Усилители постоянного тока. Операционные усилители

Усилитель постоянного тока (УПТ) – это усилитель, обеспечивающий усиление сигналов постоянного тока, медленно изменяющихся сигналов и переменных сигналов. Наибольшее применение в качестве УПТ нашли операционные усилители.

Операционным усилителем (ОУ) называется усилитель электрических сигналов, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью (ООС). С появлением интегральных ОУ они начали широко использоваться в устройствах усиления, генерирования, фильтрации, модулирования и демодулирования сигналов и многих других устройствах.

Параметры ОУ и УПТ, характеризующие его качество, весьма многочисленны. Основные из них следующие.

Коэффициент усиления (К_у) — отношение приращения значения выходного напряжения к вызвавшему его изменению дифференциального входного напряжения.

Напряжение смещения (U_см) — напряжение, которое необходимо приложить между входами ОУ для получения нуля на выходе ОУ.

Средний входной ток (i_вх) — среднее арифметическое значение входных токов, измеренных при таком входном напряжении, при котором выходное напряжение ОУ равно нулю.

Разность входных такав (D i_вх) — абсолютное значение разнести токов двух входов усилителя, измеренных тогда, когда напряжение на выходе ОУ равно нулю.

Температурный дрейф входного тока — коэффициент, равный отношению максимального изменения входного тока ОУ к вызвавшему его изменению окружающей температуры.

Температурный дрейф входных токов приводит к дополнительной погрешности

Значения температурных коэффициентов входного тока и разности входных токов ОУ приводятся в справочных данных усредненными в определенном температурном диапазоне.

Входное сопротивление (r_вх) — сопротивление одного из входов ОУ, в то время как другой вход закорочен. Это сопротивление также называют входным сопротивлением для дифференциального сигнала.

Входное сопротивление для синфазного сигнала (r_сф) — величина, равная отношению приращения синфазного входного напряжения к приращению среднего входного тока ОУ (r_сф обычно на 1—2 порядка больше r_вх).

Коэффициент ослабления синфазного сигнала (К_сф) — отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала К_у к коэффициенту усиления синфазного сигнала К_у.сф (К_у.сф определяется как отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению синфазного входного сигнала).

Коэффициент влияния нестабильности источника питания (К _п) — отношение изменения напряжения смещения к вызвавшему его изменению одного из питающих напряжений DЕ_п.

Выходное сопротивление (r_вых) — отношение приращения выходного напряжения ОУ к вызвавшей его активной составляющей выходного постоянного или переменного тока.

Частота единичного усиления (f_ед) — частота, на которой модуль коэффициента усиления ОУ равен единице. Частота единичного усиления при 100 %-ной ООС с цепями коррекции частотной характеристики ОУ называется частотой среза (f_ср).

Граничная частота (f_гр) — максимальная частота синусоидального сигнала, при которой сохраняется гарантированный эффективный диапазон синусоидального выходного напряжения ОУ.

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения (v) — наибольшая скорость изменения выходного напряжения ОУ при подаче на его вход импульса прямоугольной формы максимально допустимой амплитуды.

Время восстановления выходного напряжения — время с момента снятия входного напряжения до момента, при котором , где U _нас — напряжение насыщения ОУ.

Время установления выходного напряжения — время, в течение которого выходное напряжение ОУ изменяется от уровня 0.1 до уровня 0.9 от установившегося значения при апериодическом процессе и при воздействии на вход импульса напряжения прямоугольной формы.

Шумовые характеристики ОУ. Эквивалентная схема ОУ с шумовыми источниками напряжения и тока показана на рис. 1.1.1. Напряжение шума включает в себя три некоррелированные составляющие: U _ш1 — составляющую, обусловленную тепловым шумом (белый шум), U _ш2 — составляющую, обусловленную диффузией неосновных носителей, U _ш3 — составляющую, вызванную поверхностными явлениями в полупроводнике (фликкер-шум или розовый шум):

Значение шумового тока зависит от входного тока и полосы пропускания ОУ:

, где q — заряд электрона.

В практических расчетах шумовые составляющие U _ши i _шс достаточной степенью точности можно считать некоррелированными. Кроме того, шумовые составляющие по отдельным входам ОУ также можно считать некоррелированными и приблизительно одинаковыми. Таким образом, если i _ш1 = i _ш2, R ₁ = R ₂ = R, то суммарное шумовое напряжение, приведенное ко входу ОУ,

, k =1.38 ×10^-2.8 Дж/К.

Спектральная плотность белого шума S_б(f) = S₀ примерно одинакова во всей полосе пропускания ОУ. Суммарную спектральную плотность шума можно записать в следующем виде:

.

УПТ на транзисторах

Для построения хороших, стабильных усилителей – надо сделать усилитель с большим коэффициентом усиления (хорошо бы около 1 000 000), а затем применить отрицательную обратную связь (ООС). И не важно, что большой коэффициент усиления получается плохим, невоспроизводимым, с неравномерной частотной и фазовой характеристиками и т.д. Величина ООС задаётся пассивными элементами, например резисторами, а они обладают хорошей стабильностью.

Давайте посмотрим, как можно сделать усилитель с хорошим коэффициентом усиления. Пусть это схема с общим эмиттером (ОЭ), использующая n-р-n транзистор.

Здесь мы не ввели никаких лишних деталей, считая, что на входе есть постоянная и переменная составляющие сигнала, и на выходе мы сумеем выделить нужные составляющие сигналов. Поэтому у нас есть только резистор R и напряжение питания Е_п. Напишем выражение для U_вых:

Мы написали это выражение в таком виде, чтобы точно увидеть, как оно зависит от температуры. Но при этом мы будем считать, что при изменении температуры одновременно изменяется и входной сигнал, так, чтобы на выходе всё оставалось постоянным. Итак, мы считаем, что U_вых, Е_п, R и I₀ остаются постоянными (последнее, правда, немного меняется, но гораздо меньше, чем члены в экспоненте). Поэтому можно полагать, что меняются только U_бэ и Т – напряжение база-эмиттер и абсолютная температура. (q и k – мировые константы – заряд одного электрона и постоянная Больцмана.) Продифференцируем по Т и приравняем к нулю.

Сокращая лишние члены, получим:

На первый взгляд это может быть всё что угодно – какое-то напряжение, делённое на какую-то температуру.

Но температура эта абсолютная, т.е в градусах Кельвина, и близка к комнатной. Значит, это примерно 300⁰К. А напряжение – это примерно контактная разность потенциалов, так как р-п переход эмиттер-база смещён в прямом направлении. Следовательно, всё зависит от материала: для кремния это 0,6 В, а для германия 0,3 В. Поделив контактную разность потенциалов на температуру, получим:

Материал	dUбэ/dT, мВ/^0К
Si
Ge

Видно, что германий в 2 раза лучше (термостабильнее), чем кремний. Но в современных условиях кремний гораздо технологичнее (дешевле).

Итак, у кремниевых транзисторов приведённый ко входу температурный дрейф составляет всего 2 мВ/⁰К. Чтобы узнать, что будет на выходе, надо это умножить на перепад температуры и коэффициент усиления. У работающего транзистора перепад температуры вполне может быть 10 ⁰К, а коэффициент усиления у двух- трёхкаскадного усилителя может быть 1000...100000. Получается 20...2000 В. Это очень много.

Конечно, можно использовать полевые транзисторы, у них температурный дрейф гораздо меньше. Но есть несколько способов борьбы с температурным дрейфом и в биполярных транзисторах. Например, известный способ разделения сигнала на постоянную и переменную составляющие при помощи разделительных конденсаторов. Кроме того, можно преобразовать сигнал в высокочастотный, а после усиления выпрямить (модуляция-усиление-демодуляция).

Но наибольшее распространение получил метод дифференциального каскада. Рассмотрим его подробнее.

На рис. представлена схема, состоящая из двух по возможности одинаковых транзисторов, двух коллекторных резисторов, тоже одинаковых, и одного эмиттерного резистора, общего для двух транзисторов. Схема имеет два входа и один разностный выход. Здесь также обычно используется два источника питания.

Обычно +/– Е_п одинаковые. И если U_вх близки к нулю, то на эмиттерном сопротивлении падает большое и почти постоянное напряжение, поэтому ток, протекающий через это сопротивление, тоже почти постоянный. Это значит, что мы задали ток эмиттеров. Далее этот ток разделяется на две части, и протекает через два транзистора.

А теперь давайте рассмотрим случай одинаковых входных напряжений – синфазный входной сигнал. Теоретически если на входах синфазный сигнал, то ток, протекающий через транзисторы, будет одинаковый, т.е. разделится пополам. Но этот ток задан резистором и почти не зависит от входного сигнала. Поэтому отклик на синфазный сигнал очень мал, а так как мы на выходе берём разностный сигнал, то он вообще близок к нулю. Это обусловлено тем, что в эмиттере напряжение будет меняться почти также, как и в базах: разность потенциалов между базой и эмиттером меняется гораздо меньше, чем на входах.

Дифференциальный сигнал также одинаков на обоих входах, но противоположен по фазе. Поэтому на эмиттерах напряжение почти не меняется, полный эмиттерный ток тоже, а на базах транзисторов напряжение меняется гораздо сильнее, и это приводит к тому, что токи через транзисторы меняются в разные стороны: на одном транзисторе увеличивается, а на другом – уменьшается, хотя в сумме он остался неизменным. Поэтому сигнал на выходе (на коллекторах) будет сильным, да ещё в два раза больше, так как он получается как разность между двумя коллекторами.

Дело заключается в том, что для синфазного сигнала схема аналогична схеме с ОК: есть сильная ООС благодаря наличию эмиттерного сопротивления; а для дифференциального сигнала – аналогична схеме с ОЭ: напряжение на эмиттерах практически не меняется, поэтому можно считать, что эмиттеры как бы заземлены. Итак, дифференциальный сигнал хорошо усиливается, как в схеме с ОЭ, а синфазный сигнал сильно ослабляется, как в схеме с ОК во-первых, и за счёт вычитания коллекторных сигналов во-вторых.

Если сигналы U_вх1 и U_вх2 произвольные, то можно вычислить синфазную и дифференциальную составляющие по формулам:

и наоборот:

Обычно для хороших дифференциальных каскадов трудно подобрать достаточно близкие по параметрам транзисторы и даже резисторы коллекторов, поэтому на практике уже давно, ещё до возникновения микроэлектроники, стали делать спаренные транзисторы, которые находятся очень близко друг к другу, изготовлены в одном технологическом режиме и имеют почти одинаковую температуру. Такие транзисторы не надо подбирать – они созданы специально похожими, чтобы получать очень низкий коэффициент усиления синфазного сигнала К_син. А при переходе на микроэлектронику вообще все дифференциальные каскады стали делать интегральным способом. Обычно в этом случае К_диф = 100...400, а К_син =0,1...1. Для оценки качества дифференциального каскада вводят коэффициент ослабления синфазного сигнала (КООС):

Это лежит в пределах 400...1000, или в децибеллах 50...60 дБ.

Почему нам так важен синфазный сигнал? Дело в том, что различные дрейфы транзисторов: старение, тепловой дрейф и так далее – это эквивалентно подаче на входы одинаковых сигналов, то-есть синфазному сигналу. Поэтому если синфазнвй сигнал сильно ослаблен, то и тепловой дрейф тоже ослаблен. И мы видим, что коэффициент усиления дифференциального сигнала в 1000 раз сильнее, чем, скажем, тепловой дрейф. Но это значит, что дифференциальный каскад годится для первого каскада усилителя, который будет предназначем для усиления с большим коэффициентом усиления, чтобы потом использовать его для усилителя с ООС. Такие усилители называются операционными (ОУ).

Итак, почти всегда для изготовления ОУ делают первым каскадом дифференциальный. Но у разных ОУ он бывает разным. Часто вместо обычных транзисторов берут сдвоенные, см. рис.

Здесь мы уже применили принятое в микроэлектронике условное обозначение транзисторов: без кружочка, обозначающего, что у транзистора есть свой корпус. В микроэлектронике этого обычно не бывает.

У такого каскада коэффициент усиления сдвоенных транзисторов гораздо больше (100²=10000). Именно из-за большого коэффициента усиления они и используются.

Но можно использовать супер-вета транзисторы – это специально изготовленные транзисторы с очень маленькой базой и большим перепадом концентраций в эмиттерной и базовой области. Коэффициент усиления у них может достигать 5000 и более. К сожалению, эти транзисторы требуют очень точной технологии, и, кроме того, они не выдерживают больших напряжений. Поэтому для защиты от пробоя к ним надо добавлять ещё по одному транзистору. Из-за большой технологической сложности супер-бета транзисторы используются редко.

Иногда входные каскады полезно сделать на основе полевых транзисторов, так как они имеют очень большое входное сопротивление. Чаще используют полевые транзисторы с р-п переходом. Но всё же это тоже слишком большое усложнение технологии.

Поэтому в большинстве ОУ используют одинарные биполярные транзисторы, но принимают меры к тому, чтобы улучшить генератор тока эмиттера, и вместо резистора используют транзистор. Но чаще всего для этой цели используется схема, которая называется "токовое зеркало".

Она изображена на рис.:

Здесь использованы два одинаковых транзистора (лучше изготовленных в одном цикле), и через правый, включённый по схеме диода (коллекторный р-п переход закорочен, и остаётся только эмиттерный р-п переход) пропускается прямой ток. Этот ток определяется формулой:

Этот ток ни от чего не зависит. Он постоянен. Но значит и напряжение в его базе и базе соседнего транзистора одинаково и таково, что обеспечивает протекание точно такого же тока и через соседний транзистор:

У нас получилось как бы зеркало: ток, который протекает через правый транзистор, протекает и через левый, отражается. Но этот ток не зависит от напряжения на коллекторе левого транзистора. Значит, у нас получился генератор тока. И очень хороший генератор тока, так как у него очень большое выходное сопротивление, равное дифференциальному сопротивлению коллектора, которое, как мы помним, составляет 100 кОм...10 МОм. Если использовать такой хороший генератор тока, получится увеличение КООС до 1 000 000 (120 дБ).

В дифференциальном каскаде мы обсудили почти все проблемы. Осталось обсудить только выход. А он, как мы знаем, должен быть разностным. Это значит, что его нельзя заземлить.

Но если сделать вычитающее устройство? Оказывается, это можно с помощью токового зеркала, см. рис. внизу. Два верхних транзистора имеют тип р-n-р. Поэтому у них эмиттеры с другой стрелкой и подсоединены к положительному питанию, а коллекторы внизу и идут к минусу. Правый транзистор, как у токового зеркала, служит диодом (база-коллектор закорочены). Поэтому он точно пропускает ток, который проходит через правый транзистор дифференциального каскада. И этот же ток проходит через левый транзистор токового зеркала. Но по схеме он соединён с коллектором левого транзистора дифференциального каскада. Получается противоречие: нижний транзистор даёт ток I₁, а верхний – ток I₂. Это противоречие разрешается тем, что к соединению коллекторов подключён ещё один провод, и разница токов уходит по нему в следующий каскад.

Схема типового УПТ на ОУ приведена на рис.1.

Рисунок 1.

Типовая АЧХ УПТ приведена на рис.2 и определяется диапазоном рабочих частот от 0 до f_гр., крутизной спада характеристики в дБ/Окт или дБ/дек, неравномерностью АЧХ в диапазоне рабочих частот.

Рисунок 2

Дата добавления: 2014-01-15