Обратная связь в усилителях
Контрольная
работа
ОБРАТНАЯ
СВЯЗЬ В УСИЛИТЕЛЯХ
Содержание
Общие сведения
Комплексный
коэффициент усиления усилителя с обратной связью
Отрицательная и
положительная обратная связь
Типы обратной связи
Влияние
отрицательной обратной связи на коэффициент усиления
Влияние
отрицательной обратной связи на входное и выходное сопротивление усилителя
Влияние
отрицательной обратной связи на частотные и переходные характеристики усилителя
Местные обратные
связи в резистивно-емкостном каскаде с общим эмиттером
Усилители с
частотно-зависимой цепью отрицательной обратной связи
Усилители
постоянного тока
Дифференциальный
усилитель
Операционный
усилитель
Основные параметры
ОУ
Линейные устройства
на операционных усилителях
Литература
обратная
связь частота ёмкость усилитель
Общие
сведения
Любая физическая система может находиться в
состоянии равновесия по отношению к внешней среде, если для нее имеет место
обратная связь, за счет которой при отклонении стабилизируемого параметра от
его равновесного значения вырабатывается сигнал, заставляющий систему
возвращаться в исходное состояние. Обратная связь такого вида называется
отрицательной. Примером системы с отрицательной обратной связью может служить
устройство, поддерживающее температуру в системе на заданном уровне. Если же
при отклонении стабилизируемого параметра от его равновесного значения сигнал
обратной связи, наоборот, поддерживает это отклонение, то система удаляется от
равновесного состояния. Такая обратная связь называется положительной.
Обратная связь широко применяется в различных
электронных устройствах, например, в усилителях и генераторах. При этом в
усилителях обычно применяется отрицательная обратная связь, а в генераторах -
положительная обратная связь.
Применительно к усилителям под обратной связью
понимают связь выходной цепи усилителя с его входной цепью, благодаря которой
обеспечивается передача сигнала с выхода усилителя на его вход. Электрическая
цепь, которая обеспечивает эту связь, называется цепью обратной связи. Петлей
обратной связи называют замкнутый контур, включающий в себя цепь обратной связи
и часть усилителя между точками подключения обратной связи.
В реальных усилителях может существовать
внутренняя, внешняя и паразитная обратная связь. Внутренняя обратная связь
существует во всех активных элементах и зависит от их физических свойств.
Внешняя обратная связь вводится в схему усилителя с целью изменения его
параметров (повышение стабильности коэффициента усиления, изменения частотной
характеристики, входного и выходного сопротивлений и т.д.). Паразитная обратная
связь появляется в усилителях из-за возникновения емкостных, индуктивных и
гальванических связей в схемах, создающих пути для передачи сигнала с выхода на
вход.
Местной обратной связью принято называть
обратную связь, охватывающую отдельные каскады усилителя, общей обратной связью
- связь, которая охватывает весь
усилитель.
В качестве цепей обратной связи обычно применяют
пассивные линейные цепи.
Комплексный
коэффициент усиления усилителя с обратной связью
Структурную схему усилителя
напряжения с обратной связью (рис. 1) можно представить в виде собственно
усилителя с комплексным коэффициентом усиления 
и четырехполюсника с комплексным
коэффициентом передачи 
где 
-
комплексная амплитуда напряжения, передаваемого с выхода усилителя на его вход.
Коэффициент 
называют
коэффициентом обратной связи. Модуль этого коэффициента показывает, какая часть
выходного напряжения на частоте w
передается на его вход. Аргумент коэффициента характеризует фазовый сдвиг сигнала
в цепи обратной связи.
Стрелки на рис. 1 указывают направление
распространения сигналов.
Напряжение на входе усилителя,
охваченного обратной связью,
.
Напряжение на выходе усилителя
.
Отсюда комплексный коэффициент усиления
усилителя с обратной связью
(*)
Отрицательная
и положительная обратная связь
Представим произведение 
в виде:
где φК(ω) и φβ(ω) -
фазо-частотные характеристики соответственно собственно усилителя и цепи
обратной связи.
Рассмотрим два случая.
. Пусть на какой-то частоте w1 φК(ω1) + φβ(ω1) = 0 или 2pn, где n - целое число,
т.е. сигнал обратной связи по фазе совпадает с сигналом на входе усилителя.
Такая обратная связь называется положительной. При этом exp[φК(ω1) + φβ(ω1)] = 1 и
выражение (*) примет вид:
При β(ω1)K(ω1) < 1
коэффициент усиления усилителя с обратной связью на частоте w1 больше, чем
коэффициент усиления на этой частоте собственно усилителя, а фазовые сдвиги
сигналов в усилителях одинаковы. При 
®
1 коэффициент усиления 
стремится к
бесконечности. Это соответствует переходу к режиму неустойчивости усилителя.
При определенных условиях усилитель возбуждается и превращается в генератор.
. Пусть на какой-то частоте w1 
+
= p или p(2n - 1), т.е.
сигнал обратной связи находится в противофазе с сигналом на входе усилителя.
Такая обратная связь называется отрицательной. При этом exp[
+
] = -1 и выражение (*) примет
вид:
При отрицательной обратной связи
коэффициент усиления усилителя с обратной связью 
меньше, чем коэффициент усиления
собственно усилителя, а фазовые сдвиги сигналов в усилителях равны.
Величину 1+
называют
глубиной отрицательной обратной связи на частоте w1. Обратная связь
на частоте w1 считается
глубокой, если 
>> 1.
Величину называют
петлевым усилением.
Усилитель обычно охватывают
отрицательной обратной связью, действующей в области средних частот. При этом в
качестве цепей обратной связи используют пассивные линейные цепи с нулевым
сдвигом фаз на средних частотах. Поэтому фазовый сдвиг в петле обратной связи 
+ 
, равный p, можно обеспечить только при
том условии, что усилитель является инвертирующим.
В усилителях, имеющих два входа (инвертирующий и
неинвертирующий), например операционных, для осуществления отрицательной
обратной связи сигнал обратной связи подается на инвертирующий вход, а входной
сигнал на неинвертирующий.
Типы
обратной связи
В зависимости от способа подачи сигнала обратной
связи на вход усилителя различают последовательную и параллельную
обратную связь. Если источник входного сигнала соединен последовательно с
входом усилителя и выходом цепи обратной связи, то обратная связь -
последовательная. В этом случае сигнал обратной связи UОС
подается на вход усилителя последовательно с входным сигналом Uвх
(рис. 2, а). Параллельную обратную связь имеем тогда, когда цепь
обратной связи включается параллельно источнику входного сигнала (рис. 2, б).
При параллельной обратной связи на входе
усилителя происходит алгебраическое сложение токов, а не напряжений, как в
случае последовательной обратной связи. Для этого необходимо, чтобы RС
≠ 0 и R
≠
0.
По способу включения обратной связи на выходе
усилителя различают обратную связь по напряжению и току. При
обратной связи по напряжению сопротивление нагрузки и цепь обратной связи
соединены параллельно друг другу (рис.3, а). В этом случае сигнал
обратной связи пропорционален выходному напряжению усилителя. Если
сопротивление нагрузки и цепь обратной связи соединены последовательно (рис.3, б),
то будем иметь обратную связь по току, при которой сигнал обратной связи
пропорционален току, отдаваемому усилителем в нагрузку.
Таким образом, в схемах усилителей возможны:
· последовательная отрицательная
обратная связь по напряжению;
· последовательная отрицательная
обратная связь по току;
· параллельная отрицательная обратная
связь по напряжению;
· параллельная отрицательная обратная
связь по току.
Влияние
отрицательной обратной связи на коэффициент усиления
Любая отрицательная обратная связь уменьшает
коэффициент усиления усилителя.
В реальных усилителях коэффициент усиления по
ряду причин может изменяться (например, из-за изменения температуры окружающей
среды и (или) напряжений питания). При глубокой отрицательной обратной связи
коэффициент усиления усилителя, охваченного отрицательной обратной связью,
практически не зависит от параметров усилителя без обратной связи и нагрузки.
Таким образом, отрицательная обратная связь уменьшает нестабильность
коэффициента усиления. Однако следует помнить, что в усилителе стабилизируется
тот параметр, по которому введена обратная связь. Так, коэффициент усиления по
напряжению стабилизируется только в случае обратной связи по напряжению.
Влияние
отрицательной обратной связи на входное и выходное сопротивление усилителя
Входное сопротивление усилителя с обратной
связью определяется способом включения цепи обратной связи во входную цепь
усилителя. Поэтому обратные связи по напряжению и по току почти не влияют на
входное сопротивление усилителя.
Последовательная отрицательная обратная связь
увеличивает входное сопротивление усилителя в (1+КUb)
раз.
Введение параллельной обратной связи по
напряжению приводит к уменьшению входного сопротивления усилителя и
эквивалентно подключению параллельно входному сопротивлению усилителя сопротивления
обратной связи R
(рис.2,б), уменьшенного в (1+КU)
раз.
При введении параллельной обратной связи по току
входное сопротивление усилителя уменьшается в (1+bКU)
раз.
Выходное сопротивление усилителя с обратной
связью зависит от способа включения цепи обратной связи в выходную цепь
усилителя.
Таким образом, при введении отрицательной
обратной связи по току выходное сопротивление усилителя увеличивается, что
свидетельствует о стабилизации выходного тока, так как обратная связь по току
препятствует его изменениям.
Влияние
отрицательной обратной связи на частотные и переходные характеристики усилителя
Частотные свойства усилителя с
обратной связью зависят как от 
, так и от 
. Поэтому,
оставляя неизменным собственно усилитель, можно в широких пределах варьировать
частотные характеристики, изменяя лишь параметры цепи обратной связи.
Если на некоторых частотах обратная
связь глубокая, т.е. 
» 1, то
.
Таким образом, на этих частотах АЧХ
усилителя с отрицательной обратной связью полностью определяется АЧХ цепи
обратной связи. Так, например, если b
не зависит от частоты, то и 
от частоты не зависит, т.е.
происходит выравнивание АЧХ усилителя.
ФЧХ усилителя при глубокой обратной
связи также определяется ФЧХ цепи обратной связи.
В промежуточных случаях, когда
произведение 
имеет величину, измеряемую
несколькими единицами, предельные соотношения не соблюдаются, однако АЧХ и ФЧХ
существенно улучшаются по сравнению с характеристиками собственно усилителя.
Выравнивание АЧХ и ФЧХ усилителя с
обратной связью приводит к тому, что его полоса пропускания расширяется по
отношению к полосе пропускания собственно усилителя (рис. 4). Однако расширение
полосы пропускания имеет место не всегда.
Физически расширение полосы
пропускания заключается в ослаблении сигнала отрицательной обратной связи на
границах полосы пропускания собственно усилителя, что возможно лишь в том
случае, когда глубина обратной связи зависит от частоты.
Поскольку обратная связь может
улучшать частотные характеристики усилителя, то переходная характеристика тоже
должна “улучшаться”.
В ряде случаев обратные связи используют,
наоборот, для уменьшения полосы пропускания усилителя, как, например, в
избирательных усилителях.
Местные
обратные связи в резистивно-емкостном каскаде с общим эмиттером
Принципиальная схема RC-каскада с
отрицательной параллельной обратной связью по напряжению приведена на рис.5.
В данном каскаде обратная связь осуществляется
за счет подачи выходного напряжения на вход через сопротивление Roc.
Так как каскад с общим эмиттером инвертирует входной сигнал, обратная связь
является отрицательной. Напряжение обратной связи создается на сопротивлении
источника сигнала, зашунтированном последовательно соединенными конденсатором С1
и входным сопротивлением RВХ, представляющим собой
параллельно соединенные сопротивления базового делителя R1 и R2
и входное сопротивление транзистора.
Принципиальная схема RC-каскада с местной
последовательной обратной связью по току приведена на рис.6.
Напряжение обратной связи получается на
резисторе Rос,
через который протекает ток в цепи эмиттера транзистора.
Усилители
с частотно-зависимой цепью отрицательной обратной связи
В ряде случаев отрицательная обратная связь в
усилителях используется не для расширения, а, наоборот, для сужения полосы
пропускания RC-каскада
или для получения требуемой АЧХ. Напомним, что при глубокой в некотором
диапазоне частот отрицательной обратной связи АЧХ и ФЧХ усилителя в этом
диапазоне полностью определяются цепью отрицательной обратной связи.
Следует обратить внимание на то, что АЧХ и ФЧХ
усилителя с глубокой отрицательной обратной связью «обратны» АЧХ и ФЧХ цепи
обратной связи. Так если цепь обратной связи со стороны выхода является RC-цепью
дифференцирующего типа, то усилитель с обратной связью имеет частотные
характеристики, свойственные RC-
цепи интегрирующего типа. И наоборот. Разумеется, это справедливо в
ограниченном диапазоне частот.
Рассмотрим пример использования отрицательной
обратной связи для построения избирательных усилителей. В этом случае цепь
обратной связи должна быть частотно-зависимой. В качестве такой цепи часто
используют так называемый двойной Т-образный мост (рис. 7), имеющий
коэффициент передачи
.
АЧХ и ФЧХ такого моста (рис. 7,б) и описываются
следующими выражениями:
; 
.
Частота, на которой коэффициент передачи имеет
минимальное значение, называется квазирезонансной и определяется по
формуле
.
Из рис.7,б видно, что на
частоте 
фазовый
сдвиг между входным и выходным напряжениями моста равен нулю. Поэтому для
включения моста как цепи отрицательной обратной связи необходимо, чтобы фаза
выходного сигнала усилителя изменялась на 1800.
При соблюдении этого условия
отрицательная обратная связь на частоте 
практически не действует.
Следовательно, коэффициент усиления
схемы на частоте будет иметь
максимальное значение, равное коэффициенту усиления усилителя без обратной
связи 
. На всех
остальных частотах действует сильная отрицательная обратная связь, уменьшающая
коэффициент усиления схемы до значения
.
На рис. 8 приведена АЧХ узкополосного усилителя
(кривая 1). Штриховыми линиями показаны характеристики усилителя без обратной
связи (кривая 2) и двойного Т-образного моста (кривая 3).
Усилители
постоянного тока
Усилителями постоянного тока (УПТ) называются
устройства, предназначенные для усиления медленно изменяющихся сигналов вплоть
до нулевой частоты. АЧХ усилителя постоянного тока приведена на рис. 8.
Отличительной особенностью УПТ является
отсутствие разделительных элементов, предназначенных для отделения усилительных
каскадов друг от друга (а также от источника сигнала и нагрузки) по постоянному
току.
Для осуществления передачи сигналов частот,
близких к нулю, в УПТ используется непосредственная (гальваническая) связь.
Непосредственная связь может быть использована и в обычных усилителях
переменного тока с целью уменьшения числа элементов, простоты реализации в
интегральном исполнении, стабильности смещения и т. д. Однако такая связь
вносит в усилитель ряд специфических особенностей, затрудняющих как его
выполнение, так и эксплуатацию. Хорошо передавая медленные изменения сигнала,
непосредственная связь затрудняет установку нужного режима покоя для каждого
каскада и обусловливает нестабильность их работы.
При разработке УПТ приходится решать две
основные проблемы: согласование потенциальных уровней в соседних каскадах и уменьшение
дрейфа (нестабильности) выходного уровня напряжения или тока (дрейф нуля).
Дрейфом нуля (нулевого уровня)
называется самопроизвольное отклонение напряжения или тока на выходе усилителя
от начального значения. Этот эффект наблюдается и при отсутствии сигнала на
входе. Поскольку дрейф нуля проявляется таким образом, как будто он вызван
входным сигналом УПТ, то его невозможно отличить от истинного сигнала.
Существует достаточно много физических причин, обусловливающих наличие дрейфа
нуля в УПТ. К ним относятся нестабильности источников питания, температурная и
временная нестабильности параметров транзисторов и резисторов, низкочастотные
шумы, помехи и наводки. Качество УПТ обычно оценивают по напряжению дрейфа
нуля, приведенного к входу усилителя: едр=
.
Приведенный к входу усилителя дрейф нуля не зависит от коэффициента усиления по
напряжению Ku и
эквивалентен ложному входному сигналу. Величина едр
ограничивает минимальный входной сигнал, т. е. определяет чувствительность
усилителя.
В усилителях переменного тока,
естественно, тоже имеет место дрейф нуля, но так как их каскады отделены друг
от друга разделительными элементами (например, конденсаторами), то этот
низкочастотный дрейф не передается с выхода предыдущего каскада на вход
последующего каскада и не усиливается им. Поэтому в таких усилителях
(рассмотренных в предыдущих разделах) дрейф нуля минимален и его обычно не
учитывают.
Дифференциальный
усилитель
Основой современных УПТ в интегральном
исполнении (операционных усилителей) являются так называемые дифференциальные
усилители (дифференциальные каскады), реагирующие на разность сигналов на двух
его входах (дифференциальный сигнал). Схема дифференциального каскада (ДК)
состоит из двух симметричных плеч, что дает возможность иметь на выходе
реальный нуль при нулевых или равных сигналах на входе, причем при хорошей
симметрии нестабильность нуля (дрейф нуля) значительно меньше дрейфа нуля в
обычных каскадах. На рис.9 показана обобщенная схема ДК.
На вход ДК подаются два сигнала UВХ1
и UВХ2 (один из них может быть равен 0).
Дифференциальный входной сигнал UВХД
= UВХ1- UВХ2.
Дифференциальный выходной сигнал UВЫХД
= UВЫХ1- UВЫХ2 = Ku(UВХ1-UВХ2)
= КuUВХД.
Схема ДК приведена на рис. 10. Предполагается,
что в схеме используются совершенно одинаковые транзисторы VT1 и VT2,
одинаковые режимы работы этих транзисторов обеспечиваются резисторами Rб,
Rк и Rэ. Поэтому в режиме покоя (UВХ1
= UВХ2 = 0) коллекторные токи транзисторов VT1 и
VT2 одинаковые (т.е. iк1
= iк2
= Iк0) и напряжения на коллекторах каждого транзистора Uк0
= Eп - Iк0Rк.
При противофазных сигналах на входе ток
коллектора одного транзистора (например, VT1) увеличивается, а ток
другого транзистора уменьшается. Приращения токов одинаковы, но противоположны
по знаку. Формируется не равный нулю выходной дифференциальный сигнал.
Коэффициент передачи по дифференциальному выходу для противофазного сигнала
KДПФ=
- SRк,
где 
- крутизна характеристики
транзистора.
Знак минус означает, что с выхода
первого транзистора снимается сигнал, инвертирующий противофазную составляющую,
а с выхода второго транзистора - сигнал, по фазе совпадающий с фазой
противофазной составляющей. Поэтому один из входов, в данном случае первый,
называют инвертирующим, а второй - неинвертирующим. В случае синфазного сигнала
в рассматриваемой полностью симметричной схеме выходной дифференциальный сигнал
равен нулю. При некоторой несимметрии схемы выходной дифференциальный
сигнал не равен нулю. Способность схемы усиливать дифференциальные сигналы и
ослаблять синфазные сигналы характеризуется коэффициентом ослабления синфазного
сигнала, определяемым как отношение коэффициента усиления дифференциального
сигнала к коэффициенту усиления синфазного сигнала и равным КОСС
= SRэ.
Из приведенной формулы следует, что
для увеличения симметрии схемы необходимо увеличивать сопротивление Rэ.
При большом значении KОСС отклонения выходного напряжения от
нуля при действии на схему одинаковых факторов будут минимальны.
Простое увеличение номинала
резистора Rэ повлечет за собой необходимость использования
более высоковольтного источника питания. Поэтому в схемах УПТ вместо резистора Rэ
ставят специальные транзисторные схемы (типа генератора тока), имеющие
невысокое сопротивление в режиме покоя и достаточно высокое сопротивление для
усиливаемых сигналов.
Операционный
усилитель
ОУ - это усилитель постоянного тока, обязанный
своим названием тому факту, что первоначально он использовался в аналоговой
вычислительной технике для выполнения ряда математических операций над
сигналами - суммирования, вычитания, умножения, деления, интегрирования и т.п.
Это достигалось путем введения линейных и нелинейных цепей обратной связи. При
создании ОУ на дискретных элементах они оказывались очень громоздкими и
дорогостоящими, так как для выполнения, заданных операций требовались
сложнейшие схемы, состоящие из десятков усилительных элементов, диодов, и
поэтому они применялись довольно редко. Современные операционные усилители
представляют собой усилители постоянного тока в интегральном исполнении с
низкими значениями напряжения смещения нуля и входных токов и с высоким
коэффициентом усиления. По размерам и цене они практически не отличаются от
отдельного транзистора. В то же время, преобразование сигнала схемой на ОУ
почти исключительно определяется свойствами цепей обратных связей усилителя и
отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью. Кроме того, благодаря
практически идеальным характеристикам ОУ реализация различных электронных схем
на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах.
Поэтому операционные усилители почти полностью вытеснили отдельные транзисторы
в качестве элементов схем ("кирпичиков") во многих областях
аналоговой электроники.
Для обеспечения возможности работы ОУ как с
положительными, так и с отрицательными входными сигналами, используется
двуполярное питающее напряжение. Для этого обычно предусматриваются два источника
постоянного напряжения, которые подключаются к соответствующим внешним выводам
ОУ.
Анализ схем, в которые входит ОУ, можно
существенно упростить, если использовать понятие идеального ОУ. Принято
считать, что идеальный ОУ обладает следующими свойствами:
· бесконечным коэффициентом усиления по напряжению
дифференциального сигнала (Кu
→
∞);
· бесконечным входным сопротивлением (RВХ→
∞);
· нулевым выходным сопротивлением (RВЫХ→
0);
· равенством нулю выходного напряжения
при равных напряжениях на входах;
· бесконечно широкой полосой
пропускания (0…∞ Гц);
· уровень шума Uш=0.
В зависимости от конкретного применения ОУ в
реальных устройствах к ним предъявляют и дополнительные требования, связанные
со спецификой данного устройства.
Наличие коэффициента усиления Кu→∞
создает возможность введения очень глубокой отрицательной обратной связи,
что позволяет добиться минимальных линейных и нелинейных искажений,
стабилизировать параметры ОУ при изменениях параметров питающих напряжений.
Большое RВХ
свидетельствует
о том, что ОУ практически не потребляет энергии от источника сигнала, поэтому к
его входу может быть подключен источник сигнала с любым внутренним
сопротивлением.
Очень малое сопротивление RВЫХ
позволяет подключить к выходу ОУ низкоомную нагрузку, при этом потери мощности
на выходном сопротивлении ОУ будут незначительны.
Наличие низкого уровня шума означает, что
реальная чувствительность ОУ очень велика, поэтому ОУ способен усиливать самые
слабые сигналы.
В литературе широко распространено условное
графическое обозначение ОУ в виде треугольника, вершина которого показывает
направление передачи сигнала, знак "плюс" указывает на
неинвертирующий вход, а "минус" - на инвертирующий (рис. 11, а).
В технической документации ОУ обозначают прямоугольником, у которого
инвертирующий вход обозначают кружком (рис.11, б). Встречается также
обозначение ОУ, показанное на рис. 11, в.
Кроме входных и выходных сигнальных выводов ОУ
содержит также выводы для подключения источников питания и выводы для коррекции
работы ОУ. Эти выводы на схемах, как правило, не изображаются.
Структурные схемы ОУ построены по принципу,
принятому и в обычных усилительных устройствах: выходной каскад и ряд каскадов
предварительного усиления. Для получения большого усиления ОУ содержит 2-3
каскада предварительного усиления. Для получения заданных обычно очень высоких
входных показателей в качестве 1-го каскада в ОУ используется дифференциальный
усилитель, обладающий большим входным сопротивлением, высокой
помехозащищенностью, низким дрейфом нуля.
Наличие двух входов дифференциального усилителя
намного расширяет возможности использования ОУ в устройствах различного
назначения.
Выходной каскад ОУ, как правило, собран по схеме
эмиттерного повторителя для получения малого выходного сопротивления.
В 70-е годы, благодаря успехам в
совершенствовании элементной базы ИМС и новым схемным решениям, удалось резко
увеличить коэффициент усиления первого каскада и ограничиться двумя каскадами предварительного
усиления.
Уменьшение числа каскадов повышает,
быстродействие 0У. В схемах ОУ делается внешний вывод от первого каскада для
компенсации напряжения смещения во внешней цепи. В выходных цепях применяют
схемы защиты от перегрузок.
Основные
параметры ОУ
Параметры, описывающие качество ОУ, можно
разделить на три группы: точностные, динамические и эксплуатационные.
К точностным параметрам относятся:
дифференциальный коэффициент усиления по напряжению Ku,
коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС, напряжение смещения
нуля UСМ, входные токи IВХ, разность
входных токов по инвертирующему и неинвертирующему входам IР,
коэффициент влияния источников питания KВИПи коэффициенты
температурных дрейфов перечисленных параметров. Действие точностных параметров
проявляется в том, что при постоянных напряжениях на входах выходное напряжение
ОУ отличается от выходного напряжения идеального операционного усилителя. Для
сопоставления погрешности приводят к входу ОУ.
Ниже будут рассмотрены только параметры, необходимые
для более полного понимания функционирования ОУ в различных схемах.
Дифференциальный коэффициент
усиления по напряжению К0 -
коэффициент усиления по напряжению на постоянном токе при условии, что
отрицательная обратная связь отсутствует. Обычно значения К0
лежат в пределах от 5000 до 700000. Это не означает, что при заданной величине
дифференциального входного сигнала выходное напряжение может принимать очень
большое значение. В реальных схемах его амплитудные положительное и
отрицательное значения ограничены величинами несколько меньшими, чем
положительное и отрицательное напряжения питания ОУ.
Коэффициент ослабления синфазного
сигнала показывает, какое значение дифференциального
входного напряжения Uд следует приложить к входу
усилителя, чтобы скомпенсировать усиление входного синфазного сигнала.
Напряжение смещения нуля UСМ.
Смещение нуля ОУ проявляется в наличии постоянного напряжения на выходе
усилителя при отсутствии входного напряжения. Оно определяется как постоянное
напряжение, которое необходимо приложить к входам ОУ, чтобы на его выходе
установилось нулевое напряжение (UВЫХ=0). Величина UСМ
определяется в основном разбросом напряжений эмиттерно-базовых переходов
входных транзисторов дифференциального каскада в усилителях на биполярных транзисторах
или напряжений затвор-исток в ОУ с полевыми транзисторами на входах. Эта
величина составляет 0,1 - 5 мВ для усилителей общего назначения с биполярными и
0,5 - 20 мВ с полевыми транзисторами на входе. Напряжение смещения может быть
как положительным, так и отрицательным. Если необходимо, чтобы в отсутствие
сигнала напряжение на выходе точно равнялось нулю, к ОУ подключается цепь
регулировки (коррекции) нуля. В некоторых ОУ имеются специальные зажимы для
подключения этой цепи.
Входной ток - постоянный
ток по инвертирующему (
) и
неинвертирующему (
) входам
усилителя. Постоянные входные токи, протекая по резисторам цепей обратной связи
и источников сигналов, создают разность падений напряжения U. Это
приводит к появлению ненулевого выходного напряжения при нулевом входном
напряжении.
Разность входных токов по
инвертирующему и неинвертирующему входам IР. Наличие
ненулевой разности входных токов связано с неточностью согласования коэффициентов
усиления по току транзисторов входного дифференциального каскада ОУ. Величина IР
в несколько раз меньше входного тока. Это позволяет уменьшить влияние входного
тока ОУ на его выходное напряжение при подключении к обоим входам ОУ одинаковых
сопротивлений.
Дифференциальное входное
сопротивление RВХДИФ. Это
отношение дифференциального входного напряжения к изменению тока
неинвертирующего входа в режиме короткого замыкания, т.е. RВХДИФ = ∆UВХ/IВХ.
Дифференциальное входное
сопротивление RВХДИФ идеального
ОУ стремится к бесконечности. Для реального ОУ в зависимости от схемы входного
каскада величина его лежит в диапазоне от 4...5 кОм до десятков мегом. Большое RВХДИФ позволяет
обеспечить управление усилителем при наименьших затратах мощности источником
сигнала и передать на вход ОУ без потерь напряжения источника сигнала. Выходное
сопротивление RВЫХ -
внутреннее сопротивление выхода ОУ относительно земли. Для идеального ОУ RВЫХ → 0,
при этом все выходное напряжение выделяется без потерь в нагрузке. Для реальных
ОУ RВЫХ составляет
единицы и сотни Ом.
Температурный дрейф выходного
напряжения смещения εсм = ∆UСМ /∆T˚C - отношение
изменения входного напряжения смещения к изменению окружающей температуры.
Обычно составляет 1…5 мкВ/˚С.
Динамические параметры ОУ
характеризуют быстродействие ОУ. Их можно разделить на параметры для малого и
для большого сигналов. К первой группе динамических параметров относятся
частотные характеристики, по которым определяют полосу пропускания fп,
частоту единичного усиления fт и время установления tу.
Эти параметры называются малосигнальными, т.к. они измеряются в линейном режиме
работы каскадов ОУ (UВЫХ <1В). Ко второй группе
относятся скорость нарастания выходного напряжения r и мощностная полоса
пропускания fР. Эти параметры измеряются при большом
дифференциальном входном сигнале ОУ (более 50 мВ). Некоторые из этих параметров
рассмотрены выше.
Время установления
отсчитывается от момента подачи на вход ОУ ступеньки входного напряжения до
момента, когда в последний раз станет справедливым равенство |UВЫХУСТ-
UВЫХ(t)| = ,
где UВЫХУСТ - установившееся значение выходного напряжения,
- допустимая ошибка.
Мощностная полоса пропускания ОУ
определяется по виду амплитудно-частотной характеристики, снятой при
максимально возможной амплитуде неискаженного выходного сигнала. Вначале на
низких частотах устанавливают такую амплитуду сигнала от генератора
гармонических колебаний, чтобы амплитуда выходного сигнала UВЫХМАКС
практически доходила до границ насыщения усилителя. Затем увеличивают частоту
входного сигнала. Мощностная полоса пропускания fр
соответствует значению UВЫХМАКС равному 0,707 от
первоначального значения.
Частотные характеристики. При
увеличении частоты из-за влияния паразитных емкостей транзисторов одновременно
с падением коэффициента усиления увеличивается и фазовый сдвиг между входным и
выходным напряжениями. При построении АЧХ обычно используют логарифмический
масштаб по обеим осям координат, т.е. коэффициенты усиления выражаются в
децибелах.
АЧХ и ФЧХ однокаскадного ОУ приведены на рис.
12. АЧХ представляет собой горизонтальную линию на уровне 20lgK0.
На частоте среза ωс
имеет место излом и при ω > ωс
АЧХ
представляет собой прямую с наклоном 20 дБ при изменении частоты в 10 раз, т.е.
20дБ на декаду. Таким образом, скорость спада АЧХ одного каскада при ω
> ωс,
равна 20дБ/дек.
Переходная характеристика
- это сигнал, имеющий место на выходе усилителя при подаче на его вход сигнала
в виде ступеньки напряжения. Переходная характеристика при линейном режиме
усиления связана с частотными характеристиками.
Скорость нарастания выходного
напряжения Vuвых
= ∆UВЫХ/∆t
-
отношение приращения ∆UВЫХ
к интервалу времени ∆t,
за который происходит это приращение, при подаче на вход прямоугольных импульсов.
Время установления выходного
напряжения tнар
- время, в течение которого UВЫХ
ОУ
изменяется от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения UВЫХ
при
воздействии на вход ОУ скачка напряжения.
Эксплуатационные параметры
ОУ определяют допустимые режимы работы его входных и выходных цепей и
требования к источникам питания, а также температурный диапазон работы
усилителя. Ограничения эксплуатационных параметров обусловлены конечными
значениями пробивных напряжений и допустимыми токами через транзисторы ОУ. К
основным эксплуатационным параметрам относятся: номинальное значение питающего
напряжения UП; допустимый диапазон питающих
напряжений; потребляемый от источника ток IПОТ; максимальный
выходной ток IВЫХМАКС; максимальные значения выходного
напряжения при номинальном питании; максимально-допустимые значения синфазных и
дифференциальных входных напряжений.
Линейные
устройства на операционных усилителях
Операционный усилитель как линейное устройство,
обеспечивающее минимальные искажения входного сигнала, редко используется без
обратной связи. Это объясняется тем, что из-за очень большого значения
коэффициента усиления ОУ без обратной связи даже при сравнительно малом входном
дифференциальном напряжении выходное напряжение может достигать предельных значений
Uвыхmax,
ограничиваясь и искажаясь. При использовании же отрицательной обратной связи
можно подобрать необходимое значение коэффициента усиления ОУ и обеспечить его
стабильность в заданных пределах.
ОУ используются для построения различных
устройств, предназначенных для преобразования сигналов. Ниже будут рассмотрены
только некоторые из устройств, осуществляющих линейные преобразования. На
рис.13 приведены схемы инвертирующего и неинвертирующего усилителей, коэффициенты
усиления которых на частотах, лежащих в пределах полосы пропускания, даются
соответственно выражениями:
; 
.
Для уменьшения влияния изменений входных токов,
обеспечивающих смещение транзисторов входного дифференциального каскада ОУ, в
базовых цепях обоих входов ОУ желательно иметь одинаковые сопротивления.
Поэтому в приведенных схемах включены резисторы R3.
В схеме на рис.8.6,а
R3 = (RççRoc),
а в схеме на рис. 136,б R3 = (R1ççR2).
При выполнении этих условий изменения входных токов вызовут одинаковые
изменения входных напряжений, которые компенсируют друг друга.
Схема повторителя напряжения приведена на
рис.8.6, в. Выражение для коэффициента усиления можно получить из Kнuoc,
положив R2
= 0.
Если к инвертирующему входу в схеме на рис.8.6,а
через соответствующие резисторы подключить несколько различных сигналов, то
можно построить инвертирующий суммирующий усилитель (сумматор) нескольких сигналов.
На рис. 14,а приведена схема двухвходового сумматора. Напряжение на
выходе ОУ равно инвертированной сумме входных напряжений сигналов, взятых с
соответствующими весовыми коэффициентами, определяемыми отношениями
сопротивления резистора Roc и сопротивлениями соответствующих
входных резисторов R1 и R2:
.
В данной схеме величина сопротивления R3
выбирается из условия R3 = R1ççR2ççRoc.
Если входные резисторы равны, т. е. R1
= R2 = R, то
При Rос/R
= 2 сумма входных сигналов делится на два, т.е. происходит усреднение выходного
напряжения. Схема вычитающего усилителя приведена на рис. 14,б. Она
является сочетанием инвертирующего и неинвертирующего включения 0У. Можно
показать, что в этом случае выходное напряжение определяется выражением:
.
Если R3 = Rос
и R2= R1,
то 
Литература
Петров К.С.: Радиоматериалы,
радиокомпоненты и электроника. - СПб.: Питер, 2004
Прянишников В.А.: Электроника:. -
СПб.: Корона принт, 2004
РАН, Сибирское отделение, Институт
физики полупроводников; Отв. ред. А.Л. Асеев; Рец.: Ф.А. Кузнецов, И.Г.
Неизвестный, В.К. Малиновский: Нанотехнологии в полупроводниковой электронике.
- Новосибирск:, 2004
Степаненко И.П.: Основы
микроэлектроники. - М. ; СПб.: Лаборатория Базовых Знаний, 2004
Алексеенко А.Г.: Основы микросхемотехники.
- М.: Лаборатория Базовых Знаний: Физматлит: Юнимедиаста, 2002
Быстров Ю.А.: Электронные цепи и
микросхемотехника. - М.: Высшая школа, 2002
Лазарькова А.В.: Физическая
электроника. - Белгород: БелГУ, 2002
Пасынков В.В.: Полупроводниковые приборы.
- СПб.: Лань, 2002
Авт.: Ю.Г. Шретер, Ю.Т. Ребане, В.А.
Зыков, В.Г. Сидоров; Под общ. ред.: В.И. Ильина, А.Я. Шика; Федер. целевая
программа " Гос. поддержка интеграции высшего образования и
фундаментальной науки" : Широкозонные полупроводники. - СПб.: Наука, 2001
Лачин В.И.: Электроника. - Ростов
н/Д: Феникс, 2001
Новиков Ю.В.: Основы цифровой
схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. - М.: Мир, 2001
Пихтин А.Н.: Оптическая и квантовая
электроника. - Высшая школа, 2001
Ремизов А.Н.: Сборник задач по
медицинской и биологической физике. - М.: Дрофа, 2001
Степаненко И.П.: Основы
микроэлектроники. - М. ; СПб.: Лаборатория Базовых Знаний ; Невский Диалект ;
Физ, 2001