Основы физики полупроводниковых диодов

=zвх(1+KU)

Этот тип ООС увеличивает входное сопротивление zвх.

[2] Влияние последовательной ООС на выходное сопротивление усилителя.

;;;

; ;

У идеального усилителя входное сопротивление должно быть больше, а выходное меньше.

Последовательная ОС по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя в (1+КU) раз.



коэффициент гармоник

Рассмотренная ООС расширяет полосу пропускания.

1. ООС во всех случаях:

· Уменьшает коэффициент усиления, повышает его стабильность

· Расширяет полосу пропускания

· Уменьшает нелинейные искажения

2. Последовательная ООС:

· Увеличивает входное сопротивление

Параллельная ООС:

· Уменьшает входное сопротивление

Независимо от способа снятия сигнала ОС с выхода усилителя.

3. ООС по напряжению уменьшает усилителя ООС по току увеличивает усилителя

Независимо от способа введения сигнала во входную цепь.

4.5 Усилители на биполярных транзисторах. Выбор режима работы

R1 задает режим работы транзистора по постоянному току.

С1, С2 - разделительные или переходные конденсаторы.

Выбор режима работы по постоянному току.

Выходная статическая характеристика в схеме с общим эмиттером.

Рк=Uкэ*Iк;

Ik=Pk.max/Uкэ;

;

=arctg 1/Rk, - нагрузочная прямая по постоянному току, на ней находится раб точка

Все эти рассуждения применительно, если RH=.

n=arctg1/(RK||RH)=arctg(RK+RH)/( RK*RH)

; ; ; ;

4.6 Стабилизация режима работы каскадов на биполярных транзисторах

1) Схема с фиксированным током базы

;

; ;

;

2) Схема с фиксированным током базы

Для каждого транзистора нужен свой резистор.

Эта схема имеет неудовлетворительную температурную стабильность непригодна в промышленной аппаратуре.

3) Схема стабилизации рабочей точки с обратной связью

При включении возрастает ;

С уменьшением - уменьшается , т.е. в схеме имеются противодействия

Чем выше сопротивление цепи усилителя и выше , тем больше увеличивается стабильность. Надо убрать переменную составляющую , для этого надо в цепь подсоединить конденсатор большой ёмкости.

4) Схема с эмиттерной стабилизацией

- для максимального коэффициента усиления

5) Схема стабилизации режима работы транзистора с ОС по напряжению коллектора

;

Связь между коллектором и базой обеспечивает стабилизацию режима работы.

Коэффициент по усилению тока будет максимально высоким.

Схема с фильтром в цепи питания.

Стабилизация раб. точки.

Отрицательная О.С. по переменному току убирается Сф.

Каскад с общей базой /КОБ/

Каскад с общим коллектором /КОК/ - /эмиттерный повторитель/

КОБ:

Конденсатор заземляет базу по переменному току. Сигнал через подаётся на эмиттер.

, коэффициент передачи по току

КОБ плохо согласуются между собой

КОК:

; ;

100% обратная связь.

На входе получим:

Без буферного каскада - 1В;

С буферным каскадом в 100 раз больше.

Коэффициент усиления по напряжению:

· у каскадов с общим эмиттером и общей базой соизмеримы />>1/

· у каскада с общим коллектором <1

Коэффициент усиления по току:

· в схеме с общей базой <1

· в схеме с общим эмиттером и общим коллектором >>1

Коэффициент усиления по мощности максимален в схеме с общим эмиттером >>1

Минимальное выходное сопротивление у каскада с общей базой, выше у каскада с общим эмиттером, максимально у каскада с общим коллектором.

Выходное сопротивление в схеме с общей базой и общим эмиттером приблизительно равно сопротивлению в цепи в схеме с общим коллектором.

4.7 Дифференциальные каскады /ДК/

Каскад имеет несимметричный вход, если одна из баз по переменному току заземлена; симметричный - если ни одна из баз не заземлена. То же для выходного сигнала. и не обязательно равны

Принцип действия основан на симметрии.

Схема симметрична:

RK1=RK2=RK

1) Равенство параметров транзисторов

(1) Пусть UВХ1=UВХ2=0 эмиттерные переходы включены параллельно.

IRЭ=(E2-UБЭ)/RЭ, UБЭ1=UБЭ2=UБЭ.

IЭ1=IЭ2=(E2-UБЭ)/2RЭ; IK1=IK2=[(E2-UБЭ)/2RЭ];

RK[(E2-UБЭ)/2RЭ]=E1/2;

;

Если E1=E2, то RKRЭ,

UВЫХ= UВЫХ.1- UВЫХ.2=0

Усилитель представляет собой сбалансированный мост.

Изменение выход. напряжения в усилители с течением времени или под действием стабилизирующих факторов при UВХОД=0 называется дрейфом нуля.

(2) Подадим на вход усилителя равные по величине и одного знака напряжения /синфазны/.

IБ - увеличится; IK - увеличится; напряжение на коллекторе уменьшится; UВХОД=0 дифференциальный каскад на синфазные напряжения не реагирует.

Подадим на вход дифференциального каскада равные по модулю, но противоположные по знаку напряжения. (UВХ1>0, UBX2>0, |UBX1|=|UBX2|).

IБ1>0, IБ2<0; IK1>0, IK2<0; UКЭ.1<0, UКЭ2>0.

UВЫХ=UВЫХ.1-UВЫХ.2=-RKIK1-RKIK2=-2IK2RK;

Дифференциальный каскад реагирует на разное входное напряжение.

Если источник подключен между базами, а его средняя точка заземлена, то каскад имеет симметричный вход.

Переменный ток. По проводу ни чего не протекает. Провод можно убрать.

Постоянный ток. При убирании провода режим работы будет нарушен. Нужно применить дополнит. меры.

Если источник сигнала подключить между базами транзистора и одна из них соединена с общим проводом - схема имеет не симметричный вход.

Выход так же м.б. симметричным или нет.

Если выходное напряжение снимаем с одного из коллекторов транзистора, то выход несимметричен.

Качества дифференциального каскада оценивают коэффициентом ослабления синфазного сигнала:

КООС=КД/КС; КООС>>1.

KOOCRЭ/rВХ.ОБ.(ОБ -в схеме с общей базой)

4.8 Источники тока

В качестве источника тока в электронике обычно используются токовые зеркала.

Транзисторы должны быть с одинаковыми параметрами.

-

Входные каскады работают в режиме микротоков.

Токовые зеркала используются в ЦАП:

Используются двоично взвешенные токи, формируемые токовыми зеркалами.

Эта схема имеет симметричный выход. Зеркало с VT5, VT6 включается для увеличения

4.9 Операционные усилители: характеристики и параметры

Под операционным усилителем в микроэлектронике понимают реализованный в виде микросхемы усилитель постоянного тока, имеющий:

· высокий коэффициент усиления по напряжению

· высокое входное сопротивление;

· низкое выходное сопротивление.

Операционный усилитель имеет дифференциальный вход и несимметричный выход (рис. 1). Входные и выходные сигналы отсчитываются относительно общего провода, который на схемах иногда не показывают. Операционные усилители предназначены для работы с глубокой отрицательной обратной связью и вначале применялись в аналоговых ЭВМ, где в зависимости от цепей обратной связи они выполняли разнообразные математические операции (сложение, вычитание, умножение, деление, логарифмирование, дифференцирование, интегрирование и т.д.), откуда и произошел термин "операционный усилитель".

Первые операционные усилители были ламповыми и представляли собой весьма громоздкие и дорогие устройства. В настоящее время высококачественные операционные усилители выпускают в виде микросхем, цена которых соизмерима с ценой отдельного транзистора, что существенно расширило их область применения. Сочетание высоких электрических параметров с малыми габаритами, высокой надежностью и низкой ценой сделало операционный усилитель основным активным элементом аналоговой схемотехники.

Операционные усилители содержат обычно два или три каскада усиления (рис. 2). Первый каскад (ДУ) обязательно собран по схеме дифференциального усилителя, чем обеспечивается подавление синфазной помехи и уменьшение дрейфа нуля. С целью повышения входного сопротивления во входном каскаде используют режим микротоков, составные транзисторы (схема Дарлингтона), супербетатранзисторы со статическим коэффициентом передачи тока базы в=103ч104, полевые транзисторы. Входной каскад, как правило, содержит цепи балансировки усилителя, предназначенные для устранения смещения нуля. Второй каскад (УН) обеспечивает основное усиление по напряжению и представляет собой обычно дифференциальный усилитель с несимметричным вы ходом. Усилитель мощности (УМ) чаще всего содержит схему сдвига уровня напряжения и выходной каскад, собранный по двухтактной бестрансформаторной схеме. Недостатком трехкаскадных операционных усилителей является склонность к самовозбуждению и невысокая скорость нарастания выходного сигнала.

Операционные усилители более поздних разработок, как правило, выполнены по двухкаскадной схеме (отсутствует усилитель напряжения УН). Для увеличения коэффициента усиления во входном каскаде используется динамическая нагрузка в виде токового зеркала, а в выходном - каскад сдвига уровня напряжения, в котором транзистор включен по схеме с общим эмиттером.

Рассмотрим передаточную характеристику операционного усилителя (рис. 3), которая представляет собой зависимость выходного напряжения UВЫХ от входного напряжения UВХ при несимметричном входе. В зависимости от того, какой вход соединяется с общим проводом, а на какой вход подается входное напряжение, различают передаточную характеристику при инвертирующем включении операционного усилителя и передаточную характеристику при неинвертирующем включении операционного усилителя.

При малых входных напряжениях UBX передаточные характеристики линейны, затем рост выходного напряжения UВЫХ замедляется, а потом и вовсе прекращается. Максимальное положительное напряжение +UВЫХ.МАКС и максимальное отрицательное напряжение -UВЫХ.МАКС обычно несколько меньше соответствующих напряжений питания (E1, и E2).

Напряжения +UВЫХ.МАКС и -UВЫХ.МАКС зависят от сопротивления нагрузки операционного усилителя: чем меньше сопротивление нагрузки, тем ниже будут указанные напряжения. Передаточные характеристики проходят через начало координат, если операционный усилитель сбалансирован (см. рис. 3). Если балансировка не проводилась, то передаточные характеристики будут пересекаться при ненулевом напряжении на выходе (рис. 4).

Основные параметры операционных усилителей:

*коэффициент усиления по напряжению КU.

Определяется наклоном линейного участка передаточной характеристики и равен отношению приращения выходного напряжения к вызвавшему это приращение входному напряжению. На практике Ки лежит в пределах от нескольких тысяч до нескольких миллионов;

* напряжение смещения UCM -напряжение, которое необходимо подать на вход операционного усилителя, чтобы его выходное напряжение стало равным нулю (рис. 4). На практике UСМ лежит в пределах от нескольких микровольт до десятков милливольт;

максимальное выходное напряжение UВЫХ.МАКС - Различают максимальное положительное напряжение +UВЫХ.МАКС и максимальное отрицательное напряжение -UВЫХ.МАКС, которые в общем случае не равны (см. рис.3). Напряжения + UВЫХ.МАКС и - UВЫХ.МАКС нормируются при оговоренных значениях напряжения питания, сопротивлении нагрузки и входного напряжения;

коэффициент ослабления синфазного сигнала KОС.СФ - отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту передачи синфазного сигнала. Обычно выражается в децибелах;

входной ток IВХ - для дифференциального операционного усилителя определяется как среднее арифметическое значение токов инвертирующего входа IВХ.И и неинвертирующего входа IВХ.Н;

разность входных токов ?IВХ = IВН.Н - IВХ.И;

предельный выходной ток IВЫХ.МАКС - максимальное значение выходного тока при оговоренном выходном напряжении, не вызывающее необратимых изменений в операционном усилителе;

предельное входное напряжение UВХ.МАКС - максимальное значение входного напряжения, не вызывающее необратимых изменений в операционном усилителе;

предельное синфазное входное напряжение UВХ.СФ.МАКС - максимальное значение синфазного входного напряжения, не вызывающее необратимых изменений в операционном усилителе;

частота единичного усиления f1 - частота, на которой модуль коэффициента усиления операционного усилителя падает до единицы. Частота единичного усиления f1 характеризует быстродействие операционного усилителя в режиме малого сигнала;

скорость нарастания выходного напряжения VUвых.макс - отношение изменения выходного напряжения UВЫХ от 10 до 90 % от установившегося значения ко времени, за которое это изменение произошло. Характеризует быстродействие операционного усилителя в режиме большого сигнала. Измеряется при отрицательной обратной связи с общим коэффициентом усиления по напряжению от 1 до 10.

При анализе схем реальные операционные усилители заменяют их идеализированными моделями, в частности, идеальным операционным усилителем, под которым понимают усилитель, отвечающий следующим требованиям:

коэффициент усиления по напряжению KU = ?;

входное сопротивление rВХ = ?;

выходное сопротивление rВЫХ = 0;

напряжение смещения UСМ = 0;

коэффициент ослабления синфазного сигнала KОС.СФ = ?;

входные токи IВХ = 0;

коэффициент усиления по напряжению не зависит от частоты, т.е. полоса пропускания простирается от 0 до ?;

времена задержки, нарастания и спада равны нулю;

диапазон входных напряжений неограничен;

диапазон выходных напряжений неограничен;

выходной ток неограничен;

нелинейные искажения отсутствуют;

внутри усилителя нет источников шума.

4.10 Линейные схемы на операционных усилителях

Рассмотрим инвертирующий усилитель (рис. 1). В этой схеме имеет место параллельная отрицательная обратная связь по напряжению. Найдем коэффициент усиления по напряжению. Полагая операционный усилитель идеальным, на основании первого закона Кирхгофа запишем:

iВХ + iОС = 0

Поскольку неинвертирующий вход операционного усилителя имеет нулевой потенциал, то и инвертирующий вход также будет иметь нулевой потенциал, хотя он и не заземлен. Говорят, что инвертирующий вход является точкой виртуального (кажущегося) нуля. Тогда

Отсюда находим

Мы полагали, что входные токи операционного усилителя равны нулю. В реальных операционных усилителях входные токи малы, но нулю не равны. Оценим влияние входных токов на работу усилителя. Пусть uВХ = 0. Для входного тока операционного усилителя IВХ.И и резисторы R1 и R2 включены параллельно. Ток IВХ.И создаст на них падение напряжения

UВХ.И = IВХ.И(R1 || R2).

Это напряжение будет усилено операционным усилителем, т.е. входной ток IВХ.И приводит к разбалансировке операционного усилителя. Чтобы уменьшить влияние входных токов в цепь неинвертирующего входа включают компенсирующий резистор RК = R1 || R2 (рис. 2). Тогда ток IВХ.И создаст на резисторе RK падение напряжения UВХ.Н = IВХ.НRК.

Дифференциальное напряжение на входе операционного усилителя

Если разность входных токов ?IВХ = 0, то Uвх = 0, т. е. в схеме будет иметь место полная компенсация входных токов.

Реально ?IВХ = (0,1 ч 0,2)IВХ. Тогда введение RK уменьшает разбалансировку усилителя в 5ч10 раз.

На основе инвертирующего включения операционного усилителя может быть построен аналоговый сумматор (рис. 3). Найдем зависимость выходного напряжения аналогового сумматора uВЫХ от входных напряжений uВХ1, uВХ2, uВХ3, полагая операционный усилитель идеальным. Согласно первому закону Кирхгофа

iВХ1 + iВХ2 + iВХ3 + iОС = 0

Принимая во внимание, что инвертирующий вход операционного усилителя является точкой виртуального нуля, получим

Отсюда

Если R1 = R2 = R3 = R, то

Из последних соотношений следует, что схема рис. 3 выполняет математическую операцию суммирования, при этом масштабный коэффициент может быть единичным, может быть неединичным и может быть индивидуальным по каждому из входов.

Сопротивление компенсирующего резистора в схеме рис. 3 может быть определено из соотношения Очевидно, что аналоговый сумматор может иметь произвольное количество входов.

Инвертирующее включение операционного усилителя используется также в преобразователе ток - напряжение (рис. 4). Найдем зависимость выходного напряжения преобразователя uВЫХ от входного тока IВХ.

На основании первого закона Кирхгофа при условии, что операционный усилитель идеальный, запишем:

Поскольку инвертирующий вход операционного усилителя является точкой виртуального нуля, то

Разрешив последнее уравнение относительно uВЫХ, получим откуда следует, что выходное напряжение uВЫХ преобразователя пропорционально входному току iВХ. Сопротивление компенсирующего резистора RK должно равняться сопротивлению резистора R в цепи обратной связи (рис. 4). Рассмотренный преобразователь ток-напряжение широко используется в составе цифро-аналоговых преобразователей.

На основе инвертирующего включения операционного усилителя может быть построен преобразователь напряжение - ток (рис. 5). Найдем зависимость выходного тока преобразователя iВЫХ от входного напряжения uВЫХ.

Согласно первому закону Кирхгофа, полагая операционный усилитель идеальным, можно записать:

iВХ + iОС = 0

Поскольку инвертирующий вход операционного усилителя является точкой виртуального нуля, то

Из последнего соотношения находим:

т.е. выходной ток преобразователя iВЫХ пропорционален входному напряжению uВХ.

В схеме рис. 5 ни один из выводов нагрузки RH не заземлен. В этом случае говорят, что преобразователь имеет незаземленную нагрузку. Сопротивление компенсирующего резистора RK = R || RH.

Рассмотрим неинвертирующий усилитель (рис. 6). В этой схеме имеет место последовательная отрицательная обратная связь по напряжению, которая увеличивает входное сопротивление и уменьшает выходное сопротивление усилителя. Найдем коэффициент усиления по напряжению. Если на неинвертирующий вход подано напряжение

uВХ.Н = uВХ, то и на инвертирующем входе установится то же самое напряжение: uВХ.И = uВХ, т.е.

Если R2 = 0, а R1 = ?, то KU = 1. Такую схему называют повторителем напряжения.

Неинвертирующий усилитель хуже инвертирующего, так как операционный усилитель работает в нем с большим синфазным напряжением (uВХ.СФ = uВХ).

Рассмотрим дифференциальное включение операционного усилителя, которое представляет собой комбинацию инвертирующего и неинвертирующего включений (рис. 8). При дифференциальном включении операционного усилителя выходное напряжение пропорционально разности напряжений uВХ2 и uВХ1 на его входах.

Используя метод суперпозиции (наложения), находим выходное напряжение усилителя как сумму откликов на воздействия uВХ1 и uВХ2:

Отсюда видно, что операционный усилитель в дифференциальном включении осуществляет математическую операцию вычитания.

Входное сопротивление по инвертирующему входу rВХ1 = R1. Входное сопротивление по неинвертирующему входу rВХ2 = R3 + R4, т.е. входные сопротивления неодинаковы: rВХ2 > rВХ1. Это нарушает симметрию усилителя. Еще одним недостатком рассмотренной схемы является работа операционного усилителя при больших синфазных напряжениях. Существуют схемы дифференциальных усилителей, свободные от указанных недостатков схемы рис. 8, но они содержат два или три операционных усилителя.

Рассмотрим интегрирующий усилитель (рис. 9). Полагая операционный усилитель идеальным, на основании первого закона Кирхгофа запишем:

Поскольку неинвертирующий вход операционного усилителя имеет нулевой потенциал, то инвертирующий вход будет точкой виртуального нуля. Тогда

После интегрирования последнего уравнения получим:

Отсюда следует, что рассмотренная схема осуществляет математическую операцию интегрирования.

Поскольку амплитудно-частотная характеристика интегрирующего усилителя имеет завал в области высоких частот, то он устойчив к самовозбуждению.

Рассмотрим дифференцирующий усилитель (рис. 10). Полагая операционный усилитель идеальным, на основании первого закона Кирхгофа запишем:

iВХ + iОС = 0.

Принимая во внимание, что инвертирующий вход будет точкой виртуального нуля, получим

т.е. рассмотренная схема осуществляет математическую
операцию дифференцирования.

На практике избегают применения дифференцирующего усилителя из-за его склонности к самовозбуждению, что является следствием подъема амплитудно-частотной характеристики в области высоких частот.

В схемах рис. 9 и рис. 10 в цепи неинвертирующего входа также может быть включен компенсирующий резистор, сопротивление которого RK = R.

Размещено на Allbest.ru

...