Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника (2000) (1095415), страница 54
Текст из файла (страница 54)
В настоящее время разработано большое чнсло АИС как об щего, так н специального назначения, К ннм, в первую очередь, следует отнести АИС усилителей постоянного тока (операционных усилителей), схем сравнения (компараторов), нсточннков питания (непрерывных стабнлкзаторов напряжения). Большую группу составляют специализированные АЙС, предназначенныс для построенкя бытовой аппаратуры. Здесь можно выделить АИС, предназначенные для звуковоспронзводящей н раднопрнемной аппаратуры, а танже аппаратуры магнитной запнск, Однако, несмотря на различие используемой элементной базы, функпнонального назначения н технологнн нзготовленкя основой большннства нз ннх является схемотехннка дифференцнального уснлнтеля постоянного тока.
Днфференцнальный уснлнтель в настоящее время по существу является основным сиемотехннческнм элементом со. временной интегральной аналоговой электроники. Именно по этой причине интегральные уснлнтели постоянного тока являются наиболее массовым тнпом АИС. Ннже, не претендуя на полноту нзложення, остановимся на основных параметрах, особенностях построения и функцноннровання нанболее распространенной аналоговой ИС вЂ” операцнокком уснлнтеле. 272 Операционный Усилитель (ОУ) — унифицированный ьикпока .
кадный усилитель постоянного тока, удовлетворяющий слсдуюнц|м требованиям к электрическим параметрам: коэффициент усиления по напряжению стремится к бесконеч. ности (Ке- оь)' входное сопротивление стремится к бесконечности ()г„- ео); выходное сопротивление стремится к нулю (еГ ; ®; если входное напряжение равно нулю, то выходное напряжение ~анже равно нулю ((7., 0- (7®~„=0); бесконечная полос» уснлнваемых частот (7',-ь со).
История названия операционного усилителя связана с тем, что подобные усилители постоянного тока использовались в аналоговой вычислительной технике для реарнзацнн различных математических операций, например суммирования, интегрирования к др. В настоящее время эти функции хотя н ие утратили своего значения, однако составляют лишь малую часть списка возможных прнмененяй ОУ. Являясь, по существу, идеальным усилительным элементом, ОУ составляет основу всей аналоговой электроники. что стало возможным в результате достижений современной микроэлектроники, позволившей реализовать достаточно сложную структуру ОУ в интегральном исполнении на одном кристалле н наладнть массовый выпуск подобных устройств, Все это позволяет рассматривать ОУ в качестве простейшего элемента электронных схем подобно диоду, транзистору н т.
п. Следует отметить, что на практике нн одно нз перечисленных выше требований к ОУ не может быть удовлетворено полностью. Достоверность допущений об идеальности свойств в каждом конкретном случае подтверждается сопос1авленнем реальных параметров ОУ н требований к разрабатываемым электронным средствам (ЭС). Так, если требуется разработать усилитель с коэффициентом усиления !О, то стандартный ОУ с ьоэффнцнентом усиления 25000, ьак будет показано в дальнейшем, можно рассматривать для этого случая как идеальный. 7Л. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ОНЕРАЦНОННОГО УСНЛНТЕЛЯ Операционный усилитель — это аналоговая интегральная схема, снабженная, как минимум, пятью выводамп.
Ее условное графическое изображение приведено на рис. 7.!. Два вывода ОУ, нспользуются в качестве входных, один вывод является выходным, два оставшихся вывода нспользуются для подключения источника питания ОУ. С учетом фазовых соотношений входного н выходного сигналов одни нз входных выводов (вход 1) называется неннвертярующям, а другой (вход 2) — ннвертнрующнм. Выходное на- 27$ Рнс 7Л.
Услонное графическое иаоарахгенне ОУ пражские (7,„„связано с входными напряжениями (7ях~ и (у„а соот. ношением К Кис ((7м» вЂ” Уз ах. (7.1) где Кис — собственный коэффициент усиления ОУ по напряжению. Из приведенного выражения следует, что ОУ воспрянимает только разность входных иапряженпй, называемую дифференциальным входным сигналом, н нечувствителен к любой составляющей входного напряжения, воздействующей одновременно на оба его входа (сннфазный входной сигнал1. Как было отмечено ранее, Коа в ОУ должен стремиться к бесконечности, однако иа практике он ограничивается значением 10а... 10' нли 100 ...
120 дБ. В качестве источника питания ОУ используют двухполярный источник напряжения (+ń— Ея), Средний вывод этого источника, как правило, является общей шиной для входных и вмходных сигналов и в большинстве случаев не нодилюнается к ОУ. В реальных ОУ напряжение питаниялежитвдиапазоне +ЗВ... ...й 18 В. Использование нсточняка питания со средней точкой предполагает возможность изменения не только уровня, ио н полярности как входного, так и выходного напряжений ОУ. Реальные ОУ обычно снабжаются большим числом выводов.
которые используются для подключения внешних цепей частотной коррекции, формирующих требуемый вид ЛАЧХ усилителя. Реализация перечисленных выше требований к электрическим параметрам ОУ невозможна на основе 'схемы одиокаскадного усилителя. Поэтому реальные ОУ строятся на основе двух- или трех- каскадных усилителей постоянного тока. Функциональная схема трехкаскадного ОУ приведена иа рис.
7.2. Она нилючает в себя входной, согласующий н выходной 'к«В«ар В ажигнаат«7 В аВ и7 ил «ассад «ас«ая «нс«аг Ркс Г 2. Структурная схема трехкасиалного ОУ 274 каскады усиленна. Анализ электрических параметрны Оу нонавы паст, что нх практическая реалнзацня предполагает нспольынгяние в качестве входного каскада ОУ днфференцнального усплыпль инго каскада, что позволяет максимально уменьшить вслпчнну дрейфа уснлителя, получнть достаточно высокое уснленне, обстпг чыть получение максимально высокого входного сопротнвлецыя и максимально подавить денствукицне на входе сннфазные составляющие, обусловленные изменением температуры окружающей среды, изменением напряженая питания, старением элементов н т. и.
Согласующнй каскад служнт для согласовання выходного сигнала днфференцнального уснлнтеля с выходным каскадом ОУ, беспечнвая необходимое усиленпе снгнала по току н капряжеыню, а также согласование фаз сигналов. Выходной каскад, который, как правила, выполняется по двухтактной схеме, обеспечивает требуемое усиление снгпала по мощиастн. На рнс, Т,З приведена упрощенная прынцяпыальная электрическая схема ОУ. Первый каскад устройства выполнен на днфференцпальном усилителе (транзнсторы УТТ н УТ2), в котором для ~адамия эмнттерного тока транзисторов использована схема «токового зеркала» на транзисторах МТЗ н УТ4.
Для уменьшения мощыостн, рассенваемой в усилктеле, резистор смещення Я, «токового зеркала» питается от одного ысточника пнтання ОУ. Резисторы Я,1 и Рм', обеспечнвая введение в цепь каждого транзистора днффе- Рис 1.3. уарежеккее скек» треккескехиоГе Оу ренцнального каскада местной последовательной ООС по току нагрузки, увеличивают входное сопротивление усилителя. Согласующий каскад усилителя также выполнен с использованием дифференциального каскада (транзисторы УТ5 и УТ6), на выходе которого подкгпоч и каскад по схеме с общим эмиттером (УТ7).
Особенностями этого каскада являются использование и дифференциальном усилителе транзисторов, ироводнмость кото. рых противоположна пооводпмостн транзисторов входного каскада, и применение несимметричного выхода. Вследствие этого нагрузочный резистор в коллскторной цепи транзистора УТб отсутствует. Режим по постоянному току в каскаде на транзисторе УТ7 стабилизируется введением цепи последовательной ООС по току нагрузки. Резистор Я,з является нагрузочным для каскада иа транзисторе УТ7. В выходном каскаде усилителя использована схема двухтактного усилителя ьюшностн, работающего в классе АВ.
Необходимое для этого начальное смещение задается диодамн У01 и П)2. Эти же диоды обеспечивают температурную стабилизацию режима покоя выходного усилителя. Эмиттерные резисторы Р,~ и )(,~ обес. печивают согласование параметров комплементарной пары трап.
знсторов выходного каскада ОУ и ограничивают его максималь. ный выходной ток. Схема усилителя, приведенная на рис. 7.3, снабжена тремя выводами для подключения двухполярного источника питания, выходным выводом, выводом для подключения внешней коррекции (Г„р и двумя входными выводами. цепь внешней коррекции позволяет требуемым образом изменять частотную характеристику усилителя, что важно при введении в него различных цепей обратной связи.
Следует отметить, что цепи коррекции часто встраиваются непосредственно в усилитель. Как уже отмечалось, применение двух источников питания при подключении нагрузки к их обшей точке позволяет формировать на выходе двухполярное напряжение. Следовательно, передаточная характеристика усилителя расположена в двух квадрантах, На рис, 7.4,а,б приведены передаточные характеристики ОУ соответственно для неинвертнруюшего н инвертирующего входов. Из этих характеристик следует, что максимальное выходное напряжение ОУ (У,,м,4 всегда меньше напряжения питания.
Как было показано в $ 6.3, зто является следствием использования в двухтактном усилителе мощности транзисторов, внлючеиных по схеме с общим коллектором. Волее простой является схема двухкаскадного ОУ, из которой исключен согласующий каскад, поэтому необходимый Ко0 обеспечивается как входным дифференциальным, так и выходным кас кадами. Практическая реализация такого решения наталкиваете~ 276 -и„ 4 -И> н) Рис. 74. Передаточные харантернстнхн ОУ по неннаертнрующему (о» н ннаер. тнрующему (б) ахоаам Рис. 7.$, Упрощенная схема дауххасхадного ОУ па трудности, связанные с тем, что входное сопротивление дифференциального каскада обратно пропорционально суммарному эмитгерному току его транзисторов, в то время как значение Кдо прямо пропорционально этому току.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
