Питание ОУ, синфазный и дифференциальный сигналы.

Питание усилителя осуществляется, как правило, от двухполярного источника электрической энергии, имеющего относительно общей точки положительную и отрицательную полярность. В этом случае выходной сигнал также может быть двухполярным. При однополярном питающем напряжении выходной сигнал однополярный. Питающие напряжения обычно находятся в диапазоне от ±5В до ±18 В. Чаще всего используются напряжения ±6,3 В; ±12,6 В; ±15 В, однако имеются ОУ с напряжением питания ±3 В и менее, а высоковольтные ОУ питаются напряжением более ±18 В.

Выходное напряжение ОУ не может превышать напряжение любого из источников питания. Максимальное выходное напряжение, как правило, на 1 – 2 В меньше по абсолютной величине напряжения питания.

На рис. 14 представлена идеальная передаточная характеристика ОУ. Линейная область характеристики соответствует условию: U_вых = UдК_у. Выходное напряжение ОУ не изменяется или почти не изменяется, если входное напряжение больше максимальных значений по абсолютной величине,

 

 

 

 

Рис. 14. Передаточная характеристика ОУ

 

т. е. U_вх ³ U_{вх max} и U_вх £ U_{вх min} (см. рис. 14).

Чтобы сигнал на выходе не был искажен, входной сигнал должен быть достаточно малым и не выходить за пределы ограничения. В противном случае ОУ попадает в область ограничения, в которой выходное напряжение не зависит от входного.

При анализе работы ОУ принимаются следующие допущения:

- входное сопротивление ОУ бесконечно велико;

- разность потенциалов между входами ОУ стремится к нулю;

- входной ток ОУ равен нулю.

 

 

21. Дифференциальный усилитель, подавление синфазного сигнала.

 

Дифференциальный усилитель (ДУ) является одним из важнейших узлов интегральных схем (ИС), например, операционный усилитель, компаратор, модулятор, демодулятор и т.д. Дифференциальный усилитель – это, как правило, входное устройство, которое определяет основные параметры ИС, такие как входное сопротивление, напряжение смещения, коэффициент ослабления синфазного сигнала, коэффициент усиления дифференциального сигнала.

Дифференциальный каскад представляет собой усилитель с двумя входами, относительно которых коэффициенты усиления одинаковы по величине, но противоположны по знаку. Усиление сигнала, поступающего на один вход, происходит без изменения фазы К+, на другой вход - с изменением знака на противоположный К-. Выходной сигнал определяется результатом суммирования сигналов, поступивших на оба входа U_вых = U_вхК+ - U_вхК-. Дифференциальный усилитель может быть собран как на биполярных, так и на полевых транзисторах. Рассмотрим ДУ на биполярном транзисторе.

 

 

 

 

Рис. 10. Дифференциальный усилитель на БТ

 

Предположим, что оба транзистора дифференциальной пары Т₁ и Т₂ работают в активном режиме и их базовые токи малы (в b раз меньше) по сравнению с токами коллектора. Для тока коллектора Т₁ запишем:

 

,

где I₀ – обратный ток коллектора;

U_б-э – напряжение база – эмиттер (U_б-э = U_б - U_э). U_Т = 0,025 В.

,

где К = 1,38×10^-23 Вт×гр^-1 - постоянная Больцмана;

q = 1,6×10^-19 – элементарный заряд;

U_т – температурный потенциал приблизительно равен 0,025 В.

Аналогично для второго транзистора .

Если транзисторы Т₁ и Т₂ были идентичны и работали при одинаковых коллекторных напряжениях, то I₀₁ = I₀₂. Однако если даже оба транзистора выполнены на одном кристалле, они не будут абсолютно одинаковы. Поэтому вводится понятие «напряжение смещения», определяемое соотношением

,

откуда - .

Если транзисторы идентичны, то U_см ® 0. С учетом напряжения смещения запишем:

 

С учетом того, что I_Q = I₁ + I₂ запишем , откуда

.

 

Подставляя полученное выражение для определения I₁, запишем:

.

 

Разделим числитель и знаменатель на , получим –

 

.

 

Для тока I₂ имеем:

 

 

Поскольку U_б-э1 = U_б1 - U_э1; U_бэ2 = U_б2 - U_э2 и, учитывая, что U_э1 = U_э2, можно записать U_б-э1 - U_б-э2 = U_б1 - U_б2.

Дифференциальное входное напряжение определяется: U_д = U_б1 - U_б2. Запишем значения I₁ и I₂ с учетом U_д:

 

 

Если U_д = U_см, то I₁ = I₂ = I_Q/2 (рис. 11).

 

Рис. 11. Передаточная характеристика ДУ

 

При изменении U_д в одну или другую сторону относительно нулевого потенциала ток одного транзистора увеличивается, другого падает. Однако, нет такой точки, где весь ток I_Q протекает только через один транзистор, а другой полностью закрыт. Рассматриваемый усилитель является дифференциальным или разностным, реагирующим только на разность напряжений, поданных на его входы.

 

 

Суммирующий усилитель.

 

Предполагаем, что ОУ - идеальный, с бесконечно большим коэффициентом усиления.

 

Рис.15 Суммирующий усилитель

 

Найдем выходной сигнал усилителя U_вых, от воздействия каждого входного сигнала U_вх1, U_вх2, U_вх3, U_вх4 в предположении, что сигнал на всех других входных зажимах равен нулю. Результирующее напряжение (выходное) найдем как алгебраическую сумму от воздействия всех входных. Предположим, что на входных зажимах присутствует только U_вх1, а U_вх2 = U_вх3 = U_вх4 = 0. Разность потенциалов между точками а и b можно записать: , в то же время U₄ = U_b = 0, по условию, следовательно, U_a = 0 и потенциал инверсного входа равен нулю или потенциалу общей точки (земли). Инверсный вход, не имея соединения с общей точкой, имеет его потенциал, поэтому его называют потенциально заземленным или мнимо заземленным. Ток через входное сопротивление R₁ равен , т. к. U_а = 0. Поскольку мы рассматриваем идеальный усилитель, входы которого ток не потребляют, поэтому ток, текущий через R_ос = I₁, следовательно, U_вых = U_а - I₁Rос = -I₁R_ос. Выходное напряжение, определяемое воздействием U_вх1 равно .

Аналогично можно определить выходные напряжения от воздействия остальных входных напряжений U_вх2, U_вх3.

; .

 

При воздействии на вход ОУ только U_вх4, U_вх1 = U_вх2 = U_вх3 = 0, резисторы R₁ – R₃ включены параллельно между точкой а и общей точкой (землей), коэффициент усиления будет равен .

Суммарное выходное напряжение от воздействия всех входных будет равно: .

Если U_вх4 ® 0, то .

Вычитание сигналов можно обеспечить сложением с инвертированными входными сигналами.

Повторитель напряжения.

Подбором элементов цепи ОС можно обеспечить К_Uос = 1. Такой усилитель используется для согласования высокоомного источника сигнала с низкоомной нагрузкой.

 

 

Рис. 16 Повторитель напряжения

 

.

 

R_i = 10³ Ом.

 

.