Операционные усилители. К любому усилителю предъявляется требование усиление входного сигнала без искажений, независимо от условий

К любому усилителю предъявляется требование усиление входного сигнала без искажений, независимо от условий, в которых работает данное устройство. Значит, идеальный усилитель должен обладать бесконечно большим коэффициентом усиления, бесконечно большим входным сопротивлением (вообще не потреблять энергию на входе), нулевым выходным сопротивлением и бесконечно широкой полосой пропускания.

Усилители на транзисторах способны осуществить усиление по мощности, но они обладают рядом недостатков, главный из которых его нелинейность, которая особенно проявляется при усилении сильных сигналов.

Операционный усилитель (ОУ) можно рассматривать как устройство, приближающееся по своим свойствам к характеристикам идеального усилителя.

Операционный усилитель - универсальный многофункциональный узел аналоговых устройств. На основе ОУ можно реализовать разнообразные схемы: усилители сигналов, генераторы, выпрямители, стабилизаторы. фильтры и пр.

Принципиальная схема современного ОУ весьма сложна. Но независимо от сложности она может быть разделена на следующие основные блоки: входной каскад (дифференциальный усилитель с ГСТ), промежуточный каскад (ПК), каскад сдвига уровня (КСУ) и выходной каскад (ВК).

Структурная схема ОУ показана на рисунке 27.

Рисунок 27 Структурная схема ОУ.

На электрических принципиальных схемах ОУ изображают в виде прямоугольника (рисунок 28).

Усилитель имеет два входа и один выход. Один вход неинвертирующий (Вх1), а второй инвертирующий (Вх2), который обозначается кружком.

Рисунок 28 Схема ОУ

ОУ получает питание от двух симметричных источников. Внутри прямоугольника ставят знак треугольника, который определяет усилительные свойства и ∞, если коэффициент усиления достаточно высокий.

Входной каскад строится по дифференциальной схеме. Он определяет входное сопротивление усилителя, минимальное значение которого составляет десятки килоом. Дифференциальный входной каскад усиливает разность напряжений, поданных на его входы, примерно в 10 – 15 раз.

В промежуточных каскадах используются как дифференциальные, так и однотактные каскады усиления. Поскольку синфазная составляющая сигнала на входе этих каскадов отсутствует, то генератор стабильного тока в ДУ промежуточных каскадов не используются. Это позволяет увеличивать токи второго каскада и поднять коэффициент усиления до значения

К_U = 100 –200.

Интегральные усилители строятся по схемам с непосредственными связями между каскадами. При этом от каскада к каскаду происходит изменение постоянной составляющей сигнала. Для компенсации этой составляющей используются каскады сдвига уровня постоянного напряжения, называемые также трансляторами напряжения. Схемы сдвига уровня осуществляют как снижение, так и повышение уровня постоянной составляющей.

Одна из схем сдвига уровня, нашедших применение в ОУ, представлена на рисунке 29.

Два транзистора n -р- n включаются последовательно и через них протекает один и тот же ток

I_К1 = I_Э1 = I _Э2.

Ток I_Э2 задается постоянным источником смещения Е_Б и сопротивлением резистора R₂.

I_Э2 = (Е_Б – U _БЭ2) / R₂,

тогда сдвиг уровня ΔU = U _БЭ1 +

Значение ΔU можно изменять в больших пределах.

Рисунок 29 Каскад сдвига уровня ОУ

Выходные каскады работают, как правило, на низкоомную нагрузку. Для согласования выхода усилителя с сопротивлением нагрузки такие каскады должны иметь малое выходное сопротивление и при отсутствии входного сигнала выходное напряжение должно быть равно нулю. В качестве простейшего выходного каскада можно использовать однотактный эмиттерный повторитель.

Однотактные выходные каскады работают в режиме класса «А» и из-за низкого к.п.д. используются при небольших выходных мощностях.

Наибольшее распространение нашли двухтактные выходные каскады.

В схеме выходного каскада на двух n -р- n транзисторах (рисунок 30) один из них VТ1 включен с ОК, второй VТ2 – с ОЭ.

Схема получает питание от двух источников Е_К и –Е_Э, имеющих общий вывод земли, к которому подключается сопротивление нагрузки R_Н.

При отсутствии входного сигнала оба транзистора закрыты и ток в нагрузке отсутствует. Это достигается выбором значения резистора R₁.

При положительном входном сигнале транзистор VТ2 открывается и через сопротивление нагрузки протекает ток по цепи: +Е_Э →R_Н→ VD1→ VT2→ R₂→ –E_Э. Транзистор VT1 закрыт, так как прямое напряжение на диоде создает на его эмиттерном переходе обратное смещение.

Рисунок 30 Выходной каскад ОУ

В случае отрицательной полуволны входного сигнала VT2 закрывается, U_K2 становится положительным и транзистор VT1 открывается и через него от источника + Е_К поступает ток в нагрузку. Резистор R2 ограничивает ток в цепи транзисторов. В результате на нагрузке формируется полный гармонический сигнал.

Широкое распространение получили двухтактные схемы, выполненные на транзисторах с разным типом проводимости р-n-р и n-р-n (комплементарные пары). Входной сигнал поступает на транзистор VТ3 (рисунок 31).

При положительном входном сигнале ток транзистора VТ3 увеличивается, напряжение на базе транзистора VТ1 уменьшается, он закрывается, а транзистор VТ2 открывается. Ток протекает к источнику –Е_К2 через сопротивление нагрузки.

Аналогично при отрицательном входном сигнале ток протекает от источника +Е_К1 через открытый транзистор VТ1 и сопротивление нагрузки (транзисторы VТ2 и VТ3 закрыты). На нагрузке R_H формируется полный гармонический сигнал.

Рисунок 31 Выходной каскад на комплементарных парах

Поскольку параметры интегральных р-n-р и n-р-n транзисторов значительно отличаются друг от друга, то для выравнивания усиления в плечах двухтактного каскада, используют составные транзисторы в так называемом композитном включении.

Составной транзистор на р-n-р и n-р-n структурах может быть включен как р-n-р (рисунок 32,а) и как n-р-n (рисунок 32,б) транзисторы.

Рисунок 32,а Структура р-n-р Рисунок 32,б Структура n-р-n

Кроме того, составные транзисторы обеспечивают большее усиление базового тока.

Дата добавления: 2015-05-06