Материал: 832

120

В этом случае ее часто называют токовым зеркалом или отражателем тока, так как ток Iг практически повторяет ток I, задаваемый резистором R1:

Токовое зеркало находит широкое применение в схемотехнике интегральных операционных усилителей в качестве генераторов постоянного тока и динамических нагрузок транзисторных усилительных каскадов.

Выходное сопротивление отражателя тока можно рассчитать по формуле

где UЭрли – потенциал Эрли, равный 80–200 В для n-p-n-тран- зисторов и 40–150 В для p-n-p-транзисторов.

В схемах рис. 11.4, а и рис. 11.4, б выходное сопротивление выше и с ростом сопротивления R0 стремится к величине

Rг rКЭ.

11.3 Операционный усилитель

Многокаскадный УПТ с дифференциальным входом и несимметричным выходом называют операционным усилителем (ОУ). Операционным усилитель был назван потому, что он использовался в аналоговых вычислительных машинах (еще в ламповом варианте) для выполнения операций масштабирования, суммирования и интегрирования. Пример построения ОУ приведен на рис. 11.5. Транзисторы в диодном включении обозначены на схеме как диоды. ОУ содержит входной дифференциальный усилительный каскад на транзисторах VT1, VT2 с генератором тока VT5, получающим смещение с делителя R1, VD1 и динамической нагрузкой в виде «токового зеркала» на транзисторах VT3,

121

VT4. Через согласующий эмиттерный повторитель VT6 сигнал поступает на выходной каскад в виде усилителя напряжения VT7 (схема с ОЭ) с динамической нагрузкой VT8 и усилитель тока на транзисторах VT9, VT10, получающий смещение с диодов VD2, VD3 для работы в режиме АВ.

Приведенное схемное решение характерно для интегральной технологии изготовления операционных усилителей. Применение транзисторных структур в качестве динамических нагрузок не только повышает коэффициент усиления каскадов, но и уменьшает площадь, которую они занимают на поверхности кристалла по сравнению с резистивной нагрузкой.

Для повышения входного сопротивления ОУ входной каскад переводят в режим микротоков. Он дает усиление порядка ста. Основное усиление по напряжению (порядка нескольких тысяч) дает каскад на транзисторе VT7. Корректирующий конденсатор Скорр делает постоянную времени каскада на транзисторе VT7

E

VD1

VT5 VT8

E

Рис. 11.5 – Вариант принципиальной схемы ОУ

122

много большей постоянных времени других каскадов, что обеспечивает возможность охвата ОУ отрицательной обратной связью большой глубины без потери устойчивости усилителя.

11.4Основные параметры и типовые схемы включения операционных усилителей

В линейных устройствах ОУ используются с глубокой ООС. При этом параметры схем на ОУ практически полностью определяются видом и характеристиками элементов, включенных в цепь обратной связи. ОУ стали самыми универсальными и массовыми элементами аналоговой схемотехники. Такая многофункциональность и гибкость при использовании лишь нескольких типов микросхем ОУ достигается применением самых разнообразных внешних цепей обратной связи, включающих линейные, нелинейные, пороговые, частотно-зависимые и другие элементы.

онного усилителя. Без балансировки при нулевом напряжении на входе напряжение на выходе устройств, построенных на ОУ, иногда может составлять единицы вольт.

Условное графическое обозначение ОУ показано на рис.11.7, а. На этом же рисунке приведены амплитудная (11.7, б) и амплитудно-частотная (11.7, в) характеристики ОУ. Операционный усилитель имеет два входа: неинвертирующий (U+) и инвертирующий (U–). Уровни положительного и отрицательного ограничения приближаются по величине к напряжениям двухполярного источника питания. Возможное смещение амплитудной характеристики относительно начала координат характеризует напряжение смещения Uсм. Амплитудно-частотная характеристи-

123

ка ОУ в области верхних частот вплоть до частоты единичного усиления f1 спадает с таким наклоном, при котором во сколько раз изменяется частота (например, в 10 раз, т.е. на декаду), во столько же раз изменяется коэффициент усиления по напряжению К (также в 10 раз, т.е. на 20 дБ в логарифмическом масштабе).

Рис. 11.7 – Основные характеристики ОУ

При практическом применении операционных усилителей разработчиков интересует не столько принципиальная схема ОУ, сколько схема включения и основные параметры (в скобках приведены для К14ОУД20):

1)коэффициент усиления по напряжению (К = 25000);

2)входное сопротивление (rвх – сотни килоом);

3)выходное сопротивление (rвых– сотни ом);

4)напряжение смещения (Uсм = 1мВ);

5)входной ток (Iвх = 100 нА);

6)коэффициентподавлениясинфазного сигнала (Mсф = 70 дБ);

7)частота единичного усиления (f1 = 0,5 МГц);

8)напряжение питания ( E 5 20 В);

9)дрейф напряжения смещения Uсм 2мкВ оС.

Упрощенный анализ устройств на ОУ будем проводить для идеального операционного усилителя, т.е. имеющего К , rвх , rвых 0, Uсм 0, Iвх 0, Мсф . По мере совершенствования схемотехники и технологии изготовления ОУ их характеристики все больше приближаются к идеальным.

Получим основные соотношения для типовых включений ОУ. В практических схемах в качестве Z1 и Z2 могут использоваться резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, а так-

124

же двухполюсники, составленные из их последовательного или параллельного соединения. Потенциалы инвертирующего и неинвертирующего входов идеального ОУ можно считать одинаковыми, т.к. К .

При инвертирующем включении (рис. 11.8, а) через эле-

мент Z1 течет ток i1 Uвх /Z1. Точно такой же ток течет и через

Z2, т.к. rвх .

Рис. 11.8 – Типовые схемы включения ОУ: а – инвертирующее; б – неинвертирующее

Таким образом,

На основе операционных усилителей путем введения внешних цепей обратной связи (в том числе и частотно-зависимых) строится большое число электронных устройств, осуществляющих эффективное преобразование электрических сигналов и широко используемых в измерительной технике. Их передаточные свойства описываются в первом приближении соотношениями (11.14) и (11.15). Для оценки погрешностей измерительных устройств приходится учитывать влияние реальных параметров применямых ОУ. Точность измерительных устройств сильно за-