Дифференциальные и операционные усилители

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ                      государственное образовательное учреждение

московский государственный  авиационный институт

(технический университет)

«МАИ»

 

 

 

 

 

 

Реферат по схемотехнике

 

 по теме

 

«Дифференциальные и операционные усилители»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Составил:

 

студент  Константинов К.В.

  гр. 14-302

 

Проверил: Протопопов А.С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2009 г.

Содержание

 

1. Дифференциальный усилитель        3

  1.1 Анализ схемы дифференциального  каскада      3

  1.2 Дифференциальный каскад на полевых транзисторах    6

  1.3 Генератор стабильного тока  в дифференциальном каскаде    7

  1.4 Дифференциальный каскад  с дифференциально подключенной  нагрузкой 7

  1.5 Разбаланс дифференциального  каскада      8

2. Операционный усилитель        10

  2.1 Основные понятия         10

  2.2 Идеальный операционный усилитель       11

  2.3 Параметры операционного усилителя       11

    2.3.1 Источники входных  погрешностей       12

    2.3.2 Входной сдвиг и  дрейф        13

    2.3.3 Входные шумы         14

             2.3.4 Коэффициент усиления без  обратной связи.

 Дифференциальное входное сопротивление и выходное сопротивление 15

    2.3.5 Коэффициент ослабления  синфазного сигнала

             Синфазно входное сопротивление       15

    2.3.6 Нелинейные параметры        17

    2.3.7 Время установления  и время восстановления после  перегрузки  17

  2.4 Входные каскады операционного усилителя      18

    2.4.1 Основные схемные  решения       18

    2.4.2 Составной дифференциальный каскад      20

    2.4.3 ДК со следящей  ОС         22

    2.4.4 Внешняя настройка  нуля напряжения сдвига     22

    2.4.5 Внутренняя компенсация  входных токов смещения    24

    2.4.6 Защита входа  от перевозбуждения       25

  2.5 Выходной каскад          27

    2.5.1 Основные схемные решения       27

    2.5.2 Защита от короткого  замыкания       31

3. ОУ с внешними цепями ОС        33

  3.1 Суммирующее устройство        33

  3.2 Инвертирующий масштабный  усилитель      33

  3.3 Неинвертирующий масштабный  усилитель      34

  3.4 Вычитающее устройство        34

  3.5 Суммирующе-вычитающее  устройство      35

  3.6 Интегрирующее устройство        36

  3.7 Дифференциирующее устройство       37

  3.8 Логарифмирующее устройство        38

  3.9 Антилогарифмирующее устройство       39

  3.10 Гиратор на ОУ          39

  4. Список литературы          41

1. Дифференциальный усилитель

 

1.1 Анализ схемы дифференциального  каскада

 

Дифференциальные усилители являются основным типом современных усилителей постоянного тока, предназниченных для усиления постоянной составляющей в спектре сигнала. Поэтому они изготавливаются в виде интегральных микросхем широкого применения, а также входят как основные усилительные каскады в состав операционных усилителей.

Дифференциальный усилитель необходим в случаях, когда информацию несёт не абсолютное значение напряжения в некоторой точке (относительно «земли»), а разность напряжений между двумя точками. Характерным примером является резистивный датчик тока, включенный последовательно с исследуемой цепью. Следует использовать дифференциальные усилители всегда, когда возможно наличие синфазных помех в сигнале. Примерами таких сигналов являются цифровые сигналы, передаваемые по длинным кабелям, звуковые сигналы, радиочастотные сигналы, напряжения электрокардиограмм, сигналы считывания информации из магнитной памяти и многие другие.

Дифференциальный усилитель — это усилитель с двумя входами, относительно которых коэффициенты передачи равны по величине и противоположны по знаку. В идеальном случае выходной сигнал не зависит от уровня каждого из входных сигналов, а определяется только их разностью. Дифференциальный усилитель у которого данные условия выполняются назыается идеальным дифференциальным усилителем. Входы и выходы дифференциального усилителя могут быть как симметричными, так и несимметричными относительно общего провода («земли»). Под несимметричным понимают вход (выход), один из зажимов которого соединен с общим проводом. Если ни один из входных (выходных) зажимов не соединен с общим проводом и при этом входные (выходные) сопротивления (абсолютные значения) каждого из зажимов по отношению к общему проводу одинаковы, то вход (выход) будет симметричным.

В зависимости от принятой схемы  входа и выхода различают четыре варианта дифференциальных усилителей:

а) с симметричным входом и выходом;

б) с симметричным вхдом и несимметричным выходом;

в)  с несимметричным входом и  симметричным выходом;

г) с несимметричным входом и выходом.

В случаях , когда конкретные условия  применения усилителя не налагают ограничений на его схему, желательно применять усилитель с симметричным входом и выходом, поскольку он он обладает меньшим дрейфом нуля, чем другие варианты.

Дифференциальные усилители, имеющие  несимметрию входа или выхода, обычно применяются как промежуточные  для перехода от несимметричных схем к симметричным  наоборот. Полностью несимметричный дифференциальный усилитель применяется редко из-за большого дрейфа нуля.

Основой дифференциального усилителя  является дифференциальный каскад (ДК). Транзисторы ДК могут быть включены по схеме с общим эмиттером, с общей базой, с общим коллектором. Как правило используется первый вариант включения транзисторов (рис.1).

 

 

 

Рис.1

Выходной эффект ДК определяется наложением результатов усиления сигнала, воздействующих на оба входа, т.е.

 

u_вых=u_вх+K₊-u_вх-K_-      (1)

 

где К₊, К_- - коэффициенты передачи ДК относительно неинвертирующего и инвертирующего входов. В идеальном ДК они равны, поэтому его выходной сигнал независимо от уровней сигналов u_вх+ и u_вх- определяется только их различием.

Во входном сигнале ДК различают  дифференциальную (разностную) u_д и синфазную (парафазную) u_с составляющие:

 

u_д =u_вх+ - u_вх-        u_с = ( u_вх+ +u_вх- )/2     (2)

 

Дифференциальная составляющая характеризует  различие сигналов u_вх+ и u_вх- , а синфазная — степень их совпадения.

В реальных ДК коэффициенты передачи К₊ и К_- могут различаться, в результате чего выходной сигнал зависит не только от дифференциальной составляющей сигналов u_вх+ и u_вх-  , но и от их синфазного значения, при этом

 

u_вых=u_дK_д-u_сK_с,       (3)

 

где К_д — коэффициент передачи дифференциальной составляющей сигналов u_вх+ и u_вх- ; К_с — коэффициент передачи синфазной составляющей сигналов u_вх+ и u_вх-  . Первый коэффициент характеризует усилительные свойства ДК в среднем, а второй — различие этих свойств по неинвертирующему и инвертирующему участкам тракта:

 

К_д=(К₊+К_-)/2   К_с=К₊-К_-     (4)

 

Отношение К_д/К_с называется коэффициентом ослабления синфазного сигнала и обозначается как μ_с. Из (4) и определения параметра μ_с следует

 

К₊=К_д[1+(1/μ_с)]       К_-=К_д[1-(1/μ_с)]     (5)

К_д=К₊/[1+(1/μ_с)]=К_-[1-(1/μ_с)]

К_с=К₊/(μ_с+1)=К_-/(μ_с-1)

 

На рис.2 приведена эквивалентная схема, в которой учтены возможные отклонения свойств реального ДК от идеальных. В ней тражены такие свойства реальных усилителей, как его чувствительность к воздействию синфазного сигнала, ненулевое значение его выходного сопротивления R_вых, конечность входных сопротивлений R_{вх д} и R_{вх с} для дифференциальной и синфазной составляющей сигналов u_вх+ и u_вх- . Вследствие конечности R_{вх д} и R_{вх с} , в схеме возникают входные сигнальные токи i_д и i_с, при этом

 

i_д=u_{вх д}/R_{вх д}   i_{вх c}=u_{вх с}/R_{вх с}

i_вх+=i_{вх с}+i_д  i_вх-=i_{вх с}-i_д

 

 

Рис. 2

 

Рассмотрим основную схему ДК (рис.2). В схеме выделим пару входных зажимов 1 и 2 и один выходной. По отношению к этому вход 2 — неинвертирующий, т.е. К₂₃=К₊ . Значение этого коэффициента передачи определяется соотношением

 

К₂₃=К₊=g₂₁R₀g₂₁R_k/(1+2g₂₁R₀)≈g₂₁R_k/2      (6)

Вход 1 — инвертирующий. Относительно него передача сигнала осуществляется каскадом ОЭ, следовательно, К₁₃=К_-, где К13 — коэффициент передачи от точки 1 до точки 3.

 

К₁₃=К_-=g₂₁R_k(1+g₂₁R₀)/(1+2g₂₁R₀)≈g₂₁R_k/2     (7)

 

Сопоставление (6) и (7) показывает, что  рассматриваемая схема обладает одинаковыми коэффициентами передачи в обоих участках тракта, при этом

 

К_д≈g₂₁R_k/2        (8)

К_с≈-R_k/2R₀        (9)

μ_c=g₂₁R₀                      (10)

 

Проведенный анализ и его результаты (8) — (10) относятся к схемным построениям , в кторых отсутствуют дополнительные резисторы R_f в эмиттерных цепях транзисторв. Включение в состав схемы ДК этих резисторов (рис.3) снижает дифференциальный коэффициент усиления

 

 К_д=g₂₁R_k/2(1+g₂₁R_f)       (11)

 

Обычно значения R_f  удовлетворяют неравенству R_f<<R₀, в результате чего

 

К_с=-R_k/2(R₀+R_f)К_с≈-R_k/2R₀       

μ_c=g₂₁(R₀ +R_f) μ_c≈g₂₁R₀        

 

 Как видно из этих соотношений включение резисторов R_f практически не влияет на коэффициент передачи К_с синфазного сигнала и его коэффициенте ослабления.

Все выведенные  соотношения справедливы  для малосигнального режима работы, когда оба транзистора ДК работают при малом уровне входного сигнала на линейном участке своей ВАХ.

Рис. 3

 

1.2 Дифференциальный каскад  на полевых транзисторах

 

Для многих областей применения необходим  ДК с высоким входным сопротивлнием. Для этого можно было бы использовать биполярные транзисторы включенные по схеме Дарлингтона (схема с ОЭ). Но гораздо лучшие результаты могут быть достигнуты при использовании полевых транзисторов. Полевые транзисторы с изолированным затвором позволяют достигнуть входных сопротивлений порядка едениц и десятков гигаом. Но эти транзисторы обладают значительной емкостью и редко применяются в ДК. Транзисторы с p-n переходом гораздо дешевле проще в

 

изготовлении, проще в управлении и обладают достаточно большим входным  сопротивлением, входной ток значительно  ниже чем у ДК на биполярных транзисторах. Но несмотря на это хуже стабильность выходного напряжения сдвига. Эти транзисторы очень часто применяются во входных каскадах опрерационных усилителей. Типовая схема ДК, выполненного на полевых транзисторах с p-n переходом, представлена на рис.4. Схемотехнически каскад реализован так же как и ДК на биполярных транзисторах.

Рис.4

Полевые транзисторы применяемые  в ДК необходимо либо подбирать по параметрам с высокой точностью, либо использовать согласованные пары изготовленные в едином кристалле. Это связано с тем, что напряжение отсечки и ток насыщения зависят от разброса толщины канала намного больше, чем ток насыщения и коэффициент усиления по току для биполярного транзистора от толщины его базы. Важным недостатком ДК на полевых транзисторах является невозможность применения достаточно простой компенсации сдвига уровня и температурного коэффициента. Как правило требуется индивидуальная подгонка и применение прецизионных резисторов (в случае согласованной пары).

 

1.3 Генератор стабильного тока в дифференциальном усилителе

 

ДК на рис.3 имеет низкое значение коэффициента ослабления синфазного сигнала. Для повышения значения этого коэффициента согласно (9) необходимо увеличивать сопротивление резистора R₀ . Но непосредственное увеличение сопротивления этого резистора вызывает уменьшение коллекторных токов и соответственно ухудшение усилительных свойств каскада. В связи с этим в эмиттерную цепь целесообразно включить схему, называемую генератором стабильного тока (ГСТ).

а)    б)

Рис. 5

Схема ГСТ способна создавать требуемые  значения тока I₀ при относительно невысоких напряжениях источника питания -Е_п . В то же время она является высокоомным источником постоянного тока, т.е. двухполюсником, в котором ток I₀ не зависит от приложенных к нему потенциалов, в том числе и от понтециалоа U_э эмиттеров транзисторов VT1 и VT2 в схеме рис.3.

На рис.4 приведены типовые схемные  конфигурации, предназначенные к  использованию в качестве схем ГСТ  в ДК типа рис.3 и ему подобных.

Основным функциональным звеном, обеспечивающим в ГСТ определенное стабильное значение выходного тока I₀ и высокоомное сопротивление R₀ , является выходная цепь транзистора VT3, включенного по схеме ОЭ (рис.5,а) или ОИ (рис.5,б). Выходное дифференциальное сопротивление R₀  этих схем включения транзисторов велико и может достигать значения R₀=(1+g₂₁R_f)/g₂₂≈g₂₁R_f/g₂₂.