависимость UВЫХ = f(UВХ), рисунок 1.13.

Рисунок 1.13 – Амплитудные характеристики ОУ

Горизонтальные участки амплитудной характеристики – это режим насыщения (или отсечки) выходного эмиттерного повторителя ОУ. Угол наклона линейного участка определяется коэффициентом усиления ОУ КU = UВЫХ/UВХ. Значение КU обычно лежит в пределах от десятков тысяч до нескольких миллионов.

Реальные ОУ имеют разбаланс нуля: при UВХ = 0, имеется UВЫХ ¹ 0. То есть, надо подать на вход некоторое напряжение DUВХ, чтобы на выходе ОУ стало UВЫХ = 0. Это DUВХ и есть напряжение смещения нуля, которое определяется по формуле:

. (1.12)

За счет неидеальности входных транзисторов ОУ наблюдаются неодинаковые входные токи: при включении в их цепи резисторов на них получаются различные падения напряжения, что ведёт к появлению дифференциального входного напряжения. Для устранения влияния этого напряжения ОУ имеют специальную регулировку «балансировка».

Вследствие малости разности входных токов входное дифференциальное сопротивление ОУ очень велико (единицы и сотни мегаом). Выходное сопротивление ОУ мало (единицы–десятки Ом), так как на выходе имеется эмиттерный повторитель.

При линейном усилении, обычно малых гармонических сигналов, ОУ характеризуется частотными параметрами, а усиление импульсных сигналов характеризуется скоростными параметрами ОУ. Частотные параметры ОУ определяются по его АЧХ, рисунок 1.14.

Рисунок 1.14 – АЧХ ОУ

Скоростные (динамические параметры) ОУ отражены на рисунке 1.15. К ним относятся:

– скорость нарастания выходного напряжения: VU = DU/Dt; обычно для современных ОУ VU » 0,1¸100 В/мкс;

– время установления выходного напряжения: tУСТ » 0,05¸2 мкс.

Рисунок 1.15 – Динамические характеристики ОУ

Скорость нарастания выходного напряжения связана с максимальным выходным напряжением ОУ нижеследующим выражением, показывающим полосу частот, в которой выходное напряжение ОУ может быть равно максимальному значению (полоса максимальной мощности):

. (1.13)

Базовые схемы на ОУ строятся с помощью подключения внешних элементов, образующие в том числе обратные связи. Ниже приведены основные функциональные аналоговые узлы на ОУ.

Инвертирующий усилитель изменяет знак выходного сигнала относительно входного. По инвертирующему входу ОУ создают параллельную отрицательную обратную связь по напряжению, рисунок 1.16, а.

Рисунок 1.16, а – Инвертирующий усилитель на ОУ

При входном сопротивлении ОУ RВХОУ ®¥, его входной ток IОУ®0, и, таким образом, IВХ = IОС. Это позволяет оценить коэффициент усиления каскада как

КU = –UВЫХ/UВХ = –(IOCROC)/(IВХR1) = –RОС/R1 , (1.14)

а величину входного сопротивления каскада RВХ = R1. Выходное эквивалентное сопротивление каскада определяется согласно выражению:

. (1.15)

Неинвертирующий усилитель содержит последовательную ООС по напряжению, сигнал которой подаётся на инвертирующий вход, рисунок 1.16, б. Здесь Uy = 0, но КU = 1 + RОС/R1 .