Предисловие (стр. 12 )

.

После преобразований получим

R1 / R2 = R3 / R4.

Баланс моста (j1 = j2) будет сохраняться при синхронном (одновременном) и одинаковом изменении пары R1, R3 или/и R2, R4.

Заменим резисторы R2 и R4 одинаковыми транзисторами, (рис. 2.14,б). На нем оба плеча идентичные, т. е. Rк1 = Rк2, h21=h21 и т. д.

Рис.2.14. Мостовая схема(а) и дифференциальный усилитель(б)

Ток через резистор Rэ будет равен i = i1 + i2. Если uвх1 = uвх2, то коллекторные токи i1 = i2 и, следовательно, uвых = 0.

Можно утверждать, что при синфазных (одинаковых по фазе и амплитуде) входных сигналах потенциалы коллекторов транзисторов VT1 и VT2 изменяются также синфазно, поэтому uвых = 0.

Если на входы представленного усилителя подать дифференциальные (разные) сигналы, то на выходе появится их усиленная разность. Таким образом, усилитель (рис. 2.14,б) представляет собой усилитель разностного сигнала – дифференциальный усилитель (ДУ). Этот усилитель может быть использован и как усилитель постоянного тока.

При изменении температуры в симметричных плечах ДУ токи будут меняться одинаково и Duвых = 0. Следовательно, ДУ обладает много большей температурной стабильностью, чем в несбалансированной схеме, а теоретически температурная стабильность может быть абсолютной.

Вообще, ДУ оказывается малочувствительным к любым синфазным воздействиям. Например, помеха по цепям питания вызывает одинаковое изменение токов в плечах ДУ, и выходное напряжение не изменяется.

Для улучшения качественных показателей ДУ вместо резистора Rэ применяют источник тока J = i1 + i2 = const.

ДУ может быть выполнен и на полевых транзисторах. Он является важной частью так называемых операционных усилителей – его входным узлом.

2.1.7. Операционный усилитель

Операционным усилителем (ОУ) называют высококачественный УПТ, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схемах с ООС.

Так как ОУ является УПТ, то на входе, выходе и между каскадами у него отсутствуют конденсаторы.

Впервые ОУ были разработаны в 50-х годах XX столетия и изначально предназначались для выполнения некоторых арифметических операций (сложение, вычитание, интегрирование и др.) в аналоговых вычислительных машинах. С развитием электронных вычислительных машин (ЭВМ) и вытеснением аналоговых первоначальная функция ОУ была утрачена, но термин «операционный» за ними сохранился.

Нужно подчеркнуть, что реализовать высококачественный ОУ на дискретных элементах в промышленных масштабах практически невозможно. Поэтому широкое распространение ОУ получили лишь с широким использованием интегральной технологии, где несущественна сложность электрической схемы и легко решается проблема симметрии.

Большой коэффициент усиления, высокие термостабильность и помехозащищенность, другие параметры, благодаря которым ОУ можно назвать высококачественным, достигается ценой десятков и сотен транзисторов. Как мы знаем, интегральную технологию отличает высокая повторяемость параметров элементов. Поэтому можно изготовлять ОУ с заданными параметрами в едином корпусе, что позволяет рассматривать ОУ как самостоятельный компонент наряду с транзисторами, резисторами и пр. Налицо двойственность подхода к ОУ, отражающее развитие электроники. С одной стороны, ОУ – достаточно сложный усилитель, содержащий сотни транзисторов, с другой, – он является одним из компонентов электрических схем, имеющим свои УГО, параметры и характеристики.

Любой ОУ содержит входной ДУ, каскад усиления напряжения и выходной каскад усиления мощности. Поэтому ОУ имеет два входа, которые называют инвертирующим и неинвертирующим.

Возможны два варианта обозначения ОУ (рис.2.15): без дополнительных полей (вариант а) и с дополнительными полями (вариант б). Инвертирующий вход отличает обозначение окружностью. Дополнительные поля отчерчиваются прямыми и обозначаются соответственно их назначению, например, FC – выводы частотной коррекции, NC – выводы балансировки.

Частотная коррекция необходима, чтобы устранить возможные автоколебания при введении ОС. Выводы балансировки предназначены для подключения подстроечного резистора с целью дополнительной, более точной балансировки плеч ОУ. Обычно справочный материал содержит информацию по использованию выводов частотной коррекции и балансировки.

Современные ОУ, как правило, имеют цепи внутренней частотной коррекции, а дополнительная балансировка часто не требуется. Поэтому ОУ, у которых дополнительные выводы в конкретной схеме не используются, целесообразно обозначать в упрощенном виде – без дополнительных полей.

В зависимости от целевого назначения ОУ подразделяют на ОУ:

1) общего применения, где к ним не предъявляют жестких требований и допустимы погрешности в доли процента;

2) прецизионные, имеющие малые дрейфы и шумы, а также высокий коэффициент усиления;

3) быстродействующие, имеющие большую скорость изменения выходного напряжения и использующиеся для построения импульсных и широкополосных устройств.

Иногда в отдельную группу выделяют микромощные ОУ, потребляющие от источника питания малые токи (менее 1 мА), их удобно использовать в батарейной аппаратуре. У многих имеется защита от перегрузок и коротких замыканий по выходу.

Большинство выпускаемых ОУ имеет напряжение питания 3…15 В.

Все параметры ОУ делят на две группы: статические (по постоянному току) и динамические.

Основные статические параметры ОУ:

1) коэффициент усиления напряжения (коэффициент усиления дифференциального сигнала) Куu = Duвых / Duвх. Для современных ОУ он может достигать нескольких миллионов;

2) коэффициент ослабления синфазного входного сигнала Кос. сф. Он равен 60…120 дБ;

3) напряжение смещения Uсм – значение напряжения на выходе ОУ при нулевом входном сигнале, поделенное на коэффициент усиления. Показывает, какое напряжение необходимо подать на вход ОУ, чтобы получить на выходе uвых = 0. Для получения Uсм = 0 необходима дополнительная балансировка. Напряжение смещения находится в пределах Uсм = 0,005…50 мВ;

4) входные токи Iвх1, Iвх2, разность входных токов DIвх = ½Iвх1 – Iвх2½, определяемые при uвых = 0. Нормирование вызвано необходимостью обеспечить нормальный режим работы входного ДУ. Разность токов обусловливает появление между входами дифференциального напряжения;

5) температурные дрейфы напряжения смещения DUсм/DТ, разности входных токов DIвх/DТ – характеризуют изменение соответствующих параметров при изменении температуры. Эти параметры важны для прецизионных усилителей, так как скомпенсировать температурные изменения сложно;

6) напряжение питания Uпит. Различают номинальное напряжение питания и допустимый диапазон напряжений питаний;

7) выходной ток Iвых (5…20 мА);

8) входное сопротивление Rвх0 (0,1…1000 МОм).

Динамические параметры ОУ:

1) верхняя граничная частота полосы пропускания fВ. Граничной считают частоту, на которой коэффициент усиления снижается в раз (по сравнению с f = 0);

2) скорость нарастания выходного напряжения VUвых – максимальная скорость изменения выходного сигнала при максимальном значении его амплитуды. Параметр определяет минимальную длительность фронтов выходного сигнала.

2.1.8. Масштабные усилители на базе операционных усилителей

Часто необходимо иметь УПТ со строго определенным коэффициентом усиления. Так, сигнал тензодатчика должен быть усилен в нужное число раз (промасштабирован) достаточно точно, чтобы погрешность измерения не превзошла заданные рамки. В подобных случаях однозначно применяют ОУ.

Для расчета схем на ОУ с ОС примем ОУ идеальным, полагая Куu ® ¥. Это означает, что Duвх = 0 (даже бесконечно малое изменение дифференциального входного сигнала вызовет конечное приращение выходного).

При этом также Rвх0 ® ¥, т. е. Iвх1 = Iвх2 = 0.

Рассмотрим две схемы масштабных усилителей на ОУ:

1. Инвертирующий масштабный усилитель (рис. 2.16).

Неинвертирующий вход ОУ соединен с общей точкой, поэтому его потенциал j+ = 0. Так как Duвх = 0, то потенциал инвертирующего входа j– = 0. Поэтому точку 1 называют «виртуальной» или «искусственной землей».

Мы допустили, что входные токи равны нулю: Iвх = 0, тогда i2 = i1 или, выражая равенство через входное и выходное напряжения, получим

, откуда ,

KU = uвых / uвх = –R2 / R1.

Знак «–» означает, что полярность выходного напряжения uвых противоположна полярности входного uвх (отсюда и название «инвертирующий»). Коэффициент усиления KU такого усилителя определяется лишь соотношением сопротивлений резисторов R1, R2 и не зависит от Kуu.

Очевидно, что входное сопротивление усилителя Rвх = R1.