Во втором случае под действием Ur происходит переклю­ чение транзисторов 71 и 72 с частотой (ог. Благодаря этому во вторичной обмотке трансформатора 72 появляется пере­ менное напряжение, огибающая которого повторяет форму и вх. УПТ с преобразованием широко применяются в устройствах автоматического регулирования и управления различными производственными процессами.

Существует также класс УПТ с преобразованием — автогенераторные УПТ (см. гл, 10).

Контрольные вопросы и упражнения

1. Объясните особенности межкаскадных связей в УПТ.

2.Чем объясняются ограничения на величину резистора /?э2 в схеме на рис. 7.2, а?

3.Поясните причины возникновения дрейфа нуля в схе­ мах транзисторных УПТ? Почему дрейф нуля практи­ чески не появляется в усилителях напряжения с резис­ тивно-емкостной связью?

4.Определите величину дрейфа нуля едр усилителя, приве­ денного ко входу, если отклонение выходного напряже­

ния усилителя при закороченном выходе Д(/Вых =

= 25 mV, а коэффициент усиления схемы по напряжению

К= юб.

5.Постройте двухкаскадный транзисторный УПТ, каждый каскад в котором выполнен как параллельно-балансный.

6.Поясните особенности дифференциального каскада по сравнению с параллельно-балансным УПТ.

7.Постройте схему дифференциального каскада на поле­ вых транзисторах.

8.Поясните в сравнении достоинства и недостатки УПТ прямого усиления и УПТ с преобразованием.

Г л а в а 8

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

8.1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Внастоящее время операционным усилителем (ОУ) на­ зывают усилитель напряжения, имеющий в полосе частот от нуля до нескольких десятков килогерц коэффициент уси­ ления несколько тысяч и выше, входное сопротивление

несколько тысяч Ом и выше, выходное сопротивление десят­ ки и сотни Ом, обладающий низким уровнем дрейфа, удов­ летворяющий условиям устойчивости при введении глубо­ кой обратной связи.

Термин «операционный усилитель» возник в аналоговой вычислительной технике, где подобные усилители с соот­ ветствующими обратными связями применялись для моде­

рне. 8.1. Принципиальная схема операционного усилителя типа

К544УД1

лирования различных математических операций. Однако появление полупроводниковых ОУ в интегральном испол­ нении, имеющих относительно низкую стоимость и высокие технические показатели, привело к тому, что операцион­ ные усилители стали наиболее широко применяемой уни­ версальной аналоговой интегральной схемой.

Принципиальные схемы интегральных операционных усилитёлей, как правило, содержат от одного до трех кас­ кадов усиления напряжения (причем входной каскад всег­ да выполняется как дифференциальный), цепи согласова­ ния каскадов и эмиттерный либо истоковый повторитель в качестве выходного каскада. У ОУ пять основных выводов: два для подключения питания, два для подачи входных сиг­ налов и один для снятия выходного сигнала. При построе­ нии схем ОУ применяется непосредственная связь.

В качестве примера на рис. 8.1 представлена принци­ пиальная схема одного из типов ОУ — К544УД1. Как вид­ но из этого рисунка, внутреннее устройство операционного усилителя довольно сложно. Усложнение схем ОУ в ряде случаев вызывается не только свойствами схемы, но и осо­ бенностями технологии производства интегральных схем.

Следует отметить, что для специалистов, применяю­ щих ОУ, знать что-либо о его внутреннем функциониро­ вании не обязательно, так как выполняемые ОУ операции определяются подключаемыми к нему внешними элемен­ тами. Поэтому более важной является информация не о принципиальной схеме ОУ, а о его характеристиках и па­ раметрах с тем, чтобы осуществлять необходимые их из­ менения при помощи внешних обратных связей.

8.2. ПАРАМЕТРЫ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Обозначения операционного усилителя на принципи­ альных схемах приведены на рис. 8.2, а.

Источник питания схемы ОУ подключается к выводам + Е Пи —Еп. Чаще всего источник питания имеет три зажи­ ма — положительный, отрицательный и заземляющий. Обычно питание симметричное (например ± 6 В). Существу-

Рис. 8.2. Схемы включения операционного усилителя

ют схемы ОУ с так называемым несимметричным питанием (например +12 В; —6 В). Есть также схемы ОУ с однопо­ лярным питанием (например, +12 В и «земля»).

Выходное напряжение снимается с выходного вывода ОУ относительно «земли». Поэтому обычно считают, что ОУ имеет несимметричный выход. Уровень выходного на­ пряжения ограничивается величиной Еп и областью насы­ щения выходных транзисторов. Верхний предел £/ВЫх на­ зывается положительным напряжением насыщения и

обозначается UHас+ ♦ а нижний предел — отрицательным напряоюением насыщения и обозначается UHас_.

Выходной ток ОУ также ограничен (обычно имеет по­ рядок 5... 10 мА). Пределы тока и напряжения измеряются на практике при минимально допустимом сопротивлении нагрузки ОУ.

Входные выводы являются входами дифференциального каскада и поэтому называются дифференциальными. Вы­ вод (—) называется инвертирующим, вывод (+) — неинвер­ тирующим.

Выходное напряжение идеального ОУ линейно зависит от разностного входного напряжения f/A= UL— U2, на­ зываемого дифференциальным входным напряжением, 0 ВЫХ=*

личина К достаточно велика, a UBых, как известно, ограни­ чивается уровнями насыщения, то дифференциальное вход­

среднего тока смещения / см, который находят как полусум­ му абсолютных значений токов смещения по каждому из входов. Токи смещения / CMi и / см2 измеряются при таком

Обычно для ОУ, входные каскады которых выполнены на биполярных транзисторах, / см менее 10“ 6 А, а для ОУ с входными каскадами на полевых транзисторах — не ме­ нее 10~12 А.

Разность между абсолютными значениями / СМ1 и / с м 2 на­ зывается входным током сдвига / вх.Сдв. Эта величина на прак­ тике более, чем в четыре раза меньше / см. Поэтому в большин­ стве случаев считают, что ток, протекающей между инверти­ рующим и неинвертирующим входами, т. е. / вх.сдв, равен нулю.

Свойства усилителя, определяемые тем, что (/д « 0 и /вх.сдв « 0, объединяют так называемым принципом Мни­ мой земли. Принцип мнимой земли очень широко применя­ ется при анализе и синтезе схем с ОУ

Нижний уровень усиливаемых сигналов в реальном ОУ

ограничивается величиной входного напряжения сдвига

^вх.сдвЭто напряжение обусловлено собственными шумами (или так называемыми небалансами) внутри ОУ, в резуль­ тате чего при t/д = 0 на выходе существует напряжение от нескольких микровольт до нескольких милливольт. Раз­ делив это напряжение At/вых помехи на коэффициент уси­ ления К операционного усилителя, можно получить t/„x.сдв. которое как бы действует на входе ОУ

В реальном случае выходное напряжение ОУ будет за­ висеть не только от UAи К, но и от так называемого синфаз­ ного напряжения помехи 0 ст, т. е. помехи, которая одно­ временно действует на оба входа, и коэффициента усиле­ ния Ксин этого напряжения Каш = | Ki I — | Кг | . где Ki и Кг — коэффициенты усиления сигнала, поданного на ин­ вертирующий и неинвертирующий входы ОУ соответственно.

Показателем качества, используемым для оценки воз­ можностей реального дифференциального ОУ, является

коэффициент ослабления синфазного сигнала Косс = TF— . *'СИН

Таким образом, выходное напряжение равно

t/вых = Кt/„ + KcHHt/аш = K t/^ l +

Величина -гг— • ,f"H носит название синфазной ошибки. *\)СС

Очевидно, что чем больше Косс, тем ближе дифференциаль­ ный ОУ приближается к идеальному, когда Uснн = 0.

Кроме указанных параметров, качество ОУ определя­ ется и рядом других. Входное сопротивление R BX, т. е. от­ ношение изменения входного напряжения к изменению входного тока в любом из входов при заземленном втором входе. Входное сопротивление ОУ может достигать значе­ ний 103—10е Ом, а в случае выполнения входного каскада на полевых транзисторах — еще выше.

Входное сопротивление для синфазного сигнала /?Сф — определяется как отношение приращения синфазного на­ пряжения к приращению среднего тока смещения ОУ. Ве­ личина Ясф обычно на 1...2 порядка, а иногдаш более, пре­ вышает значение R BX.

Потребляемый ток / п — ток, потребляемый цепями ОУ при отсутствии нагрузки и UBых *= 0.

Выходное сопротивление RBых определяется так же, как и для любого другого усилителя и лежит обычно в пределах от десятков до сотен Ом. Коэффициент влияния нестабиль­ ности источника питания Квнп определяется отношением изменения £/вх.сдв к вызвавшему его изменению одного из питающих напряжений Еп (иногда влияние источников по­ ложительного и отрицательного питающих напряжений ха­ рактеризуют раздельными Квип)- Этот коэффициент чаще ле­ жит в пределах 2 10~5... 2 10-"4.

8.3. ИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ

На рис. 8.2, б приведена схема простейшего инвертиру­ ющего усилителя. Неинвертирующий входной зажим заземлен, т. е. находится под нулевым потенциалом. ОУ охвачен параллельной отрицательной обратной связью по напряжению через резистор R2.

Найдем выражение для коэффициента усиления схемы используя принцип «мнимой земли». В соответствии с этим принципом напряжение и ток между входными зажимами ОУ равны нулю и, следовательно, для входной и выходной цепей при принятых направлениях токов и напряжений

Знак минус в выражении (8.1) указывает, что выходное напряжение и вых находится в противофазе (инверсно) с на­

пряжением £/вх.

Таким образом, коэффициент усиления усилителя определяется только параметрами цепи обратной связи и не зависит от параметров ОУ

8.4. НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ

Схема неинвертирующего усилителя приведена на рис. 8.2, в. Входной сигнал поступает на неинвертирующий вход ОУ. Инвертирующий вход ОУ заземлен через резис­ тор /?1. В схеме введена отрицательная последовательная обратная связь по напряжению через делитель R lt Ri- Так же как и в предыдущем случае, выражение для коэффици­ ента усиления схемы найдем, использовав принцип «мни­ мой земли». В соответствии с этим принципом напряжение и ток между входными зажимами равны нулю, т. Vвх =-