Дифференциальный усилитель (ДУ)

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Свести температурный дрейф к нулю можно в двухтактных УПТ – дифференциальных усилителях.

Основа схемы – ШПУ.

Назначение элементов:

– усилительные элементы;

– источник энергии для получения усиленных колебаний на выходе;

– делители (задают смещение на базы транзисторов);

– сопротивления коллекторной нагрузки;

– элемент эмиттерной стабилизации.

Вход считается симметричным, если сигналы подаются одновременно на оба входа. При этом:

(Минус ставится, т.к. напряжение снимается между точкой 1 и корпусом, а напряжение - между корпусом и точкой 2. Корпус – это начало координат, поэтому если считать напряжение положительным, то напряжение будет отрицательным.)

Вход считается несимметричным, если сигнал подается на один из входов.

Аналогично: выход считается симметричным, если сигнал снимается с обоих плеч. При этом:

Если сигнал снимается с одного плеча, выход считается несимметричным.

Если использовать симметричный выход в симметричном каскаде (транзисторы одинаковы, соответствующие резисторы одинаковы), то при изменении температуры коллекторные токи транзисторов будут изменяться одинаково, следовательно, одинаково будут изменяться и коллекторные (выходные) напряжения, разность между которыми будет стремиться к нулю (т.е. температурный дрейф будет практически отсутствовать).

ДУ может уменьшить напряжение дрейфа в сотни раз по сравнению с однотактным каскадом УПТ.

Выходное напряжение данного ДУ определяется:

(22)

Проведем анализ этого выражения.

1) Если напряжения и противофазны (например, , ),то входной сигнал называется дифференциальным.

При этом абсолютные значения входных напряжение складываются, и выходное напряжение получается максимальным (вытекает из выражения 22).

Таким образом, можно сказать: ДУ реагирует на дифференциальный сигнал, т.е. усиливает его – отсюда и название схемы «дифференциальный усилитель».

2) Если напряжения и равны по амплитуде и по фазе (например, ), входной сигнал называется синфазным.

При подаче на вход ДУ синфазного сигнала выходное напряжение обращается в нуль (вытекает из выражения 22).

Таким образом, можно сказать: ДУ не реагирует на синфазный сигнал (не чувствителен к синфазному сигналу).

Реально синфазный сигнал – это помеха, следовательно, ДУ не чувствителен к помехам.

ДУ с двумя источниками питания

Т.к. через резисторы протекают постоянные составляющие коллекторных токов , то чтобы не было большого потребления энергии от источника питания, эти резисторы выбирают низкоомными.

Но при этом снижается усиление каскада, т.к. на этих резисторах выделяется усиленный сигнал.

Повысить усиление можно за счет питания каскада от биполярного источника. При этом второй источник ( ) снижает потенциал эмиттеров относительно корпуса, что обеспечивает необходимое смещение эмиттерных переходов, а, значит, необходимость в делителях отпадает.

Отсутствие этих делителей означает отсутствие постоянного напряжения на входе, что уменьшает напряжение дрейфа.

Таким образом, применение двух источников питания упрощает схему и уменьшает дрейф.

Перейдя к интегральному изображению ДУ, получим:

Для уменьшения дрейфа, вызванного асимметрией схемы (из-за разброса параметров по ), в схему введена местная ООС – резисторы ( 30÷200 Ом). Кроме симметрии, эти резисторы повышают входное сопротивление каскада, повышают температурную стабильность, но снижают коэффициент усиления .

Роль резистора :

· элемент эмиттерной стабилизации;

· подавляет синфазный сигнал, т.е. помеху.

Операционные усилители (ОУ)

ОУ – это интегральная микросхема представляющая собой многокаскадный усилитель постоянного тока с дифференциальным входным каскадом, большим коэффициентом усиления и глубокой ООС.

Термин «ОУ» возник от первоначального назначения этих усилителей – выполнение математических операций. На основе ОУ можно выполнить более 200 преобразований над сигналами.

Современные ОУ состоят, как правило, из 3-х каскадов, например:

1 каскад – дифференциальный каскад с большим и несимметричным выходом.

2 каскад – усилитель, собранный по схеме ОЭ.

3каскад – двухтактный бестрансформаторный УМ на комплементарной паре.

Обозначение ОУ:

∞

+Еп

-Еп

основное поле дополнительное поле

Равносторонний треугольник на основном поле указывает направление передачи сигнала. Знак означает высокий .

Вход 1 называется инвертирующим (сигнал с него передается на выход

ОУ с изменением фазы на 180 градусов).

Вход 2 – не инвертирующий (сигнал с него передаётся на выход ОУ без

изменения фазы).

На дополнительном поле указываются выводы питания, корпуса, балансировки нуля, коррекции.

Параметры ОУ

1. Коэффициент усиления дифференциального сигнала (часто этот коэффициент называется просто «коэффициент усиления»):

( ,т.е. очень велик).

2. Коэффициент ослабления синфазного сигнала: , где

- коэффициент усиления синфазного сигнала

,т.е. велик)

3. Входное сопротивление ОУ. Это сопротивление большое (до десятков÷сотен МОм). Оно обеспечивает поступление на вход ОУ полезного сигнала ( ) практически без потерь – достоинство.

4. Выходное сопротивление ОУ определяется схемой оконечного каскада. Оно мало ( ), поэтому всё выходное напряжение передаётся в нагрузку практически без потерь – достоинство.

5. Полоса пропускания ПП = (0 ÷ десятки) МГц, т.е. велика.

Вывод : по своим параметрам ОУ приближается к идеальному.

Т.к. ОУ имеет большой коэффициент усиления, то даже малое постоянное дифференциальное входное напряжение, вызванное асимметрией схемы (например, из-за разброса параметров) приведёт к появлению на выходе недопустимо большого постоянного напряжения, что вызовет перегрузку усилителя.

Чтобы этого избежать, в ОУ применяется глубокая внешняя ООС.

Инвертирующий ОУ

Название говорит о том, что входной сигнал подаётся на инвертирующий вход, не инвертирующий вход заземлён. Напряжение обратной связи ( ) также должно подаваться на инвертирующий вход (иначе ОС будет положительной, что недопустимо).

Выводы питания и корпуса опущены.

Считаем, что ОУ близок к идеальному: ; ; .

Пусть на входе положительный потенциал, т.е. > 0.

Рассмотрим . Дробь стремится к бесконечности, если числитель стремится к бесконечности или знаменатель стремится к 0.

к бесконечности стремиться не может, т.к. ограничивается напряжением источника питания, следовательно, 0.

Это означает, что потенциал точки А совпадает с потенциалом точки В и будет равен 0, т.к.точка В имеет нулевой потенциал (соединена с корпусом): ( , т.е. ).

Таким образом, через резистор ток течёт слева направо (от бо́льшего потенциала к меньшему). Т.к. , то этот ток будет течь через резистор , минуя усилитель. Поскольку потенциал , а ток течет от большего потенциала к меньшему, то < 0.

Таким образом, произошла инверсия входного сигнала (на входе положительный потенциал, на выходе – отрицательный), отсюда и название ОУ – инвертирующий.

Во входной и выходной цепях протекает один и тот же ток , поэтому можно записать: (*)

2-й закон Кирхгофа: , т.к. , то ,

т.е. все входное напряжение падает на .

Т.к. , то все выходное напряжение падает на .

Минус в выражении (*) стоит потому, что выходное напряжение противофазно входному.

Из выражения (*) находим: .

Учитывая, что: , получаем , где - коэффициент усиления инвертирующего ОУ.

Резистор служит для компенсации сдвига нуля на выходе ОУ (для компенсации дрейфа), вызванного токами смещения.

Не инвертирующий O У

Входной сигнал подаётся на не инвертирующий вход ОУ, напряжение ОС через делитель - на инвертирующий вход (иначе ОС будет положительной, что недопустимо).

Считаем, что ОУ близок к идеальному: ( ).

Пусть на входе положительный потенциал, т.е. Коэффициент усиления будет стремиться к бесконечности при условии, что , т.к. выходное напряжение ограничено напряжением источника питания и стремиться к бесконечности не может ( ). Это означает, что потенциал точки А совпадает с потенциалом точки В:

Т.к. потенциал точки Д (корпус), а ток течёт от большего потенциала к меньшему, то через резистор ток будет протекать справа налево. Естественно предположить, что этот ток поступает на резистор с выхода через резистор , минуя ОУ (т.к. ). Отсюда делаем вывод: , т.е. .

Таким образом, инверсии не произошло: выходное напряжение совпадает по фазе с входным, отсюда и название ОУ – не инвертирующий.

С учётом того, что входное и выходное напряжения определяются относительно корпуса и ток во входной и выходной цепях протекает один и тот же, можно записать:

(**)