Операционные усилители.

Обратные связи в усилителях. Под обратной связью в усилителях будем понимать передачу части выходного сигнала обратно на вход усилителя.

Внутренняя ОС обусловлена, как правило, паразитными влияниями в устройстве. Это может б сопротивление потерь и утечек, различные поля рассеивания. Такая ОС образуется при изготовлении устройства и её невозможно полностью исключить. Может привести к самовозбуждению устройства.

Внешняя ОС создается специально внешними 4-х полюсниками. Её параметрами можно варьировать. В зависимости от способа подсоединения 4-х полюсника ОС различают: последовательную по напряжению, параллельную по напряжению, параллельную по току и последовательную по току.

На практике чаще используют последовательную по напряжению ОС. В этом случае выходное напряжение U_c поступает на вход 4-х полюсника ОС, а напряжение с его выхода вводится последовательно входным напряжением. Рассмотрим этот вид ОС более подробно. Пусть К– коэф. передачи усилителя, а - четырехполюсника ОС. Тогда

s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _вых = Кs w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _вх , s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _ос = s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _вых , s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _ус =s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _вх + s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _ос = s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _вх + s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _вых или s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _вых = (s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _вх + s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _вых), поделив на s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> _вх, получим =

Различают отрицательную и положительную ОС. Примером усилителя со стопроцентной ООС является каскад с ОК (эмитторный повторитель). Для него =1, K ≈ - SR_э тогда K_ок= .

Известно, что с ростом температуры I_к и I_э существенно изменяются (~ 0,2 мA/ ). Если учесть, что температура внутри корпуса может изменятся от +10 до +60 , то ток I_к может достигать значений более 0,2 ≈ 10 мA. Это может полностью закрыть транзистор или вывести его в область насыщения, т.е. температурная нестабильность полупроводниковых приборов – существенная проблема. Для уменьшения её используют ООС с помощью R_э, а для уменьшения влияния ООС на коэффициент усиления по ~ току R_э блокируют конденсатором. Если блокировать только часть R_э, то не блокированную часть R_э можно использовать для установки.

Операционный усилитель (ОУ) – это усилитель, имеющий большой коэффициент усиления K_u, два входа (инвертирующий и неинвертирующий) и, как правило, один выход. Для идеального усилителя K_u ,

R_вх , R_вых полоса усиливаемых частот от 0 (постоянный ток) до . Технически удовлетворить все эти требования невозможно. Современные ОУ имеют K_u ≈ 10⁷ , R_вх ≈ 10⁷Ом , R_вых ≈ 10² ÷ 10³ , верхняя частота усиления порядка МГц.

Напряжение на выходе ОУ рассчитывается по формуле U_вых = K₀(U₊ - U_-) , где U₊ – напряжение на неинвертирующем входе, а U_- – напряжение на инвертирующем входе.

Схемотехника ОУ обуславливается требованиями к его высокими параметрами. Кроме рассматриваемых ранее схем усиления (ОК, ОЭ, ОБ) в схемах ОУ используются несколько специальных схем.

Наиболее простая схема это источник тока. Напряжение с делителя R, VD открывает эмитерный переход. Из выходных ВАХ транзистора известно, что ток коллектора i зависит от подключаемой нагрузки (ВАХ почти горизонтальна), т.е. эта схема близка к идеальному источнику тока с R_вых= ; т.к. часть делителя образована VD , свойства которого близки к свойствам перехода «база – эмиттер» транзистора VT, то температурные воздействия на диод и транзистор взаимно компенсируются.

Схема токового зеркала предназначена для передачи тока из одной части схемы в другую. Транзистор VT₁ используется в диодном включении. Его коллекторный ток i₁ определяется напряжением на базе. Так как транзисторы VT₁ и VT₂ идентичны и на базах одно и тоже, то входной ток i₁ равен выходному i₂. Для нормальной работы схемы необходимо на коллекторы VT₁ и VT₂ подавать положительное напряжение.

Для получения большого коэффициента усиления в ОУ используют составные транзисторы. Если коэффициенты передачи тока базы транзисторов и соответственно, то результирующий коэффициент будет равен . Например, если и , то следовательно, составной транзистор позволяет получить большой и соответственно больший коэффициент усиления по мощности, что в свою очередь, требует меньшей мощности сигнала управления.

Важнейшей составляющей частью операционного усилителя является дифференциальный усилитель (ДУ), простейшая схема которого представлена на рисунке. Усилитель собран на двух идентичных транзисторах, имеющих сопротивление нагрузки R₁ и R₂, с помощью R_э задаются начальные токи i_э и i_к . Если входные токи i_Б1 и i_Б2 равны или отсутствуют, то токи коллекторов будут равны и выходное напряжение, равное разности потенциалов на коллекторах будет равно 0. Следовательно, синфазные сигналы в ДУ не усиливаются. Этим же объясняется и высокая температурная стабильность ДУ.

Если на вход подать дифференциальный сигнал, то один из транзисторов будет приоткрываться, а другой подзакрываться. Токи коллекторов изменятся на величину , где S – крутизна транзисторов (S= ), U_D дифференциальное напряжение. Между коллекторами возникает разность потенциалов , если R₁ = R₂, то получим U_вых = SR₁U_D, т.е. коэффициент усиления дифференциального сигнала равен K_D = SR₁.

Для увеличения коэффициента усиления вместо R₁ и R₂ в ДУ используют токовое зеркало, а в цепь эмиттеров вместо R_э включают источник тока.

Упрощенную схему современного операционного усилителя можно представить в виде:

ОУ содержит ДУ, выполненной на T1 , T2 . Эмиттерные токи ДУ задает источник тока I_э. Нагрузка ДУ выполнено на T3 , T4 (токовое зеркало). Транзисторы T5, T6 образуют составной транзистор. Благодаря токовому зеркалу переменный входной ток составного транзистора равен сумме переменных токов коллекторов транзисторов ДУ.

Нагрузкой составного транзистора T5, T6 является источник тока на T7. Транзисторы T8, T9 включены по схеме с ОК (эмитторный повторитель).

В рассматриваемом ОУ К₁ > 200, K₂ > 200, K_э ≈ 1, т.е. общий коэффициент усиления К₀ = К₁, К₂К_э > 40000.

Пусть U_вх2 > 0, T2 подзакрывается, его ток коллектора уменьшается следовательно уменьшается ток базы T5, T6. Напряжение на коллекторе T5, T6 увеличивается и это увеличение передается с помощью эмиттерных повторителей на выход ОУ. Т.е. вход 2 является неинвертирующим.

Пусть U_вх1 > 0, Т1 подзакрываются, его ток коллектора уменьшится и через токовое зеркало уменьшит ток Т4. Т.к. большая часть тока коллектора Т2 будет поступать на вход Т5, Т6 – ток базы увеличится и напряжения на коллекторе Т5, Т6 уменьшится. Напряжение на выходе ОУ уменьшится. Т.е. вход 1 является инвертирующим.

Это позволяет на основе ОУ строить инвертирующие и не инвертирующие усилители.

Резисторы R1 и R_ос образуют цепь последовательной отрицательной ОС по напряжению следовательно , т.к. = , то , т.к. >>1

получим .

Если источник сигнала имеет внутреннее сопротивление R_вн ≈ 0, то коэффициент передачи цепи ОС в этой схеме будет такой же как в схеме не инвертирующего усилителя, однако здесь сигнал подается на инвертирующий вход и ослабляется в раз. Следовательно, для инвертирующего усилителя