1629216643-4191d351b78f7037da79c6d0fc355cfb (845978), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Коэффициент передачи KU в данной схеме меньше единицы. Выходноесопротивление каскада равно⎛R +r ⎞Rвых = ⎜⎜ rд + rэ + г б ⎟⎟ || Rэ .1+ β ⎠⎝Рис. 2.5На рис. 2.5 показана схема КСУ с p–n–pтранзистором. Найдем условие, при которомU вых = 0 . Непосредственно из схемы следует,U вых = I к Rк − U ип ,Iк = α Iэ ,Iэ =чтоU − U вх − U бэ= ип. Искомое условие U вых = 0Rэвыполняется при α Rк (U ип − U бэ − U вх ) = Rэ U ип .Коэффициент передачи можно найти, считаяданный каскад работающим по схеме ОЭ изаменив в его эквивалентной схеме для среднихчастот rэ на rэ + Rэ :40KU =β γ ∗к Rк.Rг + rб + (1 + β γ ∗к ) (rд + Rэ )При Rк > Rэ коэффициент KU может быть больше единицы.Выходное сопротивление Rвых = Rк || rк ≈ Rк несколько больше,чем в обычном каскаде ОЭ.На рис. 2.6 представлена схема КСУ, вкоторой транзистор Т2 выполняет рольтак называемого генератора тока обладающего очень высоким выходным сопротивлением для сигналов переменноготока.Непосредственно из схемы следует,что U вых = U вх − U бэ1 − I к2 Rэ1 ;I к2 =U − U б2 − U бэ2= α I э2 ; I э2 = ип, где U б2 ≈Rэ2R1.R1 + R2Условие U вых = 0 выполняется при≈ U ипРис.
2.6⎛⎞R2⎜⎜U ип− U бэ2 ⎟⎟ . Коэффициент передачиR1 + R2⎝⎠Rвых2есть произведение KU = K эп, где Rвых2 ≈ rк2 — выхRвых2 + Rэ1одное сопротивление транзистора Т2. Таким образом, коэффициентβ1 rк2передачи равен KU =. Очевидно, онRг + rб1 + (1 + β1 ) (rэ1 + Rэ1 + rк2 )всегда меньше единицы. Выходное сопротивление определяетсяR +rформулой Rвых = Rэ1 + rэ1 + г б1 .1 + β1U вх − U бэ1 =α 2 RэRэ 2412.3.
Выходные каскадыВыходные каскады должны отдавать в нагрузку максимальноенапряжение и ток. Их выходное сопротивление должно быть мало,а рассеиваемая мощность в отсутствии сигнала минимальна. Этикаскады, как правило, не усиливают напряжение.Простейшим выходным каскадом являетсяэмиттерный повторитель (рис.
2.7). Он имеетнизкое выходное сопротивлениеRвых =⎛R +r ⎞= Rэ || ⎜⎜ rэ + г б ⎟⎟ . Максимальная амплитуда1+ β ⎠⎝передаваемого сигнала порядка U ип , максиUмальный выходной ток I макс ≈ ип . В отсутRэРис.2.7ствие сигнала он рассеивает мощность22U ипP = 2U ип I макс ≈.RэНа рис. 2.8 представлена схемавыходного каскада на взаимодополняющих транзисторах (n–p–n и p–n–p).Падение напряжения на диодах Д1 и Д2предварительного усилителя на транзисторе Т1 и резисторе Rк смещаетэмиттерные переходы транзисторов Т2и Т3 на границу отпирания. Поэтомурассеиваемая мощность в состояниипокоя близка к нулю.
Максимальныйвыходной ток ограничивается лишьпредельно допустимым для транзисРис. 2.8торов Т2 и Т3 значениями I э . В отличии от простого повторителя даннаясхема одинаково хорошо передает как положительные так иотрицательные перепады напряжения, так как транзисторы Т2 и Т3работают попеременно в активной области. Остальные параметры( Rвых , U вых ) практически те же, что и в схеме 2.742Схема выходного каскада на однотипных транзисторах показана нарис.
2.9. Предварительный усилительна транзисторе Т1 обеспечивает исходный режим Т2 и Т3, когдаU н = 0 = U э2 . Входной сигнал «расщепляется» транзистором Т1 на два противофазных. Положительные перепады напряжения хорошо передаютсятранзистором Т2, а отрицательные —транзистором Т3. По этому параметрусхема близка к повторителю наРис.2.9взаимодополняющихтранзисторах.Каскад передает максимальную амплитуду выходного сигнала порядка U ип . Максимальный ток, отдаваемый схемой, ограничен сопротивлением транзисторов Т2 и Т3 внасыщенном состоянии.
Мощность, рассеиваемая в состояниипокоя, при прочих равных условиях такая же, как и у простогоэмиттерного повторителя (рис. 2.7).При коротком замыкании на выходе токмаксимален. Его величина (для предотвращения выхода микросхемы из строя) должнабыть ограничена. На рис. 2.10 Представленасхема выходного каскада с токоограничивающими резисторами. Максимальное значениеU − U кнтока через транзисторы I макс = ип.RэНапример, если U ип = 10 В ,аI макс. доп == 10 мА , то Rэ ≈ 1 кОм .
Следовательно, ивыходное сопротивление каскада Rвых =R +r= Rэ + rэ + г б ≈ Rэ = 1 кОм . Максимальное1+ βвыходное напряжение ограничено уровнем U ип43Рис. 2.10Rн.Rн + RэРис. 2.11В схеме с дополнительными управляющими транзисторами Т3, Т4(рис. 2.11) при нормальной работетранзисторов Т1 и Т2 рабочие токи,протекающие по резисторам Rэ1 иRэ2 , недостаточны для создания падения напряжения, отпирающего транзисторы Т3 и Т4. Поэтому Т3 и Т4закрыты.
Они открываются приI э Rэ > U бэ. отп ≈ 0,4 В . Если, по-прежнему, принять I э. доп = I макс = 10 мА ,то получим Rэ = 40 Ом . Выходноесопротивление данного каскада существенно меньше, чем в схеме рис. 2.10, а максимальное выходноенапряжение больше.2.4.
Частотные характеристикиоперационного усилителяПусть ОУ трехкаскадный. Найдем его АЧХ и ФЧХ. Общийкоэффициент усиления ОУ есть произведение коэффициентовусиления отдельных каскадов:KU = K1 ( f ) K 2 ( f ) K 3 ( f ) .Зависимость коэффициентов усиления отдельных каскадов отчастоты представим функцией:KU =K⎛ f ⎞1 + ⎜⎜ ⎟⎟⎝ fв ⎠2,где K — коэффициент усиления в области низких и среднихчастот; f в — верхняя граничная частота каскада (частота среза).Для частот f > f в представленная формула упрощается:fKu ( f ) ≈ K в .f44Зависимость фазы от частоты каскада представим так:⎛− fϕ = arctg ⎜⎜⎝ fв⎞⎟⎟ .⎠Каждый из каскадов ОУ имеет собственные АЧХ и ФЧХ,отличающиеся частотами среза и коэффициентами усиления.
Влогарифмическом масштабе перемножение коэффициентов усиления отдельных каскадов можно заменить сложением геометрических отрезков, соответствующих коэффициентам усиления.При f > f в увеличение текущей частоты в десять раз (на декаду)уменьшает коэффициент усиления также в десять раз (на 20 дБ)(рис.
2.12). Поэтому скорость спада общей АЧХ ОУ последовательно увеличивается после каждой из частот среза ( f в1 , f в2 ,f в3 ) на – 20 дБ/дек.Рис. 2.12Рис. 2.1345Рис. 2.14Фазочастотную характеристику каскада в полулогарифмическом масштабе можно аппроксимировать ломаной линией, имеющей скачек 90° на частоте f в (рис. 2.13). Наибольшая ошибка аппроксимации составляет ± 45° на частоте f в .
Сдвиг фазы на частотах среза каскадов увеличивается на 90°. Результирующие АЧХ иФЧХ ОУ показаны на рис. 2.14. Такая АЧХ называется диаграм46мой Боде. Частота f пр , соответствующая 180° сдвигу фазы, называется предельной.Интегральные операционные усилители в большинстве схемиспользуются совместно с цепями обратной связи (ОС) (подробнеесм. п. 2.5). При замыкании ОС возникает самовозбуждение ОУ начастотах, где сдвиг фаз между входным сигналом и сигналом ОСбольше 180°, а глубина ОС K u γ u > 1 ( K u — коэффициент усиления ОУ без ОС; γ u — коэффициент передачи цепи ОС). СхемаОУ с ОС теряет устойчивость — становится генератором.Найдем условие устойчивости, используя диаграмму Боде.Представим коэффициент усиления ОУ с ОС следующим образом:Kuос =1KuKu≈=.1 + γ u Ku γ u Ku γ uВ логарифмическом масштабе глубина ОСlg ( γ u Ku ) = lg K u − lg Kuос = lg Ku − lg1.γuЕсли в плоскости логарифмической АЧХ провести горизонтальную прямую, соответствующую коэффициенту усиления1Kuос ≈, то разница между ординатами АЧХ и этой прямой будетγuглубиной ОС (рис.
2.14). Из рисунка видно, что с увеличениемчастоты глубина ОС уменьшается. В точке пересечения Аlg ( γ u K u ) = 0 , т.е. γ u K u = 1.Если в этой точке f < f пр , то дополнительный фазовый сдвигне превышает – 180°, и усилитель с ОС будет устойчив. В противном случае усилитель с ОС неустойчив.1ОУ всегда устойчив, если прямаяпересекает отрезокγuдиаграммы Боде с наклоном – 20 дБ/дек.1Если прямаяпересекает АЧХ на участке с наклоном – 40γuили – 60 дБ/дек за предельной частотой ( f > f пр ), то в усилителе47сдвиг фазы выходного сигнала относительно входного превышает– 180°, и ОУ становится неустойчивым.Из рис.
2.14 видно, что глубина ОС устойчивого усилителя сfмаксимально возможным запасом по фазе 90° равна 20 lg в2 . Приf в1нулевом запасе по фазе глубина ОС максимальна (на рисунке это( γ u K u )макс ).Для обеспечения устойчивости ОУ используются специальныецепи коррекции. Например, включением специального нагрузочного конденсатора суммарная АЧХ ОУ может иметь наклон– 20 дБ/дек. Она будет пересекать ось абсцисс в точке с частотойединичного усиления f1 .
При этом осуществляется полная компенсация ОУ с запасом по фазе 90°.При использовании трех каскадов простая коррекция спомощью запаздывающего звена оказывается в общем случаенедостаточной для обеспечения устойчивости. Приходится применять более сложные схемы коррекции, состоящие из рядазвеньев. Но при этом затрудняется проектирование и эксплуатацияусилителей на ОУ.Разработанные более совершенные двухкаскадные интегральные ОУ имеют АЧХ разомкнутой системы с максимальнымнаклоном – 40 дБ/дек. Устойчивость усилителя в этом случаеобеспечивается с помощью лишь одного корректирующегоконденсатора. Емкость его оказывается такой малой, что ее можноизготовить на одном кристалле с остальными элементами ОУ.Поэтому такой ОУ не требует частотной коррекции.2.5.
Применение ОУ в аналоговых устройствахУсиливаемый интегральным ОУ сигнал прилагается между еговходами. Один из них — инвертирующий: фаза сигнала навыходе ОУ и этом входе отличается на 180°. Другой вход —неинвертирующий: фазы сигналов на выходе ОУ и входе совпадают. Инвертирующий вход отмечается кружочком ○ или знакомминус. Неинвертирующий вход отмечается знаком плюс.В эквивалентных схемах учитывается сопротивление междувходами — это удвоенное сопротивление парафазному сигналу.48Сопротивления синфазным сигналам в расчет приниматься небудут, так как они на несколько порядков больше сопротивленийпарафазному сигналу. Выходную цепь ОУ представим в виде+−− U вх) K у, u .генератора ЭДС: U вых = (U вхПри неизменном входном сигнале на выходе ОУ присутствует«паразитный» сигнал. Он определяет статическую погрешностьОУ. Эту погрешность принято характеризовать приведенными ковходу усилителя эквивалентными сигналами, которыми можнокомпенсировать эту погрешность.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
