Дифференциальный усилитель.

Дифференциальный усилитель позволяет усиливать парафазный сигнал, передаваемый по двум соединительным линиям. Кроме того, дифференциальный усилитель позволяет переходить от несимметричного представления сигнала (относительно корпуса или земли) к симметричному (парафазному) и наоборот. Именно поэтому дифференциальные усилители получили широкое распространение в современных аналоговых интегральных микросхемах. Схема простейшего дифференциального усилителя приведена на рисунке 1

Рисунок 1 Схема простейшего дифференциального усилителя

В этой схеме эмиттеры двух транзисторов соединены между собой, образуя дифференциальную пару. Подобное схемное решение позволяет сохранять постоянный суммарный ток этой пары транзисторов благодаря тому, что на базы транзисторов дифференциального усилителя подается противофазный сигнал (парафазный или симметричный сигнал). При увеличении тока эмиттера транзистора VT1, ток транзистора VT2 уменьшается на точно такую же величину. Благодаря постоянному току через резистор R3, падение напряжения на его сопротивлении тоже оказывается постоянным и поэтому можно считать, что точка соединения эмиттеров транзисторов дифференциального усилителя по переменному току эквивалентна нулевому потенциалу.

Так как точка соединения эмиттеров транзисторов дифференциального усилителя эквивалентна нулевому потенциалу, коэффициент усиления дифференциального каскада равен коэффициенту усиления транзистора, включенному по схеме с общим эмиттером. Коэффициент усиления дифференциального усилителя по напряжению можно найти по формуле:

(1),

Не менее важным параметром дифференциального усилителя является подавление синфазного сигнала. Этот параметр можно выразить через усиление синфазного сигнала. Усиление синфазного сигнала дифференциальным усилителем можно определить следующим образом:

(2),

Учитывая, что сигнал на выходе схемы дифференциального усилителя, приведенной на рисунке 1, снимается между резисторами R2 и R4, то коэффициент ослабления синфазного сигнала определяется следующим образом:

(3),

Учитывая, что на одном кристалле можно получить достаточно близкие значения коллекторных сопротивлений, а в качестве эмиттерного резистора R3 применить высокоомный генератор тока, то коэффициент подавления синфазной помехи получается настолько большим, что можно отказаться от применения разделительных конденсаторов между дифференциальными каскадами.

54. Операционные усилители – основные свойства и характеристики.

Операционным усилителем (ОУ) принято называть интегральный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и двухтактным выходом, предназначенный для работы с цепями обратных связей. В настоящее время ОУ выполняют роль многофункциональных узлов при реализации разнообразных устройств электроники различного назначения. Они применяются для усиления, ограничения, перемножения, частотной фильтрации, генерации, стабилизации и т.д. сигналов в устройствах непрерывного и импульсного действия. Идеальный ОУ имеет бесконечно большой коэффициент усиления по напряжению (Kи ОУ=∞), бесконечно большое входное сопротивление, бесконечно малое выходное сопротивление, бесконечно большой КОСС и бесконечно широкую полосу рабочих частот. Естественно, что на практике ни одно из этих свойств не может быть осуществлено полностью, однако к ним можно приблизиться в достаточной для многих областей мере.

На рисунке 6.1 приведено два варианта условных обозначений ОУ — упрощенный (а) и с дополнительными выводами для подключения цепей питания и цепей частотной коррекции (б).

Рисунок 6.1. Условные обозначения ОУ

Основным параметром ОУ коэффициент усиления по напряжению без обратной связи Ku ОУ, называемый также полным коэффициентом усиления по напряжению. В области НЧ и СЧ он иногда обозначается Ku ОУ0 и может достигать нескольких десятков и сотен тысяч.

Важными параметрами ОУ являются его точностные параметры, определяемые входным дифференциальным каскадом. Поскольку точностные параметры ДУ были рассмотрены в подразделе 5.5, то здесь ограничимся их перечислением:

◆ напряжение смещения нуля Uсм;

◆ температурная чувствительность напряжения смещения нуля dUсм/dT;

◆ ток смещения ΔIвх;

◆ средний входной ток Iвх ср.

55. Построение схем на базе ОУ: генераторы.

(А) - Компаратор. Схема выдает высокий уровень сигнала, если напряжение на входе больше, напряжения, заданного делителем на резисторах R1 и R2, и низкий, если напряжение меньше. Так как у операционника высокий, но все же не бесконечный коэффициент усиления, то в момент равенства напряжений могут наблюдаться переходные процессы, и напряжение на выходе будет непредсказуемым.

(Б) - Триггер Шмитта.

(В) - Резонансный усилитель. В связи с тем, что усилитель охвачен частотно зависимой положительной обратной связью, его усиление на некоторой частоте в несколько десятков или даже сотен раз выше, чем на других. Такой усилитель можно использовать для выделения сигнала определенной частоты из шума. Он применяется, например в металлоискателе.

(Г) - Инвертор сигнала. Резисторы R1 и R2 - равны между собой и равны 100 кОм. Для понимания работы усилителей на ОУ с конечным коэффициентом усиления, в том числе с равным минус единице, очень полезно иметь ввиду, что в режиме конечного усиления напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах приблизительно равны. Действительно, если бы напряжение заметно различалось, то наступило бы насыщение, напряжение на выходе было бы близко к напряжению положительного или отрицательного полюса питания. Используя это свойство видим, что напряжение на инвертирующем выводе близко к нулю (напряжению общего провода, к которому подключен неинвертирующий вход), когда напряжение на выходе равно минус напряжению на входе.

(Д) - Релаксационный генератор. Когда напряжение на конденсаторе меньше, чем напряжение на неинвертирующем входе, то на выходе напряжение близко к положительному напряжению питания. Конденсатор заряжается. Как только он зарядится до указанного напряжения, напряжение на выходе операционника станет близко к отрицательному напряжению питания. Напряжение на неинвертирующем входе понизится за счет положительной обратной связи. Теперь конденсатор будет разряжаться до напряжения на неинвертирующем входе. Как только он разрядится до этого напряжения, произойдет переключение в исходное состояние. На выходе генератора будут формироваться прямоугольные импульсы.

(Е) - Генератор синусоидального сигнала.