Дифференциальный каскад на полевых транзисторах

Для многих областей применения необходим ДК с высоким входным сопротивлнием. Для этого можно было бы использовать биполярные транзисторы включенные по схеме Дарлингтона (схема с ОЭ). Но гораздо лучшие результаты могут быть достигнуты при использовании полевых транзисторов. Полевые транзисторы с изолированным затвором позволяют достигнуть входных сопротивлений порядка едениц и десятков гигаом. Но эти транзисторы обладают значительной емкостью и редко применяются в ДК. Транзисторы с p-n переходом гораздо дешевле проще в

изготовлении, проще в управлении и обладают достаточно большим входным сопротивлением, входной ток значительно ниже чем у ДК на биполярных транзисторах. Но несмотря на это хуже стабильность выходного напряжения сдвига. Эти транзисторы очень часто применяются во входных каскадах опрерационных усилителей. Типовая схема ДК, выполненного на полевых транзисторах с p-n переходом, представлена на рис.4 . Схемотехнически каскад реализован так же как и ДК на биполярных транзисторах.

рис. 4

Полевые транзисторы применяемые в ДК необходимо либо подбирать по параметрам с высокой точностью, либо использовать согласованные пары изготовленные в едином кристалле. Это связано с тем, что напряжение отсечки и ток насыщения зависят от разброса толщины канала намного больше, чем ток насыщения и коэффициент усиления по току для биполярного транзистора от толщины его базы. Важным недостатком ДК на полевых транзисторах является невозможность применения достаточно простой компенсации сдвига уровня и температурного коэффициента. Как правило требуется индивидуальная подгонка и применение прецизионных резисторов (в случае согласованной пары).

17. Операционные усилители. Классификация. Свойства и характеристики.

Операционными усилителями называют усилители постоянного тока с большим коэффициентом усиления, имеющие дифференциальный вход и один выход, предназначенные для работы с глубокой отрицательной обратной связью.

Первоначально использовались для выполнения различных алгебраических и других операций над аналоговыми величинами, откуда и пошло их название. Сейчас, благодаря интегральным микросхемам, операционные усилители (ОУ) широко используются в различных схемах обработки аналоговых сигналов: усилителях постоянного и переменного тока, генераторах, активных фильтрах, компараторах, стабилизаторах напряжения и тока и т.п. ОУ является наиболее распространенным элементом аналоговой электроники, что можно объяснить его универсальность.

Условное обозначение ОУ приведено на рис. 2.47. Усилитель имеет два входа (инвертирующий и неинвертирующий) или, что одно и тоже, — дифференциальный вход и один выход. В дальнейшем будем заниматься только интегральными ОУ. Они обычно строятся по структурной схеме, приведенной на рис. 2.48. Такая схема сложнее, чем у ранее рассмотренных простейших УПТ. Основа интегрального ОУ — дифференциальный входной каскад со стабилизатором тока. Hа выходе ОУ для уменьшения выходного сопротивления ставится эмиттерный повторитель. Между ними может быть 1, 2 или 3 каскада усиления напряжения. Структура, как правило, содержит схему сдвига постоянного уровня, необходимую для компенсации смешения (балансировки усилителя). В состав ОУ может входить встроенный стабилизатор напряжения, элементы температурной стабилизации и элементы формирования требуемой частоты характеристики (так называемые цепи коррекции).

Обычно схема строится на n-p-n биполярных транзисторах, но на входе могут быть установлены полевые транзисторы для увеличения входного сопротивления и уменьшение входных токов. Вместо пассивных резисторов используется динамическая нагрузка, т.е. сопротивление нагрузочных транзисторов.

В большинстве случаев ОУ работает с двумя источниками питания.

Идеальный ОУ должен обладать бесконечным коэффициентом усиления, полосой пропускания и входным сопротивлением, а также нулевыми выходным сопротивлением и напряжением смещения нуля:

при .

Реальные параметры ОУ стремятся к идеальным.

Рассмотрим основные параметры и характеристики операционных усилителей:

1. Передаточная (амплитудная) характеристика. Представляется в виде двух кривых, одна из которых относится к инвертирующему, а другая — к неинвертирующему входам (рис. 2.49). Характеристику снимают при изменении сигнала на одном входе и нулевом сигнале на другом. Максимальное значение выходного сигнала почти достигает величины напряжений питания +Е и – Е. Наклонному участку соответствует режим пропорционального усиления, при этом угол наклона определяет K_Uоу.

2. Коэффициент усиления. Определяется как отношение приращения выходного сигнала к приращению входного:

В лучших образцах интегральных ОУ коэффициент усиления достигает величины сотен тысяч. Однако величина K_Uоу подвержена влиянию изменения температуры, напряжения питания, сопротивления нагрузки. ОУ почти не используется без отрицательной обратной связи. Большое значение K_Uоу позволяет охватить ОУ глубокой отрицательной обратной связью. При этом достигается высокая стабильность схем, параметры которых зависят только от параметров цепи ОС и практически не зависят от K_Uоу.

3. Входное сопротивление. В зависимости от способа подачи входного сигнала различают дифференциальное входное сопротивление и сопротивление для синфазных сигналов. Дифференциальное входное сопротивление — это сопротивление для входного сигнала, приложенного между двумя входами ОУ. Оно составляет от единиц килоом до мегаом в зависимости от типа микросхемы. Синфазное входное сопротивление — это сопротивление для сигнала, приложенного одновременно к обоим входам относительно общего провода. Определяется между замкнутыми входами и обшей точкой. Оно очень велико, порядка десятков мегаом.

4. Выходное сопротивление. Это сопротивление схемы, измеренное со стороны нагрузки. Оно определяет максимальное значение выходною тока и находится в пределах от десятков Ом до единиц килоом.

Иногда в технической документации на ОУ указывается минимально допустимое значение сопротивления нагрузки.

5. Максимальное дифференциальное входное напряжение U_вхm уровень входного сигнала для предотвращения повреждения входных транзисторов. Во многих ОУ на входе стоят встречно-параллельные защитные стабилитроны или диоды. Любой ОУ не допускает подачу на вход сигналов, амплитуда которых превышает величину напряжения питания.

6. Напряжение смещения (нуля) это напряжение, которое надо подать на вход ОУ, чтобы установить нулевое значение выходного напряжения. Основная причина смещения — разбаланс входного каскада. Типичное значение U_см для ОУ широкого применения составляет 10–50 мВ при температурном дрейфе 5–100 мкВ на 1°С. Специальные ОУ с преобразованием имеют U_см, порядка 0.05 мВ и температурный дрейф 0,5 мкВ на 1°С.

7. Входной ток. Определяется входным сопротивлением. В зависимости от конструкции входного каскада может изменяться от 0.1 мА до 10 мкА при температурном дрейфе 1–40 нА на 1°С.

Разность входных токов по обоим входам DI_вх находится в пределах от 0,1 нА до 1 мкА.

Эти токи надо учитывать, если в цепь входов ОУ включаются резисторы (рис. 2.50). Входные токи вызывают падение напряжения на транзисторах. Эти падения могут быть разными как из-за неравенства I_вх1 и I_вх2, так и из-за неравенства сопротивлений резисторов R₁, R₁, что приведет к разбалансу ОУ. Поэтому надо стремиться к выравниванию сопротивлений между обоими входами и общим проводом.

Балансировку ОУ осуществляют при помощи специального потенциометра, включенного к балансировочному входу ОУ или подачей компенсирующего напряжения на один из входов.

8. Коэффициент подавления синфазных сигналов (К_ОСС) отображает степень подавления совпадающих по фазе сигналов на обоих входах. В идеале, при приложении к обоим входам одного и того же напряжения, выходное напряжение меняться не должно. Реально, из-за не полной симметричности плеч входного дифференциального каскада, выходное напряжение все же немного изменяется. К_ОСС в серийных ОУ находится на уровне 60-110 дБ.

9. Полоса пропускания ОУ характеризуется частотной характеристикой (рис. 2.51). Частота f_ср на которой начинается завал усиления называется частотой среза. Высокая частота f_в на которой коэффициент усиления уменьшается в  раз, называется верхней граничной частотой. В справочниках чаще всего указывают частоту f₁ единичного усиления, на которой усиление ОУ падает до 1 (усиление сигнала прекращается). Обычно f₁ находится в пределах 0,1–1,0 МГц, а в быстродействующих ОУ может достигать значения 10–15 МГц.

10. Ток потребления I_п. Характеризует потребление энергии от источника питания. В ОУ широкого применения имеет значение 5–15 мА, но специальные микромощные ОУ могут иметь I_п не более 0,2 мА (микросхема К140УД5).

11. Напряжение питания характеризуется номинальным значением, а также допустимыми минимальным и максимальным значениями, при которых сохраняется работоспособность микросхемы.

12. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения. Определяет реакцию ОУ на скачкообразное изменение входного напряжения (рис. 2.52). Значение V_и может находиться в пределах от 0,1 до 150 В/мкс. Временем установления выходного напряжения t_уст называется время, в течение которого U_вых возрастает от 0,1 до 0,9 максимальной значения.

Некоторые ОУ имеют выходы коррекции, позволяющие повысить быстродействие микросхемы, однако надо иметь в виду, что это приводит к снижению устойчивости, к самовозбуждению.

Организация обратных связей в ОУ показана на рис. 2.53. В большинстве случаев используется параллельная отрицательная обратная связь по напряжению (рис. 2.53, а). При этом сигнал обратной связи с выхода ОУ подается на инвертирующий вход. На этот же вход подается сигнал, если требуется усиление с инвертированием фазы. Если же инвертирование фазы не нужно, то сигнал подается на неинвертирующий вход.

При последовательной отрицательной обратной связи по напряжению (рис. 2.53,б) величина обратной связи определяется выражением:

Классификация операционных усилителей.Большинство ОУ являются ОУ широкого применения. Параметры таких усилителей обеспечивают их универсальность для большинства возможных применений в электронных схемах:K_U = 1 × 10³ – 50 × 10³; e_см = 2–20 мВ; I_вх = 8 мкА – 1 мА; f₁=0,3–5,0 МГц; K_ОСС = 60–80 дБ.

Для создания измерительных устройств, работающих с очень слабыми сигналами на фоне синфазных и температурных помех, применяются прецизионные ОУ. Они обладают большим усилением, малыми входными токами и смещением нуля, повышенной температурной стабильностью и лучшим подавлением синфазных сигналов: K_U = 2 × 10⁵ – 10 × 10⁵; e_см = 0,05–1,0 мВ; I_вх = 0,5 – 100 нА; K_ОСС=90–100 дБ.

Быстродействующие ОУ характеризуются высокими значениями частоты единичного усиления (f₁ = 10–15 мГц) и скорости нарастания выходного напряжения (V_{U вых} = 20–150В/мкс).

Микромощные ОУ имеют малое потребление тока от источников питания (доли мА) и могут работать при низком напряжении. Но следует иметь в виду, что быстродействие таких ОУ не велико.

Мощные ОУ могут работать с токами нагрузки до 1 A, а высоковольтные ОУ работают при напряжении питания 20–28 B, соответственно формируя высокое выходное напряжение.

Выбор операционного усилителя производится в зависимости от условий его работы в конкретной схеме и в конкретных условиях. Усилителя, обладающего наилучшими возможными значениями всех основных параметров (усиление, быстродействие, входное сопротивление, смешение нуля и его дрейф) не существует.

18. Усилители мощности: эмиттерный повторитель, однотактный трансформаторный усилитель мощности, двухтактный бестрансформаторный усилитель мощности.

Усилители мощностиобычно являются выходными (оконечными) каскадами, к которым подключается внешняя нагрузка, и предназначены для получения в нагрузке требуемой мощности.

Каскады усиления мощности разнообразны и могут выполняться на биполярных и полевых транзисторах, включенных по схеме ОБ, ОЭ, ОК, ОИ, ОС. По способу подключения нагрузки усилительные каскады могут быть

1. трансформаторными,где согласование с нагрузкой производится через выходной трансформатор;

2. бестрансформаторными, где нагрузка гармонически соединена с цепью выходных транзисторов.

Важным параметром является используемый в каскаде класс усиления. Если входной сигнал является импульсным, то используют класс усиления Д. Если входной сигнал меняется по гармоническому закону, то применяют классы усиления А, В и АВ, отличающиеся положением точки покоя на линии нагрузки по постоянному току. Рассмотрим особенности указанных классов на примере коллекторных характеристик транзистора ОЭ (рис.10.1.).

В режиме класса Авыбор точки покоя Р_А производят так, чтобы рабочая точка при движении по линии нагрузки не заходила в нелинейную рабочую область коллекторных характеристик и в область отсечки коллекторного тока. Режим класса А используется в так называемых однотактных каскадахусиления мощности. Каскады усиления мощности класса А обеспечивают наименьшие искажения выходного сигнала, но имеют наименьший КПД.

В режиме класса Вточка покоя Р_В располагается в крайней правой части линии нагрузки каскада по постоянному току. При отсутствии входного сигнала напряжение U_БЭ= 0. При наличии входного сигнала ток коллектора транзистора протекает только в течение одного полупериода, а в течение другого транзистор работает в режиме отсечки тока. В режиме класса В усилитель мощности выполняют по двухтактной схемес использованием двух транзисторов. Каждый транзистор служит для усиления соответствующей полуволны входного сигнала. Двухтактный каскад при этом обладает более высоким КПД и применяется при более высоких мощностях, чем однотактный.

Режим класса АВзанимает промежуточное положение между режимами классов А и В. Он позволяет существенно уменьшить нелинейные искажения выходного сигнала, которые сильно проявляются в режиме класса В. Это достигается некоторым смещением точки покоя вверх относительно точки Р_В.

Эмиттерный повторитель — частный случай повторителей напряжения на основе биполярного транзистора. Характеризуется высоким усилением по току и коэффициентом передачи по напряжению, близким к единице. При этом входное сопротивление относительно велико (однако оно меньше, чем входное сопротивление истокового повторителя), а выходное — мало.

В эмиттерном повторителе используется схема включения транзистора с общим коллектором (ОК). То есть напряжение питания подаётся на коллектор, входной сигнал подаётся на базу, а выходной сигнал снимается с эмиттера. В результате чего образуется 100 % отрицательная обратная связь по напряжению, что позволяет значительно уменьшить нелинейные искажения, возникающие при работе. Следует также отметить, что фазы входного и выходного сигнала совпадают. Такая схема включения используется для построения входных усилителей, в случае если выходное сопротивление источника велико, и как буферный усилитель, а также в качестве выходных каскадов усилителей мощности.

I _вх = I _б

I _вых = I _э

U _вх = U _бэ + U _Rэ

U _вых = U _Rэ

-Коэффициентусиленияпотоку:

I_вых/I_вх = I_э/I_б = I_э/(I_э-I_к) = 1/(1-α) = β [β>>1]

-Коэффициент усиления по напряжению:

Достоинства:

• Большое входное сопротивление
• Малое выходное сопротивление

Недостатки: