Применение операционных усилителей.

Лекция 14. Дифференциальные и операционные усилители. Часть 2.

Принципиальная схема современного ОУ весьма сложна. Но независимо от сложности она может быть разделена на следующие основные блоки: входной каскад (дифференциальный усилитель с ГСТ), промежуточный каскад (ПК), каскад сдвига уровня (КСУ) и выходной каскад (ВК). Структурная схема ОУ показана на рис.1.

Рис. 1. Структурная схема операционного усилителя.

Входной каскад строится по дифференциальной схеме. Он определяет входное сопротивление усилителя, минимальное значение которого составляет десятки килоОм. Дифференциальный входной каскад усиливает разность напряжений, поданных на его входы, примерно в 10 – 15 раз.

В промежуточных каскадах используются как дифференциальные, так и однотактные каскады усиления. Поскольку синфазная составляющая сигнала на входе этих каскадов отсутствует, то генератор стабильного тока в ДУ промежуточных каскадов не используются. Это позволяет увеличивать токи второго каскада и поднять коэффициент усиления до значения КU = 100 –200.

Интегральные усилители строятся по схемам с непосредственными связями между каскадами. При этом от каскада к каскаду происходит изменение постоянной составляющей сигнала. Для компенсации этой составляющей используются каскады сдвига уровня постоянного напряжения, называемые также трансляторами напряжения. Схемы сдвига уровня осуществляют как снижение, так и повышение уровня постоянной составляющей.

Одна из схем сдвига уровня, нашедших применение в ОУ, представлена на рис.2.

Рис. 2. Каскад сдвига уровня.

Два транзистора n -р- n включаются последовательно и через них протекает один и тот же ток IК1 = IЭ1 = I Э2. Ток IЭ2 задается постоянным источником смещения ЕБ и сопротивлением резистора R2.

IЭ2 = (ЕБ – U БЭ2) / R2 ,

тогда сдвиг уровня

ΔU =U БЭ1 + ( ЕБ - U БЭ2 ) R 1 /R2.

Значение ΔU можно изменять в больших пределах.

Выходные каскады работают, как правило, на низкоомную нагрузку. Для согласования выхода усилителя с сопротивлением нагрузки такие каскады должны иметь малое выходное сопротивление и при отсутствии входного сигнала выходное напряжение должно быть равно нулю. В качестве простейшего выходного каскада можно использовать однотактный эмиттерный повторитель.

Однотактные выходные каскады работают в режиме класса А и из-за низкого к.п.д. используются при небольших выходных мощностях.

Наибольшее распространение нашли двухтактные выходные каскады.

В схеме выходного каскада на двух n –р- n транзисторах ( рис. 3) один из них VТ1 включен с ОК, второй VТ2 – с ОЭ.

Рис. 3. Выходной каскад операционного усилителя.

Схема получает питание от двух источников ЕК и –ЕЭ, имеющих общий вывод земли, к которому подключается сопротивление нагрузки RН. При отсутствии входного сигнала оба транзистора закрыты и ток в нагрузке отсутствует. Это достигается выбором значения резистора R1.

При положительном входном сигнале транзистор VТ2 открывается и через сопротивление нагрузки протекает ток по цепи: +ЕЭ →RН→ VD1→ VT2→ R2→ –EЭ. Транзистор VT1закрыт, так как прямое напряжение на диоде создает на его эмиттерном переходе обратное смещение. В случае отрицательной полуволны входного сигнала VT2 закрывается, UK2 становится положительным и транзистор VT1 открывается и через него от источника + ЕК поступает ток в нагрузку. Резистор R2 ограничивает ток в цепи транзисторов. В результате на нагрузке формируется полный гармонический сигнал.

Широкое распространение получили двухтактные схемы, выполненные на транзисторах с разным типом проводимости р-n-р и n-р-n (комплементарные пары). Входной сигнал поступает на транзистор VТ3 (рис. 4).

Рис. 4. Выходной каскад ОУ на комплиментарной паре.

При положительном входном сигнале ток транзистора VТ3 увеличивается, напряжение на базе транзистора VТ1 уменьшается, он закрывается, а транзистор VТ2 открывается. Ток протекает к источнику – ЕК2 через сопротивление нагрузки. Аналогично при отрицательном входном сигнале ток протекает от источника +ЕК1 через открытый транзистор VТ1 и сопротивление нагрузки (транзисторы VТ2 и VТ3 закрыты).

Поскольку параметры интегральных р-n-р и n-р-n транзисторов значительно отличаются друг от друга, то для выравнивания усиления в плечах двухтактного каскада, используют составные транзисторы в так называемом композитном включении. Составной транзистор на р-n-р и n-р-n структурах может быть включен как р-n-р (рис.5 а) и как n-р-n (рис. 5 б) транзистор.

а б

Рис. 5. Составные транзисторы.

Применение операционных усилителей.

Функциональные свойства операционных усилителей в значительной степени определяются наличием обратной связи, которой он охвачен. Построение цепей обратной связи определяет не только основные показатели усилителя. но и характер выполняемых им преобразований входного сигнала.

Коэффициент усиления ОУ как схемы, охваченной обратной связью, определяется отношением

КU ОС = КU / 1+ КU β или КU ОС = 1 / (1/ КU + β).

Так как коэффициент усиления ОУ КU очень большой (КU >> 1), то КU ОС = 1 / β. Таким образом, коэффициент усиления определяется элементами, входящими в цепь обратной связи.

Рассмотрим некоторые типовые применения ОУ.

В аналоговых устройствах операционный усилитель работает, как правило в линейном режиме. В этом случае напряжение на его выходе UВЫХ = K UВХ. Обычно UВЫХ = 10 –12 В, а К =104 – 106 . При этих условиях при анализе схем можно принимать входное напряжение равным нулю.

Если входной сигнал поступает на не инвертирующий вход (рис.6), фазы входного и выходного сигналов совпадают. Цепь обратной связи между выходом и инвертирующим входом образована резисторами R1 и R2.

Рис. 6. Схема неинвертирующего усилителя на ОУ.

В этом случае

β = R 1/ ( R1 + R2)

и коэффициент усиления

КU ОС = 1 / β = 1 + R2 / R1.

Если R2 = 0 и R1 = ∞ , то КU ОС = 1 и операционный усилитель становится не инвертирующим повторителем.

Инвертирующий усилитель (рис. 7) осуществляет инверсию фазы входного сигнала.

Рис. 7. Схема инвертирующего усилителя.

Так как можно принять U_ВХ =0, имеем I₁ = e_c / R₁ и I₂= – U_ВЫХ / R₂. У идеального операционного усилителя I_ВХ =0, тогда I₁ = I₂ .

На основании этого получаем

К_{U ОС} = – U_ВЫХ / е_с = – R₂ / R₁.

Если принять R₂ = R₁ , то схема преобразуется в инвертирующий повторитель с коэффициентом усиления К_{U ОС} = – 1.

Амплитудные характеристики для не инвертирующего и инвертирующего усилителей изображены на рис. 8.

Рис. 8. Амплитудные характеристики инвертирующего и неинвертирующего усилителя.

Изменяя соотношение сопротивлений R2 и R1 можно изменять коэффициент усиления усилителя, при этом будет изменяться наклон амплитудной характеристики.