Главная Движение носителей электрических зарядов



Для компенсации дрейфа нуля, возникающего за счет изменения температуры, применяют специальные термокомпенсационные схемы, а на входе усилителя - дифференциальные каскады. Иногда усилитель предварительно прогревают, чтобы все его элементы к началу работы имели постоянную температуру, реже - термостатируют. Для исключения дрейфа, являющегося следствием нестабильности источников питания, последние стабилизируют с помощью электронных, магнитных и других стабилизаторов. УПТ не содержат элементов, которые не поддаются микроминиатюризации, поэтому в основном выполняются в виде гибридных и полупроводниковых интегральных микросхем. Усилители могут быть однотактными и двухтактными (дифференциальными). В настоящее время усилители постоянного тока вьшолняют по дифференциальной схеме.

§ 18.13. Дифференциальные усилители

По структуре дифференциальные усилители (ДУ) являются усилителями постоянного тока. В микроэлектронике они являются одним из универсальных элементов линейных интегральных микросхем. Другое название их - параллельно-балансные каскады. Их используют с целью обеспечения значительного снижения дрейфа нуля в усилителях постоянного тока.

Принцип работы балансной схемы можно пояснить на примере четырехплечего моста, показанного на рис. 18.24. Если выполняется условие R1/R2 = R4./R3, т.е. мост сбалансирован, то в нагрузочном сопротивлении R„ ток равен нулю. Баланс не нарушится и в том случае, если будут изменяться напряжение Е и сопротивления резисторов плеч моста, но при условии, что соотношение между сопротивлениями резисторов сохраняется.

На рис. 18.25 представлена схема простейшего дифференциального каскада. Нетрудно убедиться, что она аналогична схеме рис. 18.24, если резисторы i?2 и R3 заменить транзисторами и Г2 и считать, чго Rl = а i?4 = jRk2- Сопротивления резисторов /?к1 и /?к2 выбирают


o-t-f

Рис. 18.24 13 А. Г. Морозов


8x1 й;?/

Рис. 18.25



равными, а транзисторы и Гг - с идентичными характеристиками. Tf §Том случае схема симметрична.

Как и в случае четырехплечего моста (см. рис. 18.24), в отсутствие сигнала напряжение на выходе С/выхп равно нулю, так как токи и потенциалы коллекторов транзисторов Tj и Гг равны. Поскольку схема симметрична, всякое изменение характеристик транзисторов (за счет изменения температуры или из-за старения) вызовет одинаковое изменение токов в обоих плечах, поэтому разбаланса схемы не произойдет и дрейф выходного напряжения будет практически равен нулю.

Рассмотрим, как изменится состояние цепи при подаче на входы / и 2 сигналов: равных по значению и однофазных (синфазных); равных по значению, но с противоположными фазами (дифференциальных).

На вход ДУ поданы синфазные сигналы. Потенциалы баз транзисторов Ti и Гг изменятся на AUi = А[/б2 = fBxi = вх2- На это же значение изменятся потенциалы эмиттеров. Ток через резистор поровну распределится между плечами ДУ, и потенциалы коллекторов изменятся на одно и то же значение. Напряжение на выходе будет равно нулю ([/ых 12 = 0). Таким образом, идеально сшметричный ДУ не пропускает на выход синфазный сигнал.

На вход ДУ поданы дифференциальные сигналы 1/bxi I = I [/вх2 !• Входное напряжение между точками 1 w. 2 будет равно разности этих сигналов С/вхп = bxi - С/вх2- Поскольку схема симметрична, часть напряжения, равная [/вх12/2, приложится к эмиттерному переходу одного транзистора (со знаком плюс), а другая часть - к эмиттерному переходу другого транзистора (со знаком минус). Потенциал эмиттера одного транзистора увеличься, а другого уменьшится на [/вх12/2 соответственно, приращения токов в плечах схемы будут одинаковы, но иметь разные знаки. Потенциал коллектора одного транзистора увеличится, а другого уменьшится на одно и то же значение. На выходе схемы между точками а и б появится разность потенциалов, а следовательно, выходное напряжение [/выхп = Свых! ~ С/бых2-

Таким образом, дифференциальный сигнал, поданный на вход ДУ, вызывает появление усиленного сигнала на выходе. Поскольку рассмотренный тип усилителей реагирует только на дифференциальный сигнал, его называют дифференциальным усилителем.

В идеальных ДУ за счет подавления синфазного сигнала дрейфа нуля не существует, так как напряжение дрейфа обоих плеч является синфазным сигналом для симметричных цепей ДУ. Помехи и наводки, действующие одновременно на оба входа, часто являются синфазными составляющими входного сигнала, но, поскольку абсолютная симметрия плеч ДУ практически невозможна, полностью подавить синфазную составляющую входного сигнала не удается; в реальных ДУ дрейф нуля существует, но он очень незначителен по сравнению с дифференциальным (полезным) сигналом.

Коэффициент усиления дифференциального сигнала при идеальной симметрии схемы, когда отсутствует синфазная составляющая входного сигнала,



где выходное напряжение [/„жп = Свых! - еь,х2-

В реальном ДУ в присутствии синфазной составляющей сигнала

С/вь,х12 = л(Свх1 - С/вх2) + с (18.31)

где Ке = ---- - коэффициент усиления синфазного сигнала,

(lBxl + 1/вх2)/2

когда дифференциальный сигнал отсутствует.

Качество дифференциального усилт-еля оценивают коэффициентом подавления синфазного сигнала

п.с.с = д/с- (18.32)

ДУ считается хорошим, если jKn.cc > Ю* или 80-100 дБ.

Отметим, что, поскольку в основе работы ДУ лежит идеальная симметричность его плеч, а выполнить это практически возможно только при микроэлектронном исполнении, наиболее широко ДУ используются в интегральных микросхемах. В ИМС элементы расположены настолько близко (на расстоянии нескольких десятков микрометров), что обеспечивает идентичность параметров элементов схемы.

§ 18,14. Операционные усилители

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель постоянного тока с дифференциальным входным каскадом, с очень высоким и стабильным коэффициентом усиления (от 1000 до 100000), широкой полосой пропускания (/ = 10 -4- 100 МГц), высоким входным сопротивлением (/?вх > 10 кОм), малым выходным сопротивлением (/?вых Ом), малым дрейфом нуля, высоким коэффициентом подавления синфазных сигналов, несимметричным выходом. Таким образом, под термином «операционный усилитель» понимают высококачественный универсальный усилитель.

Условное обозначение ОУ показано на рис. 18.26, а, а его амплитудная характеристика - на рис. 18.26,6.

Вход 1, обозначенный знаком плюс на рис. 18.26, а, называют неинеертирующим (прямым), так как сигнал на выходе и сигнал на этом входе имеют одинаковую полярность. Вход 2, обозначенный знаком Минус, называют инвертирующим, так как сигнал на выходе по отношению к сигналу на этом входе имеет противоположную полярность. На рис. 18.26,е показана принципиальная схема ОУ. Питание осуществляется от двух последовательно включенных источников, напряжения которых одинаковы, но знаки относительно заземленной точ1си разные. Этим обеспечивается нулевой сигнал на выходе в отсутствие входного сигнала и возможность получить выходной сигнал или положительной, или отрицательной полярности. Сигнал можно подавать от симметричного источника сигнала, соединенного с общим проводом,

13* 387



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 [127] 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148


0.0366