Полностью дифференциальный операционный усилитель
Помимо
ОУ с одним выходом, в последние годы
широчайшее распространение получили
ОУ с двумя выходами – так называемые
полностью дифференциальные (ПД) или
симметричные ОУ. Упрощённо говоря, ПД
ОУ содержат два
одинаковых усилителя,
на входы которых подаются одинаковые
по абсолютной величине, но противофазные
сигналы. Каждый усилитель имеет свой
индивидуальный выход, и на них сигналы
получаются также противофазными.
Одинаковость усилителей и их специальная
топология приводят к тому, что внешние
паразитные факторы, например различного
рода электрические помехи, а также
температура, влияют на оба усилителя
одинаково, вызывая одинаковый отклик
на обоих выходах. Поскольку выходным
напряжением
ПД ОУ считается разность
напряжений
между выходами,
то есть
,
то одинаковые выходные отклики от
паразитных факторов взаимно уничтожаются.
Эта особенность ПД ОУ особенно ценна в
случаях их нахождения в одном кристалле
с цифровыми блоками, производящими
значительные помехи как в цепях питания,
так и в общей кремниевой подложке. По
этой причине цепи питания аналоговых
и цифровых узлов всегда
различны. Проводник, к которому подключено
положительное питание для аналоговой
схемы обозначается как
,
а отрицательное питание – как
.
Источники питания для цифровой
схемы обозначаются соответственно как
и
.
Аналоговые блоки на кристалле практически
всегда окружены металлическими
проводниками аналоговых питаний,
подключённых к подложкам обоих типов
и шунтирующих паразитные помехи
(«вбирающих в себя» паразитные токи).
Пример полностью дифференциального
функционального элемента приведён на
рис. 3б.
Паразитные эффекты в оу
Кроме
нежелательного (однако, НЕ во всех
случаях, как упоминалось) уменьшения
усиления ОУ с увеличением частоты
сигнала, существует общий для всех
ОУ паразитный эффект, называемый
«напряжением
смещения нуля».
По смыслу определения аналогового
сигнала, равновероятного относительно
аналоговой «земли», при отсутствии
(равенстве нулю) сигнала на входе (т.е.
строгом равенстве
),
ожидаемое отсутствие
сигнала на выходе ОУ означает строгое
равенство выходного потенциала потенциалу
аналоговой «земли».
Такое возможно только при строгом
равенстве всех значений параметров
определённых транзисторов в составе
ОУ (в первую очередь во входном
дифференциальном каскаде). В действительности
этого никогда
не наблюдается ввиду случайности
процессов на микроуровне при изготовлении
интегральных микросхем (ИМС) значения
параметров парных (по замыслу –
идентичных) компонентов НЕ одинаковы
(например, в транзисторах различаются
их размеры, пороговые напряжения и др.)
и, как результат, при отсутствии входного
сигнала выходной потенциал
отличается, причём часто значительно
(даже - на величины, превышающие напряжение
питания) от
.
При расчётах этот паразитный эффект
часто имитируют включением в цепь
неинвертирующего входа фиктивного
источника напряжения
,
называемого приведённым
ко входу напряжением смещения нуля
и определяемого выражением:
,
(1.18)
На рис. 3в изображён базовый инвертирующий активный элемент с приведённым к входу напряжением смещения нуля .
Кроме смещения нуля, в реальных усилителях рождается собственный шум, поскольку шумят все токоограничивающие компоненты. При анализе этот шум, как и в случае постоянного смещения нуля, принято имитировать включением в цепь неинвертирующего входа фиктивного приведённого к входу источника среднеквадратичного напряжения шума (см., например, пособие [8] и популярный иностранный учебник [7].
При упрощённом анализе активных схем общепринятым является использование «идеального ОУ». Такой идеальный ОУ характеризуется следующим набором основных характеристик:
бесконечно большой дифференциальный коэффициент усиления на всех частотах;
бесконечно малый синфазный коэффициент усиления на всех частотах;
неопределённо большие диапазоны изменения выходного напряжения и входного синфазного напряжений;
бесконечно большое входное сопротивление и бесконечно малая входная ёмкость;
бесконечно малое выходное сопротивление.
Ниже приводятся примеры использования идеальных ОУ в линейных функциональных блоках, производящих математические операции с аналоговым сигналом. Примеры сопровождаются упрощённым анализом блоков и расчётом их передаточных функций (упрощённым анализ назван из-за использования идеальных ОУ, однако в большинстве примеров нарушен принцип идеальности ОУ – величина коэффициента усиления ограничена). Из анализа передаточных функций будет с очевидностью ясна роль величины дифференциального коэффициента усиления ОУ и желательность возможно большего его значения.
Примеры расчета передаточных функций простейших активных линейных схем