Проектирование и расчет усилителей

Все обратные связи можно подразделяются по способу съема сигнала обратной связи на выходе усилителя и по способу введения сигнала на входе. На рисунке 2.2 показана последовательная обратная связь, когда сигнал обратной связи подается на вход последовательно со входным напряжением.

Рисунок 2.2 - Последовательная обратная связь

 

Если выход звена обратной связи подключается параллельно входу усилителя (рисунок 2.3) , то обратная связь считается параллельной и выходной ток звена обратной связи алгебраически суммируется со входным током усилителя.

Рисунок 2.3 – Параллельная обратная связь

 

В зависимости от способа съема сигнала можно выделить обратную связь по напряжению (рисунок 2.4), когда сигнал обратной связи Uос пропорционален напряжению на нагрузке усилителя. Если снимать сигнал с шунта, как показано на рисунке 2.5, то в усилителе реализуется обратная связь по току.

Если усилитель и звено обратной связи содержат только активные элементы, то считается, что обратная связь частотно-независимая.

Наличие реактивных элементов в звене обратной связи делает коэффициент передачи усилителя комплексным и обратная связь становится частотно-зависимой, за счет чего может существенно изменится вид амплитудно-частотной фазочастотной характеристики усилителя.

Рисунок 2.4 - Усилитель с ООС по напряжению

Рисунок 2.5 - Обратная связь по току

 

Обратная связь может охватывать весь усилитель или один каскад. В последнем случае обратная связь называется местной. Иногда обратная связь является неотъемлемым свойством усилителя (например, за счет паразитных связей) или отдельных усилительных элементов. В этом случае ОС называется внутренней.

 

3 УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ  НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

 

В усилителях на биполярных транзисторах используется три схемы подключения транзистора [4]: 

-с общей базой;

-с общим эмиттером;

-с общим коллектором [1,3].

Рисунок 3.1 – Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим эмиттером

 

Основными элементами схемы (рисунок 3.1) являются источник питания Ек, транзистор Т, и резистор Rк. Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого по цепи базы коллекторного тока создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы. Конденсаторы Ср1 и Ср2 являются разделительными.

Конденсатор Ср1 исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала по цепи Ек – R1 – Rг  и, во-вторых, обеспечить независимость от внутреннего сопротивления этого источника Rг напряжения на базе Uбп в режиме покоя. Функция конденсатора Ср2 сводится к пропусканию в цепь нагрузки переменной составляющей напряжения и задержанию постоянной составляющей. Резисторы R1, R2 используются для задания режима покоя каскада. Резистор R1 предназначен для создания цепи протекания тока Iбп (ток базы покоя). Совместно с R2 резистор R1 обеспечивает исходное напряжение на базе Uбп относительно зажима «+» источника питания.

Резистор Rэ является элементом отрицательной ОС, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменении температуры. Конденсатор Сэ шунтирует резистор Rэ по переменному току, исключая тем самым проявление отрицательной ОС в каскаде по переменным составляющим. Отсутствие Сэ привело бы к уменьшению коэффициентов усиления.

В итоге каскад с ОЭ обладает следующими свойствами:

1) позволяет получить наиболее  высокий Ku и большой Ki.

2) имеет невысокое входное и  относительно большое выходное сопротивление

3) имеет более узкий диапазон  частот, в котором обеспечивается  равномерное усиление, по сравнению с усилительным каскадом с ОБ.

4) вносит фазовый сдвиг 1800 в диапазоне средних (рабочих) частот.

Схему (рисунок 3.2) называют эмиттерным повторителем, вследствие того, что ее выходное напряжение, снимаемое с эмиттера транзистора, близко по величине к входному напряжению и совпадает с ним по фазе.

Резистор Rэ в схеме выполняет те же функции, что и Rк в схеме с ОЭ - создание Uвых за счет протекания Iэ, управляемого по цепи базы. R1, R2 задают режим покоя каскада, часто R2 не вводят для того, чтобы увеличить входное сопротивление.

 

 

 

Рисунок 3.2 – Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим коллектором

 

Высокое Rвх — основное достоинство схемы с ОК, поэтому схему с ОК применяют для согласования с источником сигнала, обладающим высоким внутренним сопротивлением.

Выходное сопротивление мало - (10…50) Ом.

Это свойство используют, когда необходимо решить задачу согласования выходной цепи усилителя с низкоомным сопротивлением нагрузки. При этом каскад ОК применяют в качестве выходного каскада усилителя.

Влияние разделительных конденсаторов на частотную характеристику полностью аналогично влиянию соответствующих конденсаторов в каскаде с ОЭ. Они полностью определяют вид низкочастотной части АЧХ каскада.

Важной особенностью эмиттерного повторителя является то, что его входное сопротивление резко уменьшается при повышенной частоте. Это обусловлено инерционностью процессов в базе транзистора, а также наличием коллекторной и нагрузочной емкостей.

Таким образом, для каскадов с ОК характерны:

1) высокое входное сопротивление, значение которого достаточно стабильно.

2) большой коэффициент усиления по току.

3) стабильный коэффициент усиления по напряжению, близкий к единице.

4) малое выходное сопротивление.

5) отсутствие в рабочем диапазоне частот фазового сдвига между входным и выходным напряжениями.

Рисунок 3.3 – Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общей базой

 

Элементы Rэ и Eэ обеспечивают ток покоя Iэп. Остальные элементы выполняют те же функции, что и в каскаде ОЭ. Допускается использование ОБ (рисунок 3.3) без источника Eэ.

В итоге каскад с ОБ обладает следующими свойствами:

1) малые нелинейные искажения

2) хорошие частотные и переходные  характеристики

3) низким входным и высоким  выходным сопротивлениями

4) коэффициентом усиления по  току меньше 1

5) коэффициент усиления по напряжению  зависит от сопротивления нагрузки.

 

4 ПОНЯТИЕ, ПАРАМЕТРЫ И  ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

 

Операционный усилитель [1,3] (ОУ) предназначен для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью (ОС). При этом под аналоговой величиной подразумевается непрерывно изменяющееся напряжение или ток.

Приведенное определение относится к устройствам, появившимся в конце 40-х годов, когда начали моделировать математические операции с помощью ламповых усилителей постоянного тока с отрицательной ОС.

Рисунок 4.1 – Условное обозначение ОУ в схемах

 

В настоящее время ОУ – усилитель постоянного тока с полосой пропускания в несколько мегагерц с непосредственной связью между каскадами (т. е. без разделительных конденсаторов), с большим коэффициентом усиления, высоким входным и малым выходным сопротивлениями, а также с низким уровнем шума при хорошей температурной стабильности, способный устойчиво работать при замкнутой цепи ОС.

Входной каскад устройства выполняется в виде дифференциального усилителя, поэтому он имеет два входа и реагирует на разность приложенных к ним напряжений, т.е. на дифференциальный сигнал.

Современный ОУ содержит значительное число компонентов, в частности, несколько десятков транзисторов, находящихся в миниатюрном кремниевом кристалле. Все соединения между компонентами осуществляются с помощью литографической техники в процессе производства, что резко снижает вероятность повреждения внутренних соединений по сравнению с выполненными пайкой.

По габаритным размерам и стоимости ОУ мало отличаются от отдельно взятого транзистора. Реализация различных устройств с применением ОУ значительно проще, чем на отдельных транзисторах, одновременно получается выигрыш в габаритных размерах и массе. Благодаря своим многосторонним возможностям ОУ вытесняет устройства на дискретных транзисторах и становится базовым (унифицированным) узлом в аналоговой схемотехнике.

Параметры и характеристики ОУ [4] можно условно подразделить на входные, выходные и характеристики передачи.

Интегральный ОУ имеет следующие основные параметры и характеристики:

1. Коэффициент усиления напряжения Kуи - отношение изменения выходного напряжения. В общем случае, коэффициент усиления ОУ, не охваченного обратной связью, равен произведению Kуи всех его каскадов. В настоящее время Kу некоторых усилителей по постоянному току превышает 3×106. Однако его значение уменьшается с ростом частоты входного сигнала, при этом суммарная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) имеет столько изломов, сколько усилительных каскадов в ОУ. Каждый каскад на высоких частотах вносит фазовый сдвиг, который влияет на устойчивую работу ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС). Устойчивой работы усилительных каскадов ОУ добиваются введением частотной коррекции - внешних нагрузочных RC-цепей. Для стабилизации двухкаскадного усилителя обычно требуется одна цепь, трехкаскадного - две. Многие ОУ последних выпусков не требуют внешних цепей коррекции, так как в их схему уже введены необходимые элементы.

2. Частота единичного усиления f1 - значение частоты входного сигнала, при котором значение коэффициента усиления напряжения ОУ падает до единицы. Этот параметр определяет максимально реализуемую полосу усиления ОУ. Выходное напряжение на этой частоте ниже, чем для постоянного тока примерно в 30 раз.

3. Максимальное выходное напряжение Uвых.макс - максимальное значение выходного напряжения, при котором искажения не превышают заданного значения. В отечественной практике этот параметр измеряется +Uвых.макс относительно нулевого потенциала как в положительную, так и в отрицательную сторону. В зарубежных каталогах приводят значение максимального диапазона выходных напряжений, который равен 2Uвых. Выходное напряжение измеряется при определенном сопротивлении нагрузки. При уменьшении сопротивления нагрузки величина Uвых.макс уменьшается.

4. Скорость нарастания выходного  напряжения VUвых - отношение изменения Uвых от 10 до 90% от своего номинального значения ко времени, за которое произошло это изменение. Параметр характеризует скорость отклика ОУ на ступенчатое изменение сигнала на входе; при измерении ОУ охвачен ООС с общим коэффициентом усиления от 1 до 10.

5. Напряжение смещения Uсм - значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы на выходе напряжение было равно нулю. Операционный усилитель реализуется в виде микросхемы со значительным числом транзисторов, характеристики которых имеют разброс по параметрам, что приводит к появлению постоянного напряжения на выходе в отсутствие сигнала на входе. Параметр Uсм помогает разработчикам рассчитывать схемы устройств, подбирать номиналы компенсационных резисторов.

6. Входные токи Iвх - токи, протекающие через входные контакты ОУ. Эти токи обусловлены базовыми токами входных биполярных транзисторов и токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе.

Входные токи, проходя через внутреннее сопротивление источника сигнала, создают падения напряжений, которые могут вызвать появление напряжений на выходе в отсутствие сигнала на входе.

7. Разность входных токов  . Входные токи могут отличаться друг от друга на 10…20%. Зная разность входных токов, можно легко подобрать номинал балансировочного резистора.

Все параметры ОУ изменяют свое значение - дрейфуют с изменением температуры. Особенно важными дрейфами являются:

8. Дрейф напряжения смещения DUсм

9. Дрейф разности входных токов DIвх.

10. Максимальное входное напряжение Uвх - напряжение, прикладываемое между входными контактами ОУ, превышение которого ведет к выходу параметров за установленные границы или разрушению прибора.

11. Максимальное синфазное входное  напряжение Uвх.сф - наибольшее значение напряжения, прикладываемого одновременно к обоим входным выводам ОУ относительно нулевого потенциала, превышение которого нарушает работоспособность прибора. В отечественной документации приводят модуль величины Uвх.сф, а в зарубежной - диапазон.

12. Коэффициент ослабления синфазного  сигнала Кос.сф - отношение коэффициента усиления напряжения, приложенного между входами ОУ, к коэффициенту усиления общего для обоих входов напряжения.

13. Выходной ток - максимальное значение  выходного тока ОУ, при котором  гарантируется работоспособность прибора. Это значение определяет минимальное сопротивление нагрузки. Очень важно при расчете комплексного сопротивления нагрузки учитывать, что при переходных процессах включения (выключения) ОУ значения емкостной или индуктивной составляющей сопротивления нагрузки резко изменяются, и при неправильном подборе нагрузки схема может выйти из строя.

Часто вместо значения Iвых в документации приводят минимальное значение сопротивление нагрузки Rн.мин. Большая часть ОУ, разработанных в последнее время, имеет каскад, ограничивающий величину входного тока при внезапном замыкании выходного контакта на шину источника питания или нулевой потенциал.

Конструкторы и технологи микросхем ОУ постоянно ищут способы улучшения основных параметров приборов: увеличения f1,VUвых и др. Применяя схемотехнические решения и вводя новые технологические приемы, стараются снизить значения “паразитных” параметров Uсм, Iвх, DIвх и их дрейфов, а также мощность, потребляемую прибором. Как правило, достичь максимального значения для всех параметров невозможно. Достижение максимального значения одного параметра часто осуществляется за счет ухудшения другого. Так, увеличение коэффициента усиления по напряжению влечет за собой снижение частотных свойств и наоборот.