Учебное пособие: Усилители постоянного тока и операционные усилители
Рисунок 6.10. Временные диаграммы УПТ с преобразованием
В схеме используется усилитель переменного тока который обеспечивает увеличение амплитуды сигнала U м в К раз. В демодуляторе происходит процесс обратный модуляции: из высокочастотного промодулированного сигнала выделяется его низкочастотная составляющая, которая теперь оказывается усиленной. Подача на демодулятор (в радиотехнике его часто называют детектором) также сигнала генератора позволяет повысить эффективность процесса демодуляции.
Дрейф нуля УПТ с преобразованием определяется фактически только дрейфом модулятора, потому, что усилитель переменного напряжения практически не имеет дрейфа, а дрейфом демодулятора можно пренебречь, так как на его вход подается сравнительно большое напряжение, значительно превышающее напряжение возможных помех. На рис.6.6,б приведены временные диаграммы, характеризующие работу схемы УПТ .
УПТ типа МДМ выполняются обычно в виде законченных интегральных схем, имеющих в своем составе все необходимые блоки.
2. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
2.1 Общие сведения
Операционным усилителем (ОУ ) называетсяусилитель, который характеризуется определенным набором параметров, позволяющих ему выполнять математические операции (сложения, вычитания, интегрирования и т.д. и т.п.). Это свойство и определило наименование «операционный усилитель». Первоначально усилители такого класса предназначались для выполнения математических операций в аналоговых вычислительных машинах. Основными параметрами, обеспечивающими его «математические способности», являются:
¨ большой коэффициент усиления по напряжению (в идеале К Þ¥);
¨ большое входное сопротивление (в идеале Rвх Þ¥);
¨ нижняя частота усиливаемых сигналов f н = 0.
Последний параметр указывает на то, что ОУ должен быть усилителем постоянного тока. Объясняется это требование тем, что одной из распространенных математических операций есть действия с константами, например, сложения переменных с константами. В этом случае математическая переменная будет реализовываться изменяющимся сигналом, константа – постоянным. В настоящее время сфера применения ОУ значительно расширилась и во многих случаях требование f н = 0 не является обязательным и даже иногда вредным. Однако превратить УПТ в усилитель переменного тока можно достаточно просто (например, вводя разделительные емкости). Поэтому большинство массовых операционных усилителе выпускаются как усилители постоянного тока.
Условное обозначение ОУ приведено на рисунке 7.1. В обозначении функции (¥ > – усилитель с бесконечно большим коэффициентом усиления) первый символ ( ¥ ) часто опускается.
Рисунок 7.1. Условное обозначение операционного усилителя
Операционные усилители имеют два входа (инвертирующий и не инвертирующий) и один выход. Таким образом, ОУ является дифференциальным усилителем. Это позволяет при «математическом» варианте использования усилителя достаточно просто осуществить операцию вычитания, при иных – улучшить многие параметры устройства, например, избавляться от синфазного сигнала, реализовывать цепи как положительной так и отрицательной обратной связи и т.п. На схеме инвертирующий вход обозначают кружком.
Обычно операционные усилители имеют два вывода подключения питания минус Е и плюс Е . Выводы, служащие для коррекции нуля операционных усилителей, обозначаются символами NC (N ullC orrection) а те, к которым подключаются элементы частотной коррекции FC (F requencyC orrection).Более подробная информация о назначении таких выводов будет приведена далее. Следует отметить, что в некоторых типах ОУ выводы коррекции могут отсутствовать. Обозначения функций выводов могут быть как отделены от основного поля , так и не иметь ограничительных линий.
Первые операционные усилители выполнялись на электронных лампах, в настоящее время они изготовляются в интегральном исполнении в виде микросхем (МС ). Благодаря своим отличным характеристикам и параметрам, универсальности применения, низкой стоимости, операционные усилители в настоящее время вытесняют транзисторные схемы при проектировании аналоговых устройств. Многие МС, выполняющие сложные функции по обработке аналоговых сигналов, строятся на основе схем, близких к схемам ОУ , либо включают в себя ОУ в виде собственных фрагментов.
2.2. Структурная схема ОУ
Операционный усилитель обычно выполняется по схеме усилителя напряжения из нескольких каскадов и состоит из нескольких десятков биполярных или полевых транзисторов, резисторов и иногда конденсаторов. Очень широко в ОУ используются источники тока (для увеличения коэффициентов усиления, задания рабочих точек и т.п.). Входной каскад выполняется по дифференциальной схеме. Ее типовое изображение (за исключением резисторов, подсоединяющих базу к земле) представлено на рисунке 6.7,б. Использование двуполярных источников питания позволяет обеспечить подачу двух входных сигналов, напряжение которых отсчитывается относительно общей земли. Во многих применениях один из входов непосредственно (или через внешний резистор) соединен с землей.
Выходной каскад строится по одной из схем двухтактного бестрансформаторного усилителя мощности (см. раздел 5). затем включается каскад с общим эмиттером и на выходе ОУ –эмиттерный повторитель. Как правило, выходной каскад имеет схему защиты от перегрузок по току.
Для того, чтобы обеспечить нулевое значение выходного напряжения при отсутствии входных сигналов (см. напряжение смещения нуля в разделе 5), в ОУ имеется узел, задачей которого является понижение напряжения с выхода ДУ (с коллектора выходного транзистора) до нуля. Зачастую этот «преобразователь уровня» выполняется в виде активного усилительного каскада.
Следует отметить, что иногда в категорию ОУ включаются усилители, выполненные как усилители тока или как УПТ МДМ , имеющие другую внутреннюю структуру, но характеризующиеся значениями параметров, указанными выше.
2.3. Основные характеристики и параметры ОУ
Подавляющие большинство ОУ, как было сказано в предыдущем параграфе,имеет на входе дифференциальный каскад, поэтому в ОУ различают инвертирующий и неинвертирующий входы (так же, как и в дифференциальных УПТ ). Операционный усилитель усиливает разность входных сигналов, его дифференциальный коэффициент усиления Кдиф , как уже отмечалось выше, является весьма большим. Обычно его значение лежит в диапазоне 10000 … 100000 (80 … 100 дБ), и в новых ОУ имеет место тенденция к увеличению. Типовая амплитудно-частотная характеристика ОУ приведена на рисунке 7.2.
Рисунок 7.2. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика ОУ
Так как операционный усилитель представляет собой УПТ, поэтому его АЧХ имеет ненулевой коэффициент усиления на нулевой частоте. И указанные выше (и/или в технических условиях) коэффициенты усиления соответствуют весьма узкому диапазону частот – от нуля до примерно нескольких десятков/сотен герц. Затем, коэффициент усиления начинает уменьшаться со «скоростью» минус 20 дБ/декаду (6 дБ/октаву). Возможно увеличение скорости спада до минус 40 дБ/дек. и более. Эти точки перегиба стараются разместить на частотах выше так называемой частоты единичного усиления F 1 – частота, на которой модуль коэффициента усиления равен единице. Типичное значение F1 равно 1 ... 10 МГц. Точки перегиба соответствуют верхним частотам отдельных каскадов усилителя и устанавливаются при проектировании ОУ .
Кроме дифференциального входного сигнала, на ОУ может быть подан и синфазный входной сигнал, который, в результате несовершенства реальных схем, также проходит на выход. Характеристикой такого возможного проникновения является коэффициент ослабления синфазной составляющей КОСС , который показывает во сколько раз коэффициент усиления синфазного сигнала меньше коэффициента усиления дифференциального сигнала:
. (7.1)
Типичные значения КОСС – 60 … 80 дБ, некоторые ОУ и?