Тема 1.9. Базові схемні конфігурації аналогових мікросхем і підсилювачів постійного струму (ППС)

1 Основні властивості і застосування. (105-106)

2 Підсилювач постійного струму прямого підсилення. (106-108)

3 Балансні ППС. (108-109)

4 Диференційний ППС. (110-111)

Література: Колонтаєвський, с.105-111

Підсилювачами постійного струму (ППС) називаються підсилювачи, які можуть підсилювати дуже повільні електричні сигнали; їх нижня робоча частота

f_Н = 0, а верхня робоча частота f_В визначається призначенням підсилювача.

У вимірювальній техніці широко застосовують датчики. Вони є перетворювачами неелектричних величин в елек­тричні, часто - в напругу постійного струму. Їх вихідна напруга про­порційна таким неелектричним величинам, як температура, тиск, освіт­леність і т.ін. Рівень вихідних напруг датчиків невеликий, з часом вони малозмінні або взагалі незмінні. Для підсилення таких сигналів і ви­користовуються підсилювачі постійного струму (ППС).

АЧХ ППС зображена на рис. 4.1.

Особливість АЧХ ППС - нижня гранична частота діапазону підсилюваних сигналів дорівнює нулю. Отже, є можливість підсилен­ня сигналів постійного струму.

Схемотехнічно це забезпечуєть­ся відсутністю розділових конден­саторів або трансформаторів між джерелом струму, каскадами і навантаженням. Тобто, ППС є підсилювачем з безпосередніми зв'язками.

Перевага наявності розділових елементів - забезпечують розділення за постійним струмом і зв'язок за змінним - ре­жим і-го каскаду за постійним струмом не впливає на роботу інших каскадів, джерела сигналу або навантаження.

У підсилювачах з безпосереднім зв'язком вплив дестабілізуючих факторів (наприклад, змін з часом температури або напруги живлення) на режим спокою каскаду призводить до того, що навіть за відсут­ності вхідного сигналу на виході підсилювача може з'являтися напруга, яка навантаженням буде сприйматися як результат підсилення деяко­го вхідного сигналу. Це явище називається дрейфом нуля ППС.

Дрейф нуля обумовлюється зміною вихідної напруги за зазначений проміжок часу при відсутності вхідного сигналу і

d = (U_{др max} - U _{др. min})/ K_U

 

 

де U_{др max} ,, U _{др. min}. - відповідно максимальне та мінімальне значення вихідної напруги за зазначений проміжок часу;

К_и - коефіцієнт підсилення.

Для зменшення дрейфу в ППС застосовують термозалежні елементи (термокомпенсація), запроваджується жорстка стабілізація напруги живлення та, найчастіше, використовують спеціальні балансні схеми, застосування ВЗЗ.

У ППС завжди має бути пристрій установлення нуля, який дає змогу перед роботою встановити нуль на виході ППС.

 

ППС прямого підсилення

Найпростіша схема ППС є підсилювач прямого підсилення з безпосередніми зв'язками рис.4.2.

Рис. 4.2 - Двокаскадний підсилювач постійного струму прямого підсилення

Це схема двокаскадного підсилювача на БТ, виконаних за схемою зі СЕ. При­значення елементів те ж саме, що і у підсилювачах змінного струму. Вхідний сигнал, що надходить до входу першого каскаду, підсилюється і з колектора транзистора VТ1 подається на вхід другого каскаду, ви­конаного на транзисторі VТ2. Після повторного підсилення, сигнал над­ходить на навантаження R_н.

На відміну від підсилювача змінного струму, де режим спокою ви­бирається з умов найліпшого підсилення вхідного сигналу і не впли­ває на навантаження завдяки наявності реактивних елементів зв'язку, у цьому підсилювачі напруга спокою першого каскаду U_ок безпосередньо подається на вхід другого і, якщо не прийняти спеціальних заходів, під її дією транзистор насичується. Тобто ні про яке підсилення не може йти мови. Для виключення цього явища, до емітерного кола VТ2 вво­дять резистор R_Е2, на якому виділяється напруга U_Е2 , що компенсує напругу U_К0 , оскільки спрямована зустрічно.

Тобто виконується умова U_К0 – U_Е2 = U_Б0; U_Е2 = R_Е2І_Е02,

де І_Е02 – струм емітера в режимі спокою.

Наявність великих R_ЕІ та R_Е2 призводить до виникнення в схемі глибо­ких ВЗЗ, що значно знижує коефіцієнт підсилення. Тому такі підсилю­вачі мають обмежену кількість каскадів (зазвичай не більше двох).

Для того, щоб знизити величину емітерної напруги, можна викорис­тати дільник напруги R_Е2, R_д (зображений на рис. 4.2 пунктиром). У цьому випадку навіть на малому опорі R_Е2 можна одержати потрібний рівень напруги. Але зменшення ВЗЗ призводить до підвищення втрат потужності, а отже, до зниження к.к.д.

Коефіцієнт підсилення схеми в цілому К_Uзаг = К_U1К_U2. (1),

де К_U1=β₁R^′_к1 /R_вх1 (2) -коефіцієнт підсилення першого каскаду;

К_U2=β₂R^′_к2 /R_вх2 (3)- коефіцієнт підсилення другого каскаду.

Даний підсилювач має велике значення дрейфу нуля і використо­вується у випадках, коли немає високих вимог до якості підсилення. Для підвищення стабільності схеми в якості R_ЕІ і R_Е2 використовують терморезистори.

Основними методами підвищення стійкості ППС є:

1 Застосування балансних (мостових) схем.

2 Перетворення постійної напруги в змінну і підсилення змінної напруги з подальшим випрямленням (підсилення з модуляцією і демодуляцією сигналу – МДМ).

Балансні ППС

Балансні ППС будуються на основі чотириплечого моста з пара­лельним балансом, схема якого наведена на рис. 4.3.

 

 

Рис. 4.3 -Чотириплечий міст

Якщо міст збалансований, тобто R1/R2 = R3/R4, то при зміні Е_дж чи від пропорційних змін параметрів плечей баланс не порушується и в резисторі навантаження струм рівний нулю, а отже і напруга U₁₂ = 0.

Якщо замінити резистори R2 і R4 транзисторами, то отримаємо балансну схему (рис. 4.4)- зображена найпростіша схема балансного підсилювача.

Рис. 4.4 - Балансний підсилювач

Він складається з двох каскадів на транзисторах VТІ і VТ2. Причо­му параметри елементів обох каскадів повинні бути практично одна­ковими (в тому числі і транзисторів, що досить важко виконати): R₁ =R′₁; R₂ =R′₂ ; R_K1 =R′_K1 ;

R_K2 =R′_K2. Навантаження R_н вмикається між колекторами транзисторів.

Підсилювач являє собою чотириплечий міст, де роль резистора R₁ ви­конує R_КІ; R₂ - опір транзистора VТІ; R₃ - R'_K1; R₄ - опір транзистора VТ2.

Якщо вхідний сигнал відсутній, напруга на навантаженні дорівнює нулю (коли схема абсолютно симетрична). Дрейф нуля практично у 20 - 30 разів менший, ніж у підсилювача з безпосередніми зв'язками, оскільки визначається різницею І_0К1 та І_0К2.

Дія вхідної напруги будь-якої полярності приводить до розбалансу моста, оскільки на бази транзисторів подаються напруги різних знаків. При цьому потенціали колекторів одержують однакові по абсолютній величині, але протилежні по знаку прирости, через опір навантаження проходить струм, що створює на R_Н напругу U_ВИХ, величина і полярність якої залежать тільки від величини і полярності вхідної напруги. Таким чином, амплітудна характеристика балансної схеми принципово не повинна відрізнятися від прямої лінії, яка проходить через початок координат.

За наявності вхідного сигналу з полярністю, що вказана на рис. 4.4, транзистор VТІ відкривається, його колекторний струм зростає, а транзистор VТ2

пропорційно закривається і його колекторний струм зменшується. Внаслідок цього на навантаженні R_н з'являється напру­га розбалансу.

Коефіцієнт підсилення становить

К = βR^′_K /R_вх , де R^′_K = R_K /2.

Недоліком такого ППС є наявність значного ВЗЗ, зумовленого ве­ликими значеннями R_E1 і R _E2. Виключити цей недолік дозволяє схемо­технічне рішення, наведене на рис. 4.5.

Рис. 4.5 - Вилучення впливу ВЗЗ у балансному підсилювачі

 

У реальних балансних схемах завжди є деяка асиметрія. Тому напруга дрейфу на виході повністю не зникає. Проте дрейф нуля в балансних схемах визначається різницею струмів обох транзисторів і тому значно менше, ніж в звичних схемах прямого підсилення.

Для забезпечення додаткової симетрії схеми і регулювання струмів транзисторів в режимі спокою використовується змінний резистор R_о. Величина цього резистора невелика, звичайно, R_о ≈ (0,01…0,05) R_Е . На резисторі R_Е створюється падіння напруги за рахунок струмів емітера обох транзисторів, яке використовується як напруга від′ємного зворотного зв′язку в режимі спокою

U_E = R_E (I_E1+ I_E2);

Будь-які одночасно виникаючі нестабільності струмів транзисторів (через вплив температури, джерела живлення і ін.) зменшуються за рахунок глибокого від′ємного зворотного зв'язку. Разом з тим на резисторі R_Е нестворюється напруга зворотного зв'язку для складових струмів ΔI_E1, ΔI_E2 , викликаних дією корисного сигналу, тому що струми обоїх транзисторів під впливом сигналу одержують рівні, але протилежні відносні зміни (ΔI_E1= - ΔI_E2), оскільки потенціали баз завжди протилежні один одному. Отже коефіцієнт підсилення схеми не зменшується.

Таким чином, відносні зміни струмів емітерів під дією вхідного сигналу взаємно компенсуються, виключаючи ВЗЗ за підси­люваним сигналом. ВЗЗ за постійним струмом залишається.

ΔU_E = R_E (ΔI_E1+ ΔI_E2); ΔU_E =0.

Включивши послідовно з R_Е додаткове джерело живлення Е_Ек2, можна забезпечити такий початковий режим роботи транзисторів, при якому потенціали входів рівні нулю і, отже, можливе вилучити із схеми опори дільникіів R₁, R₂, R₃, R₄. В результаті отримаємо схему дифференціального підсилювача. (ДП)

 

Диференційний ППС

Диференційним підсилювачем (ДП) називається підсилювач, який працює по принципу збалансованої мостової схеми і підсилює різницю двох напруг.

Рис.2

Схема з симетричними Схема з симетричним входом Схема з несиметричним входом входом і виходом і несиметричним виходом і симетричним виходом, несимет-

ричним входом і виходом

Рис.3 Рис.4 Рис.5

Коефіцієнт підсилення ДП залежить від способу підключення вхідного сигналу та навантаження:

1) з симетричними входом і виходом - вхідна напруга подається одночасно на обидва входи і навантаження підключається між виходами VT1 і VT2 (рис.3); такий ДП використовується як проміжний в трьохкаскадних ППТ і операційних підсилювачах або як вхідний;

2) з симетричним входом і несиметричним виходом - вхідна напруга подається на обидва входи, а навантаження підключається до одного з виходів схеми і до корпусу (рис.4); подібний ДП застосовується як проміжний в трьохкаскадних операційних підсилювачах

3) з несиметричними входом і симетричним виходом- вхідна напруга подається тільки на один із входів, а навантаження підключається між виходами VT1 і VT2 (використовується U_ВИХ.Д - рис.5); він може застосовуватися як вхідний в трьохкаскадних ППТ і операційних підсилювачах

4) з несиметричними входом і виходом- навантаження підключається до одного з виходів схеми (використовується U_ВИХ2 - рис.5); (вхід VT2 транзистора (база) в загальному випадку заземлен за змінним струмом.

Визначимо показники ДП при його включенні з симетричним і входом і виходом (рис.3). Розрізняють дію на ДП протифазного і синфазного сигналів.

В ДП вхідні напруги подаються в базові кола транзисторів, а вихідна напруга знімається між колекторами транзисторів, тобто вихідна напруга на симетричному виході пропорційна диференційному (різницевому) вхідному сигналу або сумі протифазних напруг

U_ВИХ.Д = К_U (U_ВХ1 - U_ВХ2)= К_U U_ВХ.Д. U_ВХ.Д = U_ВХ1 - U_ВХ2

Отже, U_ВИХ.Д не залежить від абсолютного значення напруги вхідних сигналів, а визначається їх різністю. Оскільки на транзистори VT1 і VT2 (рис.2) діють протифазні напруги, то струми емітерів цих транзисторів також змінюються в протифазі. Прирощення одного струму буде компенсуватися прирощенням другого, через резистор R_Е протікає тільки постійний струм І₀ = І_Е1 + І_Е2 ≈ 2І_{Е .}

При дії на ДП протифазних сигналів змінна напруга на R_Е відсутня, ВЗЗ через наявність R_Е також відсутній.

Якщо параметри транзисторів диференційного підсилювача рівні, і

Rк = Rк₁ = Rк₂, то К_UД = К_U1 = К_U2= U_{ВИХ Д} / U_ВХД = ≈ h_21Е Rк/ h₁₁

Вхідний опір диференційного підсилювача з симетричним входом дорівнює:

R_{ВХ Д} = U_{ВХ Д} / І_ВХ = (U_ВХ1 + U_ВХ2) / І_б = 2 R_{ВХ Е} = 2 h₁₁

Вихідний опір R_{ВИХ Д} ≈ 2 Rк

При дії на ДП синфазного сигналу обидва транзистори працюють на R_Е як би паралельно, тобто при дії вхідного сигналу обидва транзистори відкриваються. Їх вхідні струми, а, отже, і струми емітерів одночасно збільшуються. В результаті

через R_Е матиме місце подвійний приріст струмів емітерів і на R_Е з'явиться напруга. Ця напруга є для транзисторів VT1 I VT2 напругою послідовного ВЗЗ за струмом, яка змінює вхідний опір і коефіцієнт підсилення ДП.

Якщо схема повністю симетрична, при дії синфазного сигналу зміна струмів колекторів плеч ДП буде рівна і рівна зміна напруг U_ВИХ1 i U _ВИХ2. Тому на симетричному виході ДП U_ВИХ.Д =0, тобто синфазний сигнал повністю знищується.

Важливим показником ДП є коефіцієнт підсилення напруги синфазного сигналу К_UСФ = U_ВИХ1 / U_ВХСФ = U_ВИХ2 / U_ВХСФ.

Оскільки для синфазного сигналу в ДП діє ВЗЗ, то

К_UСФ =h₂₁ R_К / R_ВХ.ЗЗ ,

де R_ВХ.ЗЗ – вхідний опір ДП для синфазного сигналу.

Вважаючи І_ВХ = І_б,R_ВХ.ЗЗ = U_ВХСФ/ І_б.

На практиці повного знищення постійного рівня синфазного сигналу не відбувається тому, що параметри навіть інтегральних транзисторів і резисторів не можуть бути ідеально узгоджені між собою. Тому деяка частина вхідного синфазного сигналу також підсилюється, вносячи у вихідну диференційну напругу синфазну складову:

U_ВИХ = К_UД (U_ВХ1 - U_ВХ2) + К_UСФ U_ВХСФ, U_ВХСФ =0,5(U_ВХ1 + U_ВХ2)

де К_UСФ ≈ Rк/2 R_Е – коефіцієнт підсилення синфазної вхідної напруги.

Коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу:

К_О.Сф.С = К_UД/ К_UСФ ≈ R_Е./ r_Е,

він характеризує якість роботи ДП і показує його здатність виділити слабкий протифазний сигнал на фоні сильної синфазної перешкоди.

Чим більше значення коефіцієнта ослаблення синфазного сигналу К_О.Сф.С , тим кращий диференційний підсилювач.

Для кращого подавлення синфазної напруги (перешкоди) необхідно включати великий опір в коло емітера. Резистор R_Е >> h_11Е - призначений для стабілізації емітерного струму. Струм через нього дорівнює:

І₀ = І_Е1 + І_Е2 ≈ І_К1 + І_К2

Опір резистора в колі емітера R_Е не можна брати дуже великим, тому що через емітерний опір протікає струм спокою обох транзисторів, що викликає велике падіння постійної складової напруги. Тому для подавлення синфазної складової напруги в якості емітерного резистора R_Е використовують схеми генераторів стабільного струму (ГСС)(схема на транзисторах), які мають малий опір для постійної складової і великий опір для змінної складової (диференційний опір) (рис.1).

 

 

 

 

 

Схема з симетричними Схема з симетричним входом Схема з несиметричним входом входом і виходом і несиметричним виходом і симетричним виходом, несимет-

ричним входом і виходом

 

 

 

 

1.10 Операційні підсилювачі

 

Підсилювачі постійного струму. Структурна схема операційних підсилювачів. Основні параметри та характеристики ОП Вирішальні структури на базі ОП: інвертуючий та неінвертуючий підсилювачі, інвертуючий та неінвертуючий суматори. Інтегратор на диференціатор