Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы (1988) (1095417), страница 73
Текст из файла (страница 73)
б у показана зависимость ширины полосы пропусканпя при ма(,с». мальной мощное~и от максимального выходного напряжения у о (мАх) (по обеим осям масштаб логарифмический). 6.2. Примеры расчета сх(.м ОУ Рассмотрим схему ОУ на рис. 6.8.Схема состоит из двух каскадов усиления Дарлингтона и двухтактпого выходного каскада эмиттерного повторителя. Первый каскад усиления состоит из дифферецциальн(мо усилителя яа паре транзисторов С/) и для смещения которого используется источник тока, выполиепьый на транзисторах ())а н 0)в, а нагрузкой этого усилителя являя,тся схема токового зеркала (Ов и ()л) и выходной транзистор сле,((к)- щего каскада ® Второй каскад выполнен по схеме составного транзистора Дар. лингтона, в которой О, — эмнттерпый повторитель (т. е, вклк,ч;и по схеме с общим коллектором), а Я, включен по схеме с общим эмнттером.
Этот каскад имеет активную нагрузку в виде источи(:ка тока на транзисторе (,))4 (смещение для него задается транзисть(»)м и резистором //() и управляет транзисторами выход( ого каскада. Выходной каскад является комплементарпой двухтактной схемой эмцттерного повторителя, содержащей эмиттерный поят)1 и- тель на составных транзисторах прп-типа (Я„и (',),), обеспечи(.з(ощих выдачу тока в нагрузку и, следовательно, работающих пвв положительной полуволне выходного напряжения, и эмнттерного повторителя на паре Дарлингтона рпр-тнпа ((',))в и (',))(), обсе" печнвающего протекание тока из нагрузки в схему и, следова.
тельно, работающего при отрицательной полуволне выходпо(о напряжения. Предположим, что все однотипные транзисторы иденти|пп) тогда в состоании покоЯ (т. е. о( = пв, — ов, = 0) можно запн сать /с, = /с, и /с. = /с„поэтому, применяя закон Кирхгофа для токов к узлам С) — Св — Вв и Св — С4 — Вв, получим /ь, = /в,. Поскольку коэффициенты передачи по току транзисторов одинаковы, /а, = /а„ следовательно, справедливо соотнап(е"»е /а = /в + /в . Вследст пе иден(ичнос)п коз()»йпцнеитов ю( дачи по току транзисторов имеем /с, — — /с, + /с,. Базовые )сь 424 Глава 6 транзисторов малы по сравнению с эмнттерными и коллекторнымн токами, поэтому /с, + /с, = /с, + /с, = /а, или /с, = /ч, Поскольку lс„= /с,„= /ч, применяя закон Кнрхгофа к узлу Сг — См — Вз — Виь получим /в, + /в„= О.
Замечая, что 1',14 и (/„не могут быть открыты одновременйо, для состояния покоя имеем /в, = lа,„= О. В результате равенства нулю этих двух базовых токов токи /а, и lр„также равны нулю, следовательно, и /о = О, т. е. в состоянии покоя ()/, = 0) $'о = О. Таким абра. зом, в этом усилителе при )/, = 0 мы получим нулевое напряже. ние на выходе ((/о = 0), что является необходимым условием.
б.2.1. Рпсчет коэффицпеирлп усиления. Коэффициент усиления первого каскада (т. е. дифференциального усилителя) определяется выражением А у, = оо,/гч = 2л//д во (6. ) 7) где д„4 — общая проводимость между узлом С, — С, — В„и «землей», д~„— — дц+ до, + до,. Для входной проводимости транзистора ('„1в можно записать л . = /и,/2п Ь'т = /о/Ъ44()Лг. (6,18) Для выходных проводимостей транзисторов Я, н 1',), справедливы соотношения йо, = Яс; = /св/Ул, = /ч/2рл ЙЪ, = Ы.з = /с,,'Ул„= /ч/2)'лвл (6.)9) где Кл и )'л — напряжения Эрли рпр- и прп-транзисторов соотр и ветственно (см, приложение Б).
Таким образом, для коэффициента усиления по напряжению можно записать АУ, = 2п//д„, = 2(/а/4 "т) (/Ч/2абвбтУГ) + (/а/2УЛр) + (/О/21'Л„) 1/Уг (1/~ФО()Уг) + (1/Улр) + (1/Ул ) рвр; (6.20) 1/а + рвр,гт ((1/Улр) + (1/Улв)) уравнение для коэффициента усиления по напряжению второго каскада имеет вид АУ, = оо/о;в = оо/оо, = — йгв Й,с (6.2 ) Эффективной нагрузкой для схемы составных транзисторов Яв — будет трансформированное сопротивление нагрузки, йм Дла котоРого можно записать выРажение //ь, = ()з, ~а 1)а, 11//ы Проектирование стем ОУ 425 положим, что выходной каскад эмиттерного повторителя Предполол и!веет к коэффициент усиления, примерно равный единице, тогда (ля вто второго каскада справедливо соотношение Ау, = — (/0(2(сг! аув, !о йд, и )ллс.
(6.22) Та им обРазом, общий коэффициент УсилениЯ схемы УсилителЯ определяется выражением Асц (0) = Ау,, = Ау Ау (6 23) (! !и)+рвут 1(! / ул,)+( ! !ул „)) Теперь рассмотрим численный пример. Пусть р = 50 (минимум) а = 1,5 для всех транзисторов, а (ул = (~л = 200 В.
н Произведение коэффициентов передачи по току транзисторов в этом случае принимает значение 6в()фв, лфв „= (50)' = = 6,25 10" (минимум), а ЦО,(сг = 62,5 В. Следовательно, выражение для полного коэффициента усиления по напряжению запишется в виде б,25 !О' ((ир! !50 м(5) (((н) + 52,5((/200+ (!200) = 6,25 !О'(!час(50 лвВ)~1,292, (6,24) Выбирая наиболее типичные значения И„= 1 кОм, а лч — — 20 мкА, получим (чД„/50 мВ = 20 мВ/50ллВ = 0,4, так что Ауп и — — 6,25 1О' х 0,4(1,292 =- 1,935 1О' (мииимум). (6.25) Еще раз обратим внимание на то, что выражение (6,25) получено для коэффициента усиления па низкой частоте, Аоь (0), и что с увеличением частоты он будет уменьшаться.
5.2.2. Схема ОУ с' оходньсл! каскадплс на траизислпорах Дарлингтона. Во многих случаях полезно использовать схему дифференциального усилителя на транзисторах Дарлингтона (рис. 6.9) 'место дифференциального усилителя, состоящего только из двух транзисторов. Есч! дифференциачьный усилитель с транзисторами Дарлинг тона используется вместо простого двухтранзисторпого днффере'п(нального усилителя, то принципы работы такой схемы останутся в основном такими же.
Две наиболее важные отличительные "ерты связаны с эффективным коэффициентом передачи по току (4) составного транзистора Дарлингтона, который равен и ои зисто роизведению коэс)хрицнентов передачи по току каждого из трап. сторон, входящих в составной транзистор (р = Рабов) Это "озволяет достичь очень большого коэффициента передачи по Главе д току, что в свою очередь приводи> к сильному уменьшению вход. ного тока смещения и резкому увеличению входного сопротпвле ния. В уравнениях для дифференциального усилителя всюду необходимо заменить Уг на 21>т, после чего выражение для прямой динамической передаточной проводимости принимает вид г> ° = !ч!У„= !ч/200 мВ.
Поскольку передаточная проводимость ! Рве. 6,9. Обычный дифференциальный усилитель (слева), дгг>рферевпяальный усвлвтель Дарлингтона 1спрнва). уменьшается в два раза по сравнению с первоначальным значением, коэффициент усиления по напряжению также уменьшится вдвое. Кроме того, незначительно изменится диапазон входного напряжения. Замечание относительно входного сопротивления транзистора (;)е. Если принять во внимание зависимость базового тока транзистора, раб<>тающего в акгивиом режиме, от напряжения база — эмиттер, которая задается формулой )„ехр (Уаь/пр,), где и — безразмерная постоянная, лежащая в пределах от 1 до 2 с типичным значением около 1,5 или 1,б, то входная проводимость бУдег Равпз дг = дь, = (в/п1'т.
Дла составного тРанзисн>Ра Дарлинщона, включенного по схеме с общим эмиттером (как гее и (ег), входная проводимость соответственно равна дг, — — !в!2пУг 6.2.3. Влггяиие коз>!>фгщиента передачи по току транзистора Р на коэффициент усиления по напряжению. Анализируя уравнение для коэффициента усиления по напряжению, можно заметить, что он очень сильно зависит от р транзистора. Действительно, если минимальные значения р всех транзисторов удвоятся, то общи>1 коэффициент усиления по напряжению будет в !б раз больш~ чем при минимальных !) транзисторов.
Таким образом, от усяли тела к усилителю коэффициент усиления без обратной связи може~ Праекагираеание схем ОУ еиь сильно меняться. Однако ОУ чаще всего работают при замк- очень путо у ой петле обратной связн (о отрицательной обратной связью), так что коэффициент усиления с обратной связью будет опреде- л„ ься главным образом коэффициентом обратной связи и будет „осительно независим от коэффициента усиления без обратной язи до тех пор, пока петлевое усиление много больше единицы.
Итак„ пока 'коэффициент усиления без обратной связи усилителя статочпо велик, а используемое петлевое усиление много болыпе динпцы, коэффициент усиления с обратной связью относительно „езааисим ог коэффициента усиления без обратной связи и, сле- довательно, относительно независим ог коэффициента передачи по току транзисторов, 6.2.4. Коэф4ициент усиления выходного каскада элгнттернога погиюрителя Дарлингтона. Г!роаггализируем коэффициент усиления по напряжению выходного двухтактного каскада эмиттерного повторителя на транзисторах Дарлингтона, состоящего из составного транзистора нра-типа Щ и 9,) и составного транзистора рпр-типа Яга и ()и).
Козффициеггт усиления по напряжению простого (т. е, содержащего один транзистор) каскада эмиттерного повторителя с базы (вход) на эмиттер (выход) определяется выражением Аи = й„)7г/(1 + й„йь) = Кгг/((1/д ) + гть) = йь/((Уг//) + йь).
(6.26) где /7ь — полное сопротивление нагрузки, на которую работает транзистор эмнттериого повторителя, а / — ток через транзистор. Для эмиттерного повторителя Дарлингтона (т. е, на составных транзисторах) в формуле (6.26) произведем простую замену на 2Угг (6.27) П осколькУ Уо — — /й,, пеРепишем (6.27) в виде Аи,оет = 1/(1 + 2Ут/Уо). (6.28) Последнее урашгепне поггззывает, что до тех пор пока для выходиог о"о напряжения выполняе|ся условие Уо )) 2Ут =- Г>0 мВ, коэфф"цггент усиления по напряжению выходного каскада примерно ра~ен (но всегда несколько меньше) единице. 428 Глава 8 Однако всякий раз, когда выходное напряжение падает ниже 27г — — 50 мВ, коэффициент усиления выходного каскада будер падать значительно ниже единицы.
Такое уменьшение коэффи циента усиления приведет к возникновению искажений, которые называются перекрестных>и гюкажсниялги (рнс. 6.10). Схема на рис. 6.11, в котору>о включен дополнительный транзистор (/,в и резисторы Я„ /с„— один из вариантов схемы выход. л лг Рис. 6.!О. Выходная характеристика каскада аыиттерного пояторителя, нла>о. стрнру>оигая перекрестные искажения. ного каскада, где перекрестные искажения сведены к минимуму. В этой схеме ток покоя, протекающий через транзисторы выходного каскада, очень мал даже при /о = О, что обусловлено падением напряжения на транзисторе (/>а, соединенном с /са н /с',.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
