Операционный усилитель с отражателем тока во входном каскаде

В интегральных усилителях цепи смещения транзисторов реализуют на основе отражателей тока. Преимущество таких цепей смещения заключается в том, что отражатели тока имеют большое внутреннее сопротивление и при этом занимают меньшую площадь, чем резисторы большого номинала.

ОУ, изображенный на рис. 4.4 имеет структуру, аналогичную структуре трехкаскадного усилителя на рис. 4.3. Отличие заключается в том, что цепью смещения дифференциального каскада является отражатель тока на транзисторах VT5, VT6. Такая схема обеспечивает значительно большее ослабление синфазного сигнала.

Рис. 4.4

Требуемое значение тока смещения задается резистором . Его величина рассчитывается по формуле

.

Остальные токи и напряжения рассчитываются так же, как и в схеме на рис. 4.3.

Четырехкаскадный ОУ

ОУ на рис. 3.5 имеет четыре каскада усиления. Первый каскад образован транзисторами VT1 и VT2. Он имеет дифференциальный вход и дифференциальный выход. Смещение рабочей точки транзисторов создается отражателем тока, реализованным на транзисторах VT3 и VT9. Вторым каскадом является дифференциальный усилитель на транзисторах VT4 и VT5. Смещение создается источником тока на транзисторе VT6. Выходной сигнал снимается с коллектора VT5.

Третий каскад реализован на p-n-p транзисторе VT7. Этот каскад обеспечивает дополнительное усиление схемы. Однако его главное назначение – сдвиг постоянной составляющей напряжения. Последним каскадом ОУ является эмиттерный повторитель на транзисторе VТ4. Его назначение – усиление мощности выходного сигнала и обеспечение малого выходного сопротивления ОУ.

Расчет постоянных составляющих токов и напряжений в схеме ОУ на рис. 4.5

Для упрощения расчетов полагаем, что коэффициент , так что для всех транзисторов . Все транзисторы работают в активном режиме, поэтому . 1. Рассчитываем сопротивление резистора , обеспечивающего заданное значение тока смещения

.

2. Поскольку схема входного каскада симметрична, токи коллекторов VT1 и VT2 .

3. Напряжения коллекторов VT1 и VT2 .

4. Для обеспечения нужного тока смещения для второго каскада транзистор VT6 образован четырьмя транзисторами, соединенными параллельно. Поэтому .

5. Второй каскад – дифференциальный усилитель, и ток делится поровну междутранзисторами VT4 и VT5

.

6. Напряжение коллектора пятого транзистора

7. Напряжение коллектора второго транзистора подается на базу VT5. Поэтому , а напряжение эмиттера VT

.

8. Напряжение эмиттера p-n-p транзистора VT7

_.

9. Токи коллектора и эмиттера VT7

_.

10.Напряжение коллектора VT7

.

11. Выходное напряжение ОУ меньше напряжения на величину : .

Рекомендации по сборке схем

В схемах ОУ на рис. 4.3, 4.4, 4.5 использовать модель n-p-n транзистора Q2N3904 и модель p-n-p транзистора Q2N3906 (VT3) из библиотеки EVAL.slb. В схеме ОУ на рис. 3.5 использовать модель n-p-n транзистора Q2N3904 (кроме VT6) и модель p-n-p –транзистора Q2N3906 из библиотеки EVAL.slb. Транзистор VT6 реализовать в виде параллельного соединения двух n-p-n транзисторов Q2N2222.

Рис.4.5.

Предварительный расчет.

1. Рассчитать постоянные составляющие токов и напряжений в схеме простейшего ОУ на рис. 4.3. Значения элементов указаны в табл. 4.1. Считать, что коэффициент , так что для всех транзисторов . Напряжения эмиттерных переходов .

2. Определить коэффициенты усиления каскадов усилителя. Для упрощения расчетов принять, что входное сопротивление следующего каскада бесконечно велико.

3. Рассчитать сопротивление резистора в схеме токового зеркала, обеспечивающее заданное значение тока смещения для входного каскада в схеме на рис. 4.4.

4. В схеме усилителя на рис. 4.3.5 рассчитать сопротивление резистора , обеспечивающее заданное значение выходного тока токового зеркала . Исходные данные для расчета приведены в табл. 4.2.

5. Рассчитать постоянные составляющие токов и напряжений транзисторов в схеме усилителя на рис. 4.5. Значения элементов указаны в табл. 4.3.

6. Результаты расчетов записать в отчет

Порядок выполнения работы

1. Исследование трехкаскадного усилителя.

a) Собрать схему трехкаскадного ОУ (рис. 4.6) и установить значения элементов и напряжения питания в соответствии с номером варианта (табл. 4.1).

b) Включить на входе источники дифференциального и синфазного сигналов (источники синусоидального напряжения VSIN из библиотеки SOURCE.slb). Установить атрибуты источников дифференциального сигнала: DC = 0, АC = 1V, VOFF = 0, VAMPL = 10uV, FREQ = 1k. Атрибуты источника синфазного сигнала: DC = 0, АC = 1V, VOFF = 0, VAMPL = 1V, FREQ = 50.

Рис. 4.6

Таблица 4.1

Вар.	, кОм	, кОм	, Ом	, кОм	, кОм	, кОм	, В
1	15	0,75	10	6,8	3	10	20
2	15	1,5	10	6,8	3	20	15
3	12	1,2	50	6,8	5	10	15
4	15	1,5	30	5,1	5	20	18
5	12	1	10	5,1	5	10	18
6	15	1,5	50	4,7	3	20	20
7	18	1,2	30	4,7	3	10	25
8	20	1,6	50	4	5	10	20
9	15	1,5	50	5,1	5	5	20
10	15	1	10	6,4	3	5	25

c) В режиме DC Sweep построить передаточные характеристики для дифференциальной и синфазной составляющих входного сигнала.

d) В режиме AC Sweep построить и скопировать в отчет графики амплитудно-частотных характеристик для дифференциального и синфазного сигналов. Определить коэффициент усиления и частоту среза АЧХ для дифференциальной и синфазной составляющих.

e) По результатам моделирования определить коэффициент ослабления синфазной составляющей .

2. Исследование ОУ с отражателем тока во входном каскаде.

a)Собрать схему усилителя, показанную на рис. 4.7. Установить значения элементов и напряжения питания в соответствии с номером варианта (табл. 4.2). Установить сопротивление резистора в отражателе тока, полученное в ходе предварительных расчетов.

b) Повторить п. 1.a – 1.e. Результаты моделирования скопировать в отчет.

Рис. 4.7

Таблица 4.2

Вариант	, В	, мА
1	15	0.5
2	12	0.5
3	10	0.4
4	18	0.6
5	10	0.5
6	20	1.0
7	15	0.6
8	12	0.4
9	15	0.55
10	18	0.7

3.Исследование четырехкаскадного ОУ.

a) Собрать схему ОУ, показанную на рис. 4.8. Установить значения элементов, приведенные в табл. 4.3 и полученные в ходе предварительного расчета.

b) Повторить 1.a – 1.e. Результаты моделирования скопировать в отчет.

Рис. 4.8.

Таблица 4.3

, кОм	, кОм	, кОм	, кОм	, кОм
20	3	2.3	15.7	3

4.Сравнить характеристики исследованных схем (коэффициенты усиления дифференциальной и синфазной составляющих, коэффициенты ослабления синфазной составляющей, частотные характеристики). Выводы записать в отчет.

Контрольные вопросы и задания

1. Расскажите об основных характеристиках и особенностях операционных усилителей.
2. Как обеспечить линейный режим работы ОУ?
3. Опишите типовую структуру ОУ на биполярных транзисторах.
4. Как осуществляется сдвиг постоянного напряжения в схемах ОУ? Покажите это на примере схем на рис. 4.4 и 4.5.
5. Для чего служит конденсатор в схемах на рис. 4.6 и 4.7?
6. Как влияет изменение напряжения питания на характеристики усилителей?
7. Как осуществляется смещение рабочих точек транзисторов в схемах на рис. 4.4 и 4.5?
8. Почему в качестве входного каскада в интегральных ОУ используют дифференциальные усилители?
9. Какие схемы используют в выходных каскадах ОУ?

Лабораторная работа №5

Тема работы:Исследование функциональных узлов на основе ОУ

Цель работы: Иcследование функциональных узлов на основе ОУ