Методы борьбы с дрейфом нуля. Дифференциальные каскады.

Схема замещения ОУ содержит входной дифференциальный каскад с коэффициентом передачи К_1, который преобразует входной дифференциальный сигнал в выходной ток, поступающий на интегрирующее звено с коэффициентом передачи К₂ . Выходной каскад является усилителем мощности и представляет собой повторитель напряжения. Их отличает высокая стабильность работы, малый дрейф нуля, большой коэффициент усиления дифференциального сигнала и большой коэффициент подавления синфазных помех. Любой ДУ выпол­няется по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами R_к1 и R_к1, а два других — транзисторами Т1 и Т2. Сопротивление нагрузки включается между коллекторами транзисторов, т. е. в диагональ моста. Питание ДУ осуществляется от двух источников, напряжения которых равны (по модулю) друг другу, таким образом, суммарное напряжение питания ДУ равно 2Е. В реальных усилителях требуется выполнить два основных требования, для обеспечения необходимых параметров работ:

1. симметрии обоих плеч ДУ. По нему необходимо обеспечить идентичность параметров каскадов ОЭ(общим эмитером), образующих ДУ. При этом должны быть одинаковы параметры транзисторов Т1 и Т2, а также R_к1 = R_к2 (и R₀₁ = R₀₂). Если первое требование выполнено полностью, то больше ничего и не требуется для получения идеального ДУ. Действительно, при U_вх1 = U_вх2 = 0 достигается полный баланс моста, т. е. потенциалы коллекторов транзисторов Т1 и Т2 одинаковы, следовательно, напряжение на нагрузке равно нулю.

2. обеспечить глубокую ООС(Отрицательная обратная связь) для синфазного сигнала. Синфазными называются одинаковые сигналы, т. е. сигналы, имеющие равные амплитуды, формы и фазы. Если на входах ДУ (рис. 10) присутствуют U_вх1=U_вх2, причем с совпадающими фазами, то можно говорить о поступлении на вход ДУ синфазного сигнала. Синфазные сигналы обычно обусловлены наличием помех, наводок и т. д. Выполнить второе основное требование позволяет введение в ДУ резистора R_Э , (или его электронного эквивалента). Если на вход ДУ поступает сигнал синфазной помехи, например, положительной полярности, то транзисторы Т1 и Т2 приотк­роются и токи их эмиттеров возрастут. В результате по резистору R_Э будет протекать суммарное приращение этих токов, об­разующее на нем сигнал ООС. Нетрудно показать, что R_Э образует в ДУ последовательную ООС по току. будет наблюдаться уменьшение коэффициента усиления по на­пряжению для синфазного сигнала каскадов ОЭ, образующих общие плечи ДУ, K_исф1 и К_исф2. коэффициент усиления ДУ для синфазного сигнала К_исф = К_исф1 - К_исф2 и за счет выполнения первого основного требования К_исф1 ≈ К_исф2 удается получить весьма малое значение К_исф, т. е. значительно подавить синфазную помеху.

Таким образом, при выполнении в ДУ двух основных требова­ний он обеспечивает стабильную работу с малым дрейфом нуля, с хорошим усилением дифференциального сигнала и со значитель­ным подавлением синфазной помехи.

 

 

Операционные усилители.

Операционный усилитель (ОУ) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

Инвертирующий вход – фаза на выходе не совпадает, неинвертирующий – совпадает.

Идеальный ОУ имеет бесконечно большое входное сопротивление, нулевое выходное сопротивление и бесконечно большой коэффициент усиления.

Параметры ОУ: смещение или напряжение сдвига нуля, входные токи смещения, разность входных токов, входное сопротивления, коэффициент ослабления синфазного сигнала, коэффициент шума, выходное напряжение и выходной ток, коэффициент усиления, полоса пропускания, скорость нарастания выходного напряжения, время установления выходного напряжения, время восстановления.

Специфические параметры: коэффициент усиления дифференциального сигнала Kд = Uвых /Uвх д (дифференциальный сигнал – напряжения между одним из входов и общей точкой системы);

коэффициент ослабления синфазного сигнала – Косл сф = Кд / Ксф (показывает, во сколько раз коэффициент передачи дифференциального сигнала больше коэффициента передачи синфазных сигналов), дифференциальное входное сопротивление (сопротивление со стороны любого входа при подключении другого к общей точке схемы).

 

 

 

Шумы в электронных схемах.

ШУМЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ, электрические шумы, сопровождающие процессы генерирования, усиления или преобразования полезных сигналов электронными приборами. Определяют мин. (пороговую) величину полезного сигнала, при к-рой он ещё может быть воспроизведён или усилен без искажений, приводят к уширен и ю спектральной линии генерируемых колебаний. В общем случае вклад в Ш. э. п. вносят как естеств. шумы (дробовые, фликкерные, тепловые), так и техн. шумы.

Вредное влияние естеств. Ш. э. п. на качество работы прибора может быть значительно ослаблено спец. техн. мерами, учитывающими физ. природу каждого из этих шумов. Так, для снижения уровня дробового шума в ЭВП используют такие режимы их работы, при к-рых ток катода меньше полного тока электронной эмиссии (режим пространств, заряда). При работе в таких режимах вблизи катода возникает минимум потенциала (виртуальный кагод), демпфирующий флуктуации тока катода (явление т. н. депрессии дробового шума пространств, зарядом). Указанный механизм успешно используется в диапазоне достаточно низких частот, для к-рого несущественно влияние эффектов, связанных с конечным временем пролёта эл-нов от катода к аноду (пролётных эффектов). В диапазоне СВЧ механизм подавления дробовых шумов значительно сложнее (см. Электронный поток).

Для понижения дробового и фликкерного шумов ЭВП большое значение при разработке и изготовлении этих приборов придаётся повышению однородности катода, тщательному обезгаживанию, приведению всех узлов прибора и его параметров в стабильное состояние в ходе тренировки электронных приборов. Осн. путь снижения тепловых Ш. э. л. (как это следует из ф-лы Найквиста) — уменьшение активных потерь в элект-родинамич. системах приборов, понижение темп-ры (охлаждение приборов). Снижение уровня шумов в ПП приборах достигается след. мерами: уменьшением паразитных контактных сопротивлений; уменьшением времени пролёта носителей заряда; уменьшением ёмкостей ПП приборов; совершенствованием технологич. процесса с целью обеспечения заданного состава исходных материалов и профиля легирования разл. областей структуры ПП прибора (см., напр., Малошумящий транзистор).

Технические Ш.». п. Применительно к ПП приборам термин «технические шумы» обычно не употребляется. Среди техн. шумов ЭВП осн. значение имеют шумы токораспре деле ни я, шумы вторичной электронной эмиссии, ионный шум, а также шумы контактные, вибрационные и др. Шумы токораспределеиия возникают из-за случайного перераспределения тока между электродами прибора, что приводит к увеличению флуктуации в его электронном потоке. Осн. средство борьбы с такими шумами — упучше-ние токопрокождения в приборе- Шумы вторичной электронной эмиссии заключаются в дополнит, флук-туациях ВЧ поля, индуцируемого вторичными эл-нами, испускаемыми электродами прибора (в основном коллектором). Такие шумы успешно подавляют, используя для электродов материалы с низким коэф. вторичной эмиссии, а также спец. конструкции коллекторных узлов, препятствующие проникновению вторичных эл-иов в электродина-мич. систему. Ионные шумы обусловлены электронно-ионными столкновениями, бомбардировкой катода ионами, а также плазменными колебаниями ионов, модулирующими ВЧ сигнал. Ионные шумы подавляются тщательным обезга-живанием прибора, устранением в нём ионных ловушек, в частности в области катода. К техн. шумам относят также Ш. э. п. в узкой полосе частот, напр. гудение, вызванное магн. полем тока подогревателя катода, микрофонный эффект, трески, возникающие при вибрации приборов -и попадании в их рабочее пространство посторонних ч-ц, шорохи, появляющиеся при ухудшении межэлектродной изоляции.

При количеств, оценке Ш. э. п. обычно отвлекаются от учёта каждого отд. источника шума, рассматривая нек-рые эквивалентные источники (генераторы шумового тока или шумового напряжения). Напр., шумовые св-ва электронных усилит, ламп характеризуют эквивалентным шумовым сопротивлением, находящимся при темп-ре 293 К и включённым на вход последовательно с источником сигнала. В др. случаях может рассматриваться согласованное с нагрузкой сопротивление, находящееся при нек-рй эквивалентной темп-ре, и ли акти вный четырёхполюсник, характеризуемый нек-рыми обобщёнными параметрами (шума коэффициентом или шумовой темп-рой).

Инвертирующий усилитель

Входной сигнал подан на инвертирующий вход, поэтому выходное напряжение находится в противофазе со входным напряжением. Резистор R1 учитывает также внутреннее сопротивление Rг источника сигнала Ег. Неинвертирующий вход соединен с общей шиной (землей) через резистор R2.

По цепи резистора Rо.с. выходной сигнал поступает на вход усилителя в противофазе со входным сигналом, и ОУ охвачен параллельной ООС по напряжению. Поэтому коэффициент усиления по напряжению ОУ определятся:

Коэффициент усиления по напряжению:

Минус указывает на инвертирование сигнала.

 

Входное сопротивление инвертирующего усилителя на ОУ Rвх.инв имеет относительно небольшое значение ввиду сильного влияния параллельной ООС по напряжению:

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя невелико и определяется как небольшим Rвых.оу, так и глубокой ООС по напряжению:

 

 

 

Неинвертирующий усилитель.

В этом усилителе входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий вход подается сигнал обратной связи через делитель R1 и Rос.

Напряжение обратной связи, снимаемое с делителя R1, Rос, пропорционально выходному напряжению усилителя:

Коэффициент усиления:

Кuнеив=Uвых/Uвх=(R1+Rос)/R1=1+ Rос/R1

За счет глубокой последовательности ООС, охватывающей усилитель, и большого входного сопротивления ОУ Rвх.оу входное сопротивление неивертирующего усилителя велико и определяется:

Rвх.неинв= Rвх.оу*Кuоу/Kuнеинв

При увеличении глубины ООС в неинвертирующем усилителе коэффициент усиления Kuнеинв уменьшается и при 100%-й ООС стремится к единице. Неинвертирующий усилитель становится повторителем напряжения.