решении этой задачи следует учесть два эффекта), (в) Как будет изменяться ток нагрузки в пределах рабочего диапазона, если известно, что изменение напряжения С/э описывается зависимостью А {Убэ=-0,001А (Укэ (эффект Эрли)? (г)Чему равен температурный коэффициент выходного тока, если предположить, что коэффициент Нцэ не

№Ста6иЛизир, вход пост.

Г>Ш) Б ВЫХ.

5,6 В зетегравский

т

X i

+5 Bp, У

-+5 В

Нагрцз-ка

т

г

-Выход

Вход-!

-If.

Выход или

Вход -

Рис. 2.77.

о - повторители со связью по переменному току; б - стабилизатор напряжения +5 В; в *- двухтактный повторитель; г - источник тока; д - переключатель для больших токов; е - двухкаскадный усилитель; ж - дифференциальный усилитель; з - повторитель с нулевым смещением; и - усилитель переменного тока с большим коэффициентом усиления.

-+10В

8Д КОМ

Нагрузка

зависит от температуры? Чему равен температурный коэффициент выходного тока, если предположить, что коэффициент к^хЭ увеличивается относительно номинального значения 100 на 0.4%/°0

(3) Разработайте схему усилителя с общим эмиттером на основе транзистора п-р-п-типа по следующим исходным данным: коэффициент усиления по напряжению равен 15, напряжение питания {Укк рзвно 15 В, коллекторный токравен 0,5 мА Транзистор должен быть смещен так, чтобы потенциал коллектора был равен 0,5 Укк^ а

точке -3 дБ должна соответствовать частота 100 Гц.

(4) Предусмотрите в предыдущей схеме следящую связь для увеличения входного импеданса. Правильно определите точку спада усиления при следящей связи.

(5) Разработайте схему дифференциального усилителя со связями по постоянному току по следующим исходным данным: коэффициент усиления по напряжению равен 50 (для однополюсного выхода) при входных сигналах с напряжением, близким к потенциалу земли; источники питания обеспечивают напряжение 15 8; ток покоя в каждом транзисторе равен 0,1 мА. В эмиттерной цепи используйте источник тока, а в качестве выходного каскада - эмиттерный повторитель.

(6) Выполнив это упражнение, вы получите усилитель, коэффициент усиления которого управляется внешним напряжением (в гл. 6 эта задача решается с помощью полевых транзисторов), (а) Сначала разработайте схему дифференциального усилителя с источником тока

эмиттерных резисторов. Используйте источник пита-В. Коллекторный ток (для каждого транзистора) мА, а сопротивление коллекторного резистора сделайте равным ?К=1>0 кОм. Подсчитайте коэффициент усиления по напряжению, при условии что один из входов заземлен, (б) Теперь модифицируйте схему так, чтобы источником тока в эмиттерной цепи можно было управлять с помощью внешнего напряжения. Составьте приблизительное выражение за-

кОм

1,5 . ком

Рпс. 2.78,

в эмиттерной цепи ния с напряжением должен быть равен

и без ±15

висимости коэффициента усиления от управляющего напряжения. (В реальной схеме можно предусмотреть еще одну группу управляемых источников для того, чтобы скомпенсировать смещение точки покоя, обусловленное изменениями коэффициента усиления, или же можно включить в схему еще один каскад с дифференциальным входом.)

t20R

100 Ом

1кОм

кОм

к следдюцим

каскадам

Ф

f i

-V:,

Рис. 2.79.

Рнс. 2.80.

(7) Не желая прислушиваться к нашим советам, высокомерный студент создает усилитель, схема которого приведена на рис. 2.79. Он регулирует сопротивление таким образом, чтобы точке покоя соответствовало напряжение 0,5 {Укк- (а) Определите 2в,( (на высоких частотах, когда выполняется условие 2кх;0). (б) Определите коэффициент усиления по напряжению для малого сигнала, (в) Определите грубо, при каком изменении температуры окружающей среды транзистор перейдет в режим насыщения.

(8) В некоторых прецизионных операционных усилителях (например, ОР-07) для подавления входного тока смещения используется схема, показанная на рис. 2.80 (подробно показана только половина дифференциального усилителя с симметричным входом, другая половина выглядит точно так же). Объясните, как работает схема. Замечание: транзисторы Tj и Т^ представляют собой согласованную поР пару. Подсказка: вспомните о токовых зеркалах.

Глава 3

ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ И ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

И ОПЕРАЦ;!0ННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

Понятие обратная с язь (ОС) относится к числу распространенных, оно давно вышло ja рамки узкой области техники и употребляется сейчас в широком сглысле. В системах управления обратная связь используется для сравнения еыходного сигнала с заданным значением и выполнения соответствующ?й коррекции. В качестве системы может выступать что угодно, например процесс управления движущимся по дороге автомобилем - за выходными данными (положением машины и ее скоростью) следит водитель, который сравнивает их с ожидаемыми значениями и соответственно корректирует входные данные (с помощью руля, переключателя скоростей, тормоза). В усилительной схеме выходной сигнал должен быть кратен входному, поэтому в усилителе с обратной связью входной сигнал сравнивается с определенной частью выходного сигнала.

3.01. Предварительные сведения об обратной связи

Отрицательная обратная связь - это процесс передачи выходного сигнала обратно на вход, при котором погашается часть входного сигнала. Может показаться, что это глупая затея, которая приведет лишь к уменьшению коэффициента усиления усилителя. Именно такой отзыв получил Гарольд С. Блэк, который в 1928 г. попытался запатентовать отрицательную обратную связь. К нашему изобретению отнеслись так же, как к вечному двигателю (журнал IEEE Spectrum за декабрь 1977 г.). Действительно, отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления, но при этом она улучшает другие параметры схемы, например устраняет искажения и нелинейность, сглаживает частотную характеристику (приводит ее в соответствие с нужной характеристикой), делает поведение схемы предсказуемым. Че.м глубже отрицательная обратная связь, тем меньше внешние характеристики усилителя зависят от характеристик усилителя с разомкнутой обратной связью (без ОС), и в конечном счете оказывается, что они зависят только от свойств самой схемы ОС. Операционные усилители обычно используют в режиме глубокой обратной связи, а коэффициент усиления по напряжению в разомкнутой петле ОС (без ОС) достигает в этих схемах миллиона.

Цепь ОС может быть частотно-зависимой, тогда коэффициент усиления будет определенным образом зависеть от частоты (примером

может служить предусилитель звуковых частот в проигрывателе со стандартом RIIA); если же цепь ОС является амплитудно-зависимой, то усилитель обладает нелинейной характеристикой (распространенным примером такой схемы служит логарифмический усилитель, в котором в цепи ОС используется логарифмическая зависимость напряжения и^э от тока /к^ в диоде или транзисторе). Обратную связь можно использовать для формирования источника тока (выходной импеданс близок к бесконечности) или источника напряжения (выходной импеданс близок к нулю) с ее помощью можно получить очень большое или очень малое входное сопротивление. Вообще говоря, тот параметр, по которому вводится обратная связь, с ее помощью улучшается. Например, если для обратной связи использовать сигнал, пропорциональный выходному току, то получим хороший источник тока.

Обратная связь может быть и положительной; ее используют, н а-при.мер, в генераторах. Как ни странно, она не столь полезна, как отрицательная ОС. Скорее она связана с неприятностями, так как в схеме с отрицательной ОС на высокой частоте могут возникать достаточно большие сдвиги по фазе, приводящие к возникновению положительной ОС и нежелательным автоколебаниям. Для того чтобы эти явления возникли, не нужно прикладывать большие усилия, а вот для предотвращения нежелательных автоколебаний прибегают к методам коррекции, о которых мы немного поговорим в конце этой главы.

После этих общих замечаний рассмотрим несколько примеров использования обратной связи в операционных усилителях.

3.02. Операционные усилители

В большинстве случаев, рассматривая схемы с обратной связью, мы будем иметь дело с операционными усилителями. Операционный усилитель (ОУ) - это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления и несимметричным выходом Прообразом ОУ может служить классический дифференциальный усилитель (разд. 2.17) с двумя входами и несимметричным выходом; правда, следует отметить, что реальные операционные усилители обладают значительно более высокими коэффициентами усиления (обычно порядка 10-10 ) и меньшими выходными импедансами, а также допускают изменение выходного сигнала почти в полном диапазоне питающего напряжения (обычно используют расщепленные источники питания ±15 В). Промышленность выпускает сейчас сотни типов операционных усилителей; условное обозначение, принятое для всех типов, представлено на рис. 3.1; входы обозначают (+) и (-), и работают они, как можно догадаться, следующим образом: выходной сигнал изменяется в положительном направлении, когда потенциал на входе

Ч В этих случаях применяют ОС по току (сигнал ОС пропорционален току в нагрузке) и ОС по напряжению (сигнал ОС пропорционален выходному напряжению).- Прим. ред.

Существуют ОУ с несимметричным входом.- Прим. ред.

(+) становится более положительным, чем потенциал на входе (-), и наоборот. Символы + и - не означают, что на одном входе потенциал всегда должен быть более положительным, чем на другом;

эти символы просто указывают относительную фазу \ выходного сигнала (это важно, если в схеме исполь-

зуется отрицательная ОС). Во избежание путаницы лучше называть входы инвертирующий и неин-вертирующий , а не вход плюс и вход минус . На схемах часто не показывают подключение источни-Р с- 3.1. ков питания к ОУ и вывод, предназначенный для

заземления. Операционные усилители обладают колоссальным коэффициентом усиления по напряжению и никогда не используются без обратной связи. Можно сказать, что операционные усилители созданы для работы с обратной связью. Коэффициент усиления схемы без обратной связи так велик, что при наличии замкнутой петли ОС характеристики усилителя зависят только от схемы обратной связи. Конечно, при более подробном изучении должно оказаться, что такое обобщенное заключение справедливо не всегда. Начнем мы с того, что просто рассмотрим, как работает операционный усилитель, а затем, по мере необходимости, будем изучать его более тщательно.

Самой распространенной схемой операционного усилителя является схема типа р.А741С, или просто 741. Она представляет собой крошечный элемент, размещенный в миниатюрном корпусе с двухрядным расположением выводов; ее внешний вид показан на рис. 3.2. Эта схема получила широкое распространение, так как она хорошо работает, удобна в обращении, недорога (около 25 центов) и не относится к числу дефицитных (ее выпускает около десяти компаний). Крошечный элемент, установленный в корпусе,- это кристалл кремния, содержащий 20 транзисторов и 11 резисторов. На рис. 3.3 показано соединение с выводами корпуса. Точка на крышке корпуса и выемка на его торце служат для обозначения точки отсчета при нумерации выводов. В боль-

Рис. 3.2. Интегральная схема в корпусе мини-DlP с двухрядным расположением выводов.

Уста- овка ( нуля

JlHBepmHv .рующий Г:

1Х0Д

Леинвер-, щирую- Q щий вход

г/-(обы-.

чно г. Н5В)

Рис. 3.3.

Не присо-С4

+15 В)

Выход

5)иовка 1 нцля

3.03. Важнейшие правила

Сейчас мы познакомимся с важнейшими правилами, которые определяют поведение операционного усилителя, охваченного петлей обратной связи. Они справедливы почти для всех случаев жизни.

Во-первых, операционный усилитель обладает таким большим коэффициентом усиления по напряжению, что изменение напряжения между входами на несколько долей милливольта вызывает изменение выходного напряжения в пределах его полного диапазона, поэтому пе будем рассматривать это небольшое напряжение, а сформулируем правило I:

I. Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю.

Во-вторых, операционный усилитель потребляет очень небольшой входной ток (ОУ типа 741 потребляет 0,08 мкА, ОУ со входами на полевых транзисторах - порядка пикоампер); не вдаваясь в более глубокие подробности, сформулируем правило II:

II. Входы операционного усилителя ток не потребляют.

Здесь необходимо дать пояснение: правило I не означает, что операционный усилитель действительно изменяет напряжение на своих входах. Это невозможно. (Это было бы несовместимо с правилом II.) Операционный усилитель оценивает состояние входов и с помощью внешней схемы ОС передает напряжение с выхода на вход, так что в результате разность напряжений между входами становится равной нулю (если это возможно).

Эти правила создают достаточную основу для рассмотрения схем на операционных усилителях. О предосторожностях, которые необходимо соблюдать при работе с ОУ, мы поговорим в разд. 3.08, после того как рассмотрим основные схемы включения ОУ.

ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

3.04. Инвертирующий усилитель

Рассмотрим схему на рис. 3.4. Проанализировать ее будет нетрудно, если вспомнить сформулированные выше правила:

1. Потенциал точки В равен потенциалу земли, следовательно, согласно правилу I, потенциал точки А также равен потенциалу земли.

2. Это означает, что: а) падение напряжения на резисторе R2 равно вых. б) падение напряжения на резисторе Ri равно U .

шинстве корпусов электронных схем нумерация выводов осуществляется в направлении против часовой стрелки со стороны крышки корпуса. Выводы установка нуля служат для устранения небольшой асимметрии, возможной в операционном усилителе. Речь об этом пойдет позже в этой главе.

3. Воспользовавшись теперь правилом II, получим UbJR2=-U,JRi, или коэффициент усиления по напряжению = U,JU =-RjRi. Позже вы узнаете, что чаще всего точку В лучше заземлять не непосредственно, а через резистор. Однако сейчас это не имеет для вас значения.

Итак, анализ схемы на ОУ оказался даже чересчур простым. Ои, правда, не позволяет судить о том, что на самом деле происходит в

схеме. Для того чтобы понять, как работает обратная связь, представим себе, что на вход подан неко-.., торый уровень напряжения, ска-

оход, i-и \ gjj Jg конкретизации допу-

Вь1ХоД стим, что резистор Ri имеет сопротивление 10 кОм, а резистор R2 - 100 кОм. Теперь представим себе, что напряжение на выходе решило р^ g ВЫЙТИ из повиновения и стало равно

О В. Что произойдет? Резисторы/?i и Ri образуют делитель напряжения, с помощью которого потенциал инвертирующего входа поддерживается равным 0,91 В. Операционный усилитель фиксирует рассогласование по входам, и напряжение на его выходе начинает уменьшаться. Изменение продолжается до тех пор, пока выходное напряжение не достигнет значения -10 В, в этот момент потенциалы входов ОУ станут одинаковыми и равными потенциалу зе.мли. Аналогично если. напряжение на выходе начнет уменьшаться и дальше и станет более отрицательным, чем -10 В, то потенциал на инвертирующем входе станет ниже потенциала земли, в результате выходное напряжение начнет расти.

Как определить входной импеданс рассматриваемой схемы? Оказывается, просто. Потенциал точки А всегда равен О В (так называемое мнимое заземление, или квазинуль сигнала). Следовагельно, Z=Ri. Пока вы еще не знаете, как подсчитать выходной импеданс; для этой схемы он равен нескольким долям ома.

Следует отметить, что полученные результаты справедливы и для сигналов постоянного тока - схема представляет собой усилитель постоянного тока. Поэтому, если источник сигнала смещен относительно земли (источником является, напри.мер, коллектор предыдущего каскада), у вас может возникнуть желание использовать для связи каскадов конденсатор (иногда такой конденсатор называют блокирующим, так как он блокирует сигнал постоянного тока, а передает сигнал переменного тока). Немного позже (когда речь пойдет об отклонениях характеристик ОУ от идеальных), вы узнаете, что в тех случаях, когда интерес представляют только сигналы переменного тока, вполне допустимо использовать блокирующие конденсаторы.

Схема, которую мы рассматриваем, называется инвертируюш^им усилителем. Недостаток этой схемы состоит в том, что она обладает

малым входным импедансом, особенно для усилителей с большим коэффициентом усиления по напряжению (при замкнутой цепи ОС), в которых резистор Ri, как правило, бывает небольшим. Этот недостаток устраняет схема, представленная на рис. 3.5.

3.05. Неинвертирующий усилитель

Рассмотрим схему на рис. 3.5. Анализ ее также крайне прост; f/=fBx-Напряжение U снимается с делителя напряжения: U=UBb,Rif(Ri+Ri). Если {; = {/ х. то коэффициент усиления = р„с. з.5. = вых в,(=1+/?2 ?1. Это неинвертирующий усилитель. В приближении, которым мы воспользуемся, входной импеданс этого усилителя бесконечен (для ОУ типа 741 он составляет по крайней мере несколько сотен мегаом; для ОУ на полевых транзисторах Z x 10 Ом и более). Выходной импеданс, как и в предыдущем случае, равен долям ома. Если, как в случае с инвертирующим усилителем, мы внимательно рассмотрим поведение схемы при изменении напряжения на входах, то увидим, что она работает, как обещано.

Эта схема также представляет собой усилитель постоянного тока. Если источник сигнала и усилитель связаны между собой по переменному току, то для входного тока (очень небольшого по величине) нужно предусмотреть заземление, как показано на рис. 3.6. Для представленных на схеме величин компонентов коэффициент усиления по напряжению равен 10, а точке -3 дБ соответствует частота 16 Гц.

Выход

Рис. 3 6.

4,7мкФХ С,

Рис. 3.7.

18 кОм

2,0 КОМ

Усилитель переменного тока. Если усиливаются только сигналы переменного тока, то можно уменьшить коэффициент усиления для сигналов постоянного тока до единицы, особенно если усилитель обладает большим коэффициентом усиления по напряжению. Это позволяет уменьшить влияние всегда существующего конечного приведенного

ко входу напряжения сдвига . Для схемы, представленной на рис. 3.7, точке -3 дБ соответствует частота 17 Гц; на этой частоте импеданс конденсатора равен 2,0 кОм. Обратите внимание, что конденсатор должен быть большим. Если для построения усилителя переменного тока использовать неннвертирующий усилитель с большим усилением, то конденсатор может оказаться чрезмерно большим. В этом случае лучше обойтись без конденсатора и настроить напряжение сдвига так, чтобы оно было равно нулю (этот вопрос мы рассмотрим позже, в разд. 3.12). Можно воспользоваться другим методо.м - увеличить сопротивления резисторов Ri н /?2 и использовать Т-образную схему делителя (разд. 3.17).

3.06. Повторитель

На рис. 3.8 представлен повторитель, подобный эмиттерному, на основе операционного усилителя. Он представляет собой не что иное, как неинвертируюш,ий усилитель, в котором сопротивление резистора Ri равно бесконечности, а сопротивление резистора R- нулю (коэффициент усиления = 1). Существуют специальные операционные усилители, предназначенные для использования только в качестве повторителей, они обладают улучшенными характеристиками (в основном более высоким быстродействием), примером такого операционного усили- у^, теля является схема типа LM310.

(напряжение, снима емое с делителя напряжения, >ли сигнал)

Выход

Рис. 3.8.

Рис. 3.9.

Усилитель с единичным коэффициентом усиления называют иногда буфером, так как он обладает изолирующими свойствами (большим входным импедансом и малым выходным).

3.07. Источники тока

На рис. 3.9 изображена схема, которая является хорошим приближением к идеальному источнику тока, без сдвига напряжения (/бэ, характерного для транзисторного источника тока. Благодаря отрицательной ОС на инвертирующем входе поддерживается напряжение (/вх. под действием которого через нагрузку протекает ток I=UbkR-Основной недостаток этой схемы состоит в том, что нагрузка является плавающей (она не заземлена). С помощью такого источника тока нельзя, например, получить пригодный к использованию пилообразный