2. Структура оу

Современные ОУ имеют, как правило, четыре структурных элемента. Входной дифференциальный усилитель (ДУ), который усиливает разностный сигнал. Промежуточный усилитель (ПУ). В случае ОУ с низким коэффициентом усиления ПУ может отсутствовать. В ОУ с большим

Рисунок 2.3

коэффициентом усиления в качестве ПУ могут использоваться так же диф- ференциальные каскады, но с однотактным выходом. Схема сдвига уровня (ССУ) осуществляет установку на выходе нулевого потенциала, так как на выходе ПУ как правило, напряжение отличается от нуля. Эмиттерный повто- ритель (ЭП) обеспечивает малое выходное сопротивление. Между каскадами существует непосредственная связь (без разделительных конденсаторов).

2.3 Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель (ДУ) предназначен для усиления разности двух напряжений U_{ВЫХ ДУ}=К_{U ДУ}(U_ВХ2-U_ВХ1). В идеальных ДУ выходное напряжение пропорционально только разности входных напряжений и не зависит от их абсолютной величины.

Принципиальная схема ДУ на биполярных транзисторах приведена на рисунке 2.4а. А принцип работы поясняется с помощью рисунков 2.4б и 2.4в.

а)

б)

в)

Рисунок 2.4

Если на вход 1 подать гармонический сигнал (рисунок 2.4б), а вход 2 соединить с общим проводом, то ток коллектора первого транзистора I_К1 будет изменяться в соответствии с сигналом. При положительном полупериоде сигнала на входе ток коллектора VT1 увеличивается, падение напряжения на резисторе R1 также увеличивается и напряжение на коллекторе транзистора VT1, (на выходе 1) уменьшится. Таким образом, выход 1 по отношению ко входу 1 является инвертирующим. Если теперь напряжение подавать на вход 2, то при положительном полупериоде сигнала на входе ток коллектора I_К2 также будет расти, но на эту же величину снизиться ток I_К1 (в цепи эмиттеров стоит источник тока I_К1+ I_К2= I₀) и напряжение на выходе 1 будет увеличиваться. Т. е. вход 2 по отношению выхода 1 является неинвертирующим.

Коэффициент усиления дифференциального усилителя в первом случае равен

K_{U ДУ}=U_{ВЫХ 1} / U_{ВХ 1} (1),

U_{ВЫХ 1}= I_К1R1 (2). I_К1= h_21Э I_Б1 (3)

Входное напряжение распределяется на двух эмиттерных pn-переходах

U_{ВХ 1} =(I_Б1h_11Э+ I_Э2 h_11Б). (4)

I_Э2= (h_21Э+1) I_Б1 (5) и h_11Б= h_11Э / (h_21Э+1) (6)

Подставляя (2, 3, 4, 5 и 6) в (1) получим K_{U ДУ}= h_21ЭR1 / 2h_11Э. Входное сопротивление R_ВХ= U_{ВХ 1}/ I_Б1= 2h_11Э.

Таким образом, для получения большого входного сопротивления необходимо работать при малых токах базы, но при этом значительно снижается коэффициент передачи по току h_21Э, а, следовательно, и К_{U ДУ}.

В ДУ, выполненных таким образом, коэффициент усиления составляет

K_{U ДУ}=10-20, а входное сопротивление десятки кОм, что далеко от идеала.

2.4 Составной транзистор

Биполярный составной транзистор (схема Дарлингтона) состоит из двух транзисторов, включенных, как показано на рисунке 2.5. Ток коллектора составного транзистора состоит из I_К= I_К1+I_К2. I_К1=h_21Э(1)I_Б1 , I_К2=h_21Э(2)I_Б2= h_21Э(2)I_Э1= h_21Э(2) I_Б1(1+h_21Э(1)) Индекс в скобках указывает номер транзистора. Тогда коэффициент передачи по току составного транзистора будет равен h_21Э=I_К/ I_Б= h_21Э(1)+ h_21Э(1)  h_21Э(2)+ h_21Э(2) h_21Э(1)  h_21Э(2). А входное сопротивление h_11Э= h_11Э(1)+ (1+h_21Э(1)) h_11Э(2) или h_11Э h_21Э(1)  h_11Э(2).

Рисунок 2.5 Таким образом, входное сопротивление и

коэффициент передачи по току составного транзистора увеличивается примерно в h_21Э(1) раз. Заменяя в ДУ транзисторы VT1 и VT2 на составные, получим значительное увеличение входного сопротивления ДУ (сотни кОм), однако, коэффициент усиления почти не изменится.

Дальнейшее увеличение входного сопротивления ДУ можно получить, используя полевые транзисторы, а увеличение K_U применением динамической нагрузки 3 .