Вопрос 23. Принцип взаимного согласования цепей в аналоговой схемотехнике. Каскады сдвига уровня.

Эти каскады относятся к вспомогательным каскадам. Введение их в состав ОУ связано с тем, что он выполнен по схемотехнике усилителей постоянного тока, то есть с непосредственными гальваническими связями между каскадами. В результате этого от каскада к каскаду происходит сдвиг постоянной составляющей, поэтому, если не принять специальных мер, может оказаться так, что при нулевом входном сигнале на выходе ОУ будет ненулевое выходное напряжение достаточно большой величины.

Для того чтобы этого не происходило и предназначена схема сдвига уровня.

Рис. 34. К пояснению принципа сдвига уровня

 

Напряжение на выходе схемы в режиме покоя:

 

.

(55)

Предположим, что под воздействием сигнала усилителя, напряжение на коллекторе транзистора V1 получило приращение ΔUк (полезный сигнал), тогда:

 

(56)

.

(57)

Получилось, что за счет схемы сдвига уровня, реализованного на делителе напряжения, произошло искажение полезного сигнала, а именно уменьшение усиления.

Поэтому одно из требований схем сдвига – чтобы они не искажали полезный сигнал.

В связи с этим принцип построения схем сдвига в ОУ основан на пропускании стабильного тока определенной величины через резистор определенного номинала. При этом, в зависимости от направления тока через этот резистор, эти схемы могут сдвигать постоянную составляющую как в сторону повышения, так и в сторону понижения напряжения относительно нуля.

 

 

Рис. 35. Схема сдвига уровня

 

Транзистор VТ2 включен по схеме эмиттерного повторителя и обеспечивает согласование высокоомного выхода с коллектора VТ2 с относительно низкоомным входом выходного каскада. Транзисторы VТ3 и VТ4 образуют ГСТ и формируют ток сдвига.

В исходном состоянии в режиме покоя выходное напряжение схемы равно:

(58)

Предположим, что под действием входного сигнала напряжение на коллекторе VТ1получило приращение ΔUк, тогда:

 

(59)
	(60)

 

Таким образом, приращение входного сигнала передается на выход без искажений. При этом напряжение сдвига можно регулировать за счет выбора величины тока сдвига или номинала резистора 

В интегральных компараторах напряжения используется более простая схема сдвига, основанная на применении стабилитронов:

 

Рис. 36. Схема сдвига на стабилитронах

 

Такую схему в ОУ не применяют по причине высокого уровня шума. Кроме того, здесь нельзя регулировать напряжение сдвига. Регулировать напряжение сдвига в подобной схеме можно, если вместо стабилитрона включить несколько диодов в прямом направлении.

Вопрос 24. Операционные усилители. Общие сведения.

Операционный усилитель (ОУ) предназначен для выполнения математических операций в аналоговых вычислительных машинах. Первый ламповый ОУ K2W был разработан в 1942 году Л.Джули (США). Он содержал два двойных электровакуумных триода. Первые ОУ представляли собой громоздкие и дорогие устройства. С заменой ламп транзисторами операционные усилители стали меньше, дешевле, надежнее, и сфера их применения расширилась. Первые операционные усилители на транзисторах появились в продаже в 1959 году. Р.Малтер (США) разработал ОУ Р2, включавший семь германиевых транзисторов и варикапный мостик. Требования к увеличению надежности, улучшению характеристик, снижению стоимости и размеров способствовали развитию интегральных микросхем, которые были изобретены в лаборатории фирмы Texas Instruments (США) в 1958 г. Первый интегральный ОУ mА702, имевший рыночный успех, был разработан Р.Уидларом (США) в 1963 году. В настоящее время номенклатура ОУ насчитывает сотни наименований. Операционные усилители выпускаются в малогабаритных корпусах и очень дешевы, что способствует их массовому распространению.

Операционные усилители представляют собой усилители постоянного тока с низкими значениями напряжения смещения нуля и входных токов и с высоким коэффициентом усиления. По размерам и цене они практически не отличаются от отдельного транзистора. В то же время, преобразование сигнала схемой на ОУ почти исключительно определяется свойствами цепей обратных связей усилителя и отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью. Кроме того, благодаря практически идеальным характеристикам ОУ реализация различных электронных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Поэтому операционные усилители почти полностью вытеснили отдельные транзисторы в качестве элементов схем ("кирпичиков") во многих областях аналоговой схемотехники.

На рис. 1 дано схемное обозначение операционного усилителя. Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа. В дальнейшем будем, при необходимости, обозначать неинвертирующий вход буквой p (positive - положительный), а инвертирующий (тот, что с кружочком) - буквой n (negative - отрицательный). Выходное напряжение Uвых находится в одной фазе с разностью входных напряжений:

Uвых = U1 - U2

Рис. 1 - Операционный усилитель

Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, следует использовать двухполярное питающее напряжение. Для этого нужно предусмотреть два источника постоянного тока, которые, как это показано на рис. 1, подключаются к соответствующим внешним выводам ОУ. Обычно интегральные операционные усилители работают с напряжением питания ±15 В. В дальнейшем, рассматривая схемы на ОУ, выводы питания указываться не будут.

Наконец, очень важное обстоятельство: операционный усилитель почти всегда охвачен глубокой отрицательной обратной связью, свойства которой и определяют свойства схемы с ОУ.

Рис. 2 - Принцип отрицательной обратной связи

Часть выходного напряжения возвращается через цепь обратной связи ко входу усилителя. Если, как это показано на рис. 2, напряжение обратной связи вычитается из входного напряжения, обратная связь называется отрицательной.

Для физического анализа схемы, представленной на рис. 2, допустим, что входное напряжение изменилось от нуля до некоторого положительного значения Uвх. В первый момент выходное напряжение Uвых, а следовательно, и напряжение обратной связи βUвых также равны нулю. При этом напряжение, приложенное ко входу операционного усилителя, составит Uд = Uвх. Так как это напряжение усиливается усилителем с большим коэффициентом усиления KU, то величина Uвых быстро возрастет до некоторого положительного значения и вместе с ней возрастет также величина βUвых. Это приведет к уменьшению напряжения Uд, приложенного ко входу усилителя. Тот факт, что выходное напряжение воздействует на входное напряжение, причем так, что это влияние направлено в сторону, противоположную изменениям входной величины и есть проявление отрицательной обратной связи. После достижения устойчивого состояния выходное напряжение ОУ

Uвых = KUUд = KU(Uвх - βUвых)

Решив это уравнение относительно Uвых, получим:

K = Uвых / Uвх = KU1 + βKU)

При βKU >> 1 коэффициент усиления ОУ, охваченного обратной связью составит

K≅1 / β

Таким образом, из этого соотношения следует, что коэффициент усиления ОУ с обратной связью определяется почти исключительно только обратной связью и мало зависит от параметров самого усилителя. В простейшем случае цепь обратной связи представляет собой резистивный делитель напряжения. При этом схема с ОУ работает как линейный усилитель, коэффициент усиления которого определяется только коэффициентом ослабления цепи обратной связи. Если в качестве цепи обратной связи применяется RC-цепь, то образуется активный фильтр. Наконец, включение в цепь обратной связи ОУ диодов и транзисторов позволяет реализовать нелинейные преобразования сигналов с высокой точностью.