ч

Источник питания

сигнал, напряжение которого отсчитывалось бы относительно потенциала земли. Этот недостаток можно преодолеть, если, например, всю схему (источники питания и все остальное) сделать плавающей , а нагрузку заземлить (рис. 3.10). Штриховой линией обведен рассмотренный выше источник тока с источниками питания. Резисторы Rt и Ri образуют делитель напряжения для установки тока. Чтобы вид этой схемы не смущал вас, напомним, что земля - это понятие относительное. Любую точку в схеме можно назвать землей . Представленную схему используют для формирования токов, протекающих через заземленную нагрузку, но ее существенный недостаток в том, что управляющий вход является плавающим, а это значит, что выходной ток нельзя задать (запрограммировать) с помощью входного

Рис. 3.10. Источник тока с заземленной нагрузкой и плавающим источником питания.

напряжения, отсчитываемого от потенциала земли. Методы устранения этого недостатка изложены в той части гл. 5, где рассматриваются источники питания постоянного тока.

Источники тока для заземленных нагрузок. С помощью операционного усилителя и подключенного к нему транзистора можно построить простой и высококачественный источник тока для заземленной нагрузки; небольшое дополнение к схеме операционного усилителя позволяет использовать на управляющем входе напряжение, измеряемое относительно земли (рис. 3.11). В первой схеме обратная связь

/f Нагрузка

а- 6 -

Рис. 3.11. Источники тока с заземленными нагрузками, не требуюище плаваюшегв источника питания.

создает на резисторе R падение напряжения, равное (7[<;к-вх> которое в свою очередь порождает эмиттерный ток (а следовательно, и выходной ток), равный /э={/кк-bxVR- При работе с этой схемой не приходится беспокоиться о напряжении Убэ и его изменениях, связанных с изменениями температуры, /к;, (/к;э и т. п. Несовершенство этого источника тока проявляется лишь в том, что небольшой базовый ток может немного изменяться в зависимости от напряжения (/к;э (предполагаем, что операционный усилитель не потребляет входной ток); этот недостаток - небольшая плата за возможность использования заземленной нагрузки; если в качестве транзистора Ti использовать составной транзистор Дарлингтона, то погрешность будет существенно уменьшена. Погрешность возникает в связи с тем, что операционный усилитель стабилизирует эмиттерный ток, а в нагрузку поступает коллекторный ток. Если в этой схеме вместо биполярного использовать полевой транзистор, то проблема будет полностью решена, так как затвор полевого транзистора тока не потребляет (затвор полевого транзистора является аналогом базы биполярного транзистора).

В рассматриваемой схеме выходной ток пропорционален величине, на которую напряжение, приложенное к неинвертирующему входу операционного усилителя, ниже, чем напряжение питания (7к;к; иными словами, напряжение, с помощью которого программируется работа схемы, измеряется относительно напряжения питания (/к. и се будет в порядке, если напряжение является фиксированным и формируется с помощью делителя напряжения; если же напряжен}1е на вход должно подаваться от внешнего источника, то возможны неприятности. Этого недостатка лишена вторая схема, в которой аналогичный первый источник тока с транзистором п - р - л-типа служит для преобразования входного управляющего напряжения (измеряемого относительно земли) во входное напряжение, измеряемое относительно (/к;к; ДЛЯ оконечного источника тока. Операционные усилители и транзисторы недороги, поэтому запомните такой совет: не раздумывая, включайте в схему дополнительные компоненты, если они позволяют улучшить ее работу и упрощают разработку.

Одно существенное замечание, касающееся последней схемы: операционный усилитель должен работать при условии, что напряжение на его входах близко или равно положительному питающему напряжению. Подойдут интегральные операционные усилители типа 307 или 355. Альтернативный вариант - использование для питания ОУ отдельного источника напряжения (/., превышающего напряжение Ukk.

Упражнение 3.1. Для последней схемы определите выходной ток для заданного входного напряжения Ubx-

Источник тока Хауленда. На рис. 3.12 показан красивый учебный источник тока. Если резисторы подобраны таким образом,

что выполняется соотношение Rz/Ri = Ra/Ri, to можно показать, что справедливо равенство: / = - /вх/?2.

Упражнение 3.2. Покажите, что приведенное выше равенство справед.тиво.

Эта схема всем хороша, кроме одного: резисторы должны быть точно согласованы, иначе источник тока будет далек от совершенства. Но даже при выполнении этого условия определенные ограничения накладывает коэффициент КОСС операционного усилителя. При больших выходных токах резисторы должны быть небольшими, тем самым ограничивается выходной диапазон. Хоть эта схема и хороша с виду, на практике ее используют редко.

3.08. Основные предостережения по работе с оу

1. Правила I и И (сформулированные в разд. 3.03) справедливы для любого операционного усилителя при условии, что он находится в активном режиме, р , т.е.его входы и выходы не перегружены.

Например, если подать на вход усилителя чересчур большой сигнал, то это приведет к тому, что выходной сигнал будет срезаться вблизи уровня (/кк или Оээ. В то время когда напряжение на выходе оказывается фиксированным на уровне напряжения среза, напряжение на входах не может изменяться. Размах напряжения на выходе операционного усилителя не может быть больше диапазона напряжения питания (обычно размах меньше диапазона питания на 2 В). Аналогичное ограничение накладывается на выходной диапазон устойчивости источника тока на основе операционного усилителя. Например, в источнике тока с плавающей нагрузкой максимальное падение напряжения на нагрузке при нормальном направлении тока (направление тока совпадет с направлением приложенного напряжения) составляет (/кк-t/вх, а при обратном направлении тока (нагрузка в таком случае может быть довольно странной, например, она может содержать переполюсованные ба-тареи^для получения прямого тока заряда или может быть индуктивной и работать с токами, меняющими направление)-(/вх - (/ээ

2. Обратная связь должна быть отрицательной. Это означает (помимо всего прочего), что нельзя путать инвертирующий и неинвертирующий входы.

3. В схеме операционного усилителя обязательно должна быть предусмотрена цепь обратной связи по постоянному току. В противном случае операционный усилитель обязательно попадает в режим насыщения.

Например, в неинвертирующем усилителе можно было цепь обратной связи заземлить через конденсатор (для того чтобы сделать коэффициент усиления по постоянному току равным единице), но просто подключить его последовательно между инвертирующим и не-инвертирующим входами мы не могли.

4. Многие операционные усилители имеют довольно малое предельно допустимое дифференциальное входное напряжение. Максимальная разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами может быть ограничена величиной 5В для любой полярности напряжения. Если пренебречь этим условием, то возникнут большие входные токи, которые приведут к ухудшению характеристик или даже к разрушению операционного усилителя.

Мы продолжим этот список в разд. 3.11 ив разд. 7.06, когда будем рассматривать построение прецизионных схем.

КАЛЕЙДОСКОП СХЕМ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

Мы предоставляем читателю право самостоятельно проанализировать работу приведенных ниже схем.

3.09. Линейные схемы

Схема с инвертированием по выбору. Схемы, представленные на рис. 3.14, позволяют инвертировать входной сигнал или пропускать его без инвертирования в зависимости от положения переключателя. Положение переключателя определяет также коэффициент усиления-по напряжению - он может быть равен или -f 1, или -1.

Упражнение 3.3. Покажите, что схемы, представленные на рис. 3.13, работают так, как сказано выше.

10 кОм

Повторитель

Инвертор у

а

Рис. 3.13.

Выход

Повторитель со следящей связью. В транзисторных усилителях на величину входного импеданса могут влиять цепи смещения; такая же проблема возникает при использовании ОУ, особенное межкаскадными связями по переменному току, когда ко входу обязательно

0,01 М1(Ф

5ЫХ0Д

должен быть подключен заземленный резистор. Схема со следящей связью, представленная на рис. 3.14, позволяет решить эту проблему. Как и в транзисторной схеме со следящей связью (разд. 2.16), конденсатор емкостью 1 мкФ вместе с верхним резистором (сопротивлением 100 кОм) образует для входных сигналов высокоомную входную цепь. Низкочастотный спад усиления для этой схемы начинается на частоте 10 Гц, на более низких частотах на спаде усиления начинает сказываться влияние обоих конденсаторов и ослабление оценивается величиной 12 дБ/октава.

Идеальный преобразователь тока в напряжение. Напомним, что простейший преобразо- Рис. 3.14. ватель тока в напряжение-это всего-навсего резистор. Однако у него есть недостаток, который состоит в том, чтодля источника входного сигнала входное сопротивление такого преобразователя не равно нулю; этот недостаток может оказаться очень серьезным, если устройство, обеспечивающее входной ток, имеет очень малый выходной рабочий диапазон или не может обеспечить постоянство тока при изменении выходного напряжения. Примером может служить диодный фотоэлемент (фотодиод), или солнечная батарея.

Небольшой светочувствительностью обладают даже обычные диоды в прозрачных корпусах, которые используются почти в любой схеме (известно немало историй о загадочном поведении схем, которое в конце концов было объяснено этим эффектом). На рис. 3.15 представлена хорошая схема для преобразования тока в напряжение, в которой потенциал входа поддерживается строго равным потенциалу земли. Инвертирующий вход имеет квазинуль потенциала; это очень хорошо, так как фотодиод может создавать потенциал, равный Всего нескольким десятым долям вольта. Представленная схема обеспечивает преобразование тока в напряжение в отношении 1 В на МКА входного тока. К неинвертирующему входу резистор подключать не обязательно, но желательно; его функции мы определим, когда будем обсуждать недостатки операционных усилителей.

1 МОм

Выход (+>

Фошс диод

Рис. 3.15.

Безусловно, этот преобразователь тока в напряжение можно с таким же успехом использовать с элементами, через которые протекает ток при наличии положительного напряжения возбуждения, например

(/кк- В такую схему часто включают фотоумножители и фототранзисторы (оба элемента под воздействием света начинают потреблять ток от положительного источника питания) (рис. 3.16).

Рис. 3.16.

FPT100 (база не подключена)

Упражнение 3.4. Используя ОУ типа 741 и измерительный прибор иа 1 мА (полный размах шкалы), разработайте схему идеального измерителя тока (т. е. с нулевым входным импедансом) с полным размахом шкалы, рассчитанным на 5 мА. Разработайте схему так, чтобы входной сигнал никогда не превышал ri:i50% полного размаха шкалы. Предположите, что диапазон выходного сигнала для ОУ типа 741 составляет =!= 13 В (источники питания ±15 В), а внутреннее сопротивление измерительного прибора равно 500 Ом.

Дифференциальный усилитель. На рис. 3.17 представлена схема дифференциального усилителя, коэффициент усиления которого равен Ri/Ri. В этой схеме, как и в схеме источника тока с согласованными резисторами, для получения высокого значения КОСС необходимо

обеспечить точное согласование*

резисторов. Для этого лучше всего

вых у,-с

10 кОм

Увь,г:(Уг-У1)

Рис. 3.17,

Рис. 3.18.

при первом удобном случае создать запас резисторов с сопротивлением 100 кОм и точностью 0,01%. Коэффициент усиления дифференциального усилителя будет равен единице, но этот недостаток легко устранить за счет последующих усилительных каскадов (с несимметричным входом). Более подробно дифференциальные усилители рассмотрены в гл. 7.

Суммирующий усилитель. Схема, показанная на рис. 3.18, представляет собой один из вариантов инвертирующего усилителя. Точка X имеет потенциальный нуль, поэтому входной ток равен UilR-V

+ UJR+U /R, отсюда U--iUt+Ui+Us). Обратите внимание, что входные сигналы могут быть как положительными, так и отрицательными. Кроме того, входные резисторы не обязательно должны быть одинаковыми; если они неодинаковы, то получим взвешенную сумму. Например, схема может иметь 4 входа, на каждом из которых напряжение равно +1 В или О В; входы представляют двоичные значения: 1, 2, 4 и 8. Если использовать резисторы с сопротивлением 10, 5, 2,5 и 1,25 кОм, то снимаемое с выхода напряжение (в вольтах) будет пропорционально двоичному числу, которое задано на входе. Эту схему нетрудно расширить до нескольких цифр. Описанный метод представления чисел лежит в основе цифроаналогового преобразования, правда, на входе преобразователя обычно используют другую схему (резистивную сетку R-2R).

Упражнение 3.5. Постройте схему цифроаналогового преобразователя на две десятичные цифры, подобрав соответствующим образом входные резисторы для суммирующего усилителя. Цифровой вход должен представлять собой две цифры; каждый вход должен состоять из четырех шин, соответствующих значениям 1, 2, 4 и 8, из которых формируется десятичная цифра. Потенциал входной шины может быть равен потенциалу земли или +1 В, т. е. восемь входных шин соответствуют числам 1, 2, 4, 8. 10, 20, 40 и 80. В связи с тем что диапазон выходного сигнала ограничен значениями ±13 В, нужно сделать так, чтобы выходное напряжение (в вольтах) составляло одну десятую часть числа на входе.

Предусилитель для электромагнитного звукоснимателя. Предусилитель для звукоснимателя по стандарту RIIА представляет собой пример усилителя с частотной характеристикой особого

1 мкФ

f,

50Гц(318а мкс)

1,0 кОм

0,001 мкф 47 МкФ

0,0033 мкФ

Частота {лог масштаб)

Рис. 3.19. Операционный усилитель в схеме предусилителя звуковых частот для электрофонов с электромагнитной головкой и коррекцией частотной характеристики по стандарту R11A.

вида. При записи звука на пластинку амплитудная характеристика имеет почти плоский вид; с другой стороны, электромагнитный звукосниматель реагирует на скорость движения иглы в бороздке диска, следовательно, усилитель воспроизведения должен иметь подъем частотной характеристики на низких частотах. Такую характеристику обеспечивает схема, показанная на рис. 3.19. График представляет собой частотную характеристику усилителя воспроизведения (построенную

относительно значения коэффициента усиления О дБ при частоте 1 кГц), точки перегиба графика отмечены в единицах времени. Заземленный конденсатор емкостью 47 мкФ уменьшает коэффициент усиления по постоянному току до единицы, в противном случае он был бы равен 1000; как уже упоминалось выше, это делается для того, чтобы устранить усиление входного сдвига по постоянному току. Использованная в примере интегральная схема типа 739 представляет собой сдвоенный ОУ, предназначенный для использования в звуковом диапазоне.

Усилитель мощности (бустер). Для получения больших выходных токов к выходу ОУ можно подключить мощный транзисторный повторитель (рис, 3.20). В примере использован неинвертирую-щий усилитель, но повторите^ть можно подключать к любому операционному усилителю. Обратите внимание, что сигнал обратной связи

Выход

Рис. 3.20.

Рис. 3.21.

снимается с эмиттера; следовательно, обратная связь определяет нужное выходное напряжение независимо от падения напряжения и^э-При использовании этой схемы возникает обычная проблема, связанная с тем, что повторитель может только отдавать ток (для п - р - п-транзистора). Как и в случае транзисторного повторителя, проблема решается применением двухтактного варианта схемы (рис. 3.21). В дальнейшем .мы покажем, что ограниченная скорость, с которой может изменяться напряжение на выходе (скорость нарастания), накладывает серьезные ограничения на быстродействие усилителя в переходной области и вызывает переходные искажения. Если усилитель будет использоваться в системе с малым быстродействием, то смещать двухтактную (пушпульную ) пару в состоянии покоя не нужно, так как переходные искажения будут в основном устранены за счет обратной связи. Промышленность выпускает несколько типов интегральных схем усилителей мощности для операционных усилителей, например

* Pushpull - сказочный зверь тяии-толкай,- Прим. ред.

(шабип. напряжение) от О до 1А

МС1438, LH0063 и 3553. Эти двухтактные усилители с единичным коэффициентом усиления работают на частотах до 100 МГц и выше, их выходной ток равен 200 мА. Их смело можно охватывать петлей обратной связи (см. табл. 7.3).

Источник питания. Операционный усилитель может работать как усилитель в стабилизаторе напряжения с обратной связью (рис. 3.22). Операционный усили- 2Ш055+радиашор

тель сравнивает выходное напря- \ \ I

жение с эталонным напряжением 2 V - Выход чюь стабилитрона и соответственно уп- до+зов

раВЛЯеТ составным транзистором Ряжение)

Дарлингтона, выполняющим функции проходного транзистора . Эта схема обеспечивает стабилизированное напряжение 10 В при протекании через нагрузку тока до 1 А. Некоторые замечания по этой схеме:

1. Делитель, с которого снимается выходное напряжение, может быть выполнен в виде потенциометра, тогда выходное напряжение можно будет регулировать.

2. Для ослабления пульсаций на зенеровском диоде (стабилитроне) резистор с сопротивлением 10 кОм полезно заменить источником тока. Другой вариант состоит в том, чтобы смещение зенеровского диода

задавать от выходного сигнала; в этом случае вы с пользой применяете стабилизатор, который построили. Замечание: если вы захотите воспользоваться этим трюком, то внимательно проанализируйте вашу схему и убедитесь в том, что она запускается, когда на нее подается питание.

3. Схема, подобная рассмотренной, может быть повреждена при возникновении короткого замыкания на выходе. Это связано с тем, что при этом ОУ стремится обеспечить протекание через составной транзистор очень большого тока. В стабилизированном источнике питания всегда следует предусматривать схему для ограничения аварийного тока (более подробновы познакомитесь с этим вопросом в гл. 5).

4. Промышленность выпускает разнообразные стабилизаторы напряжения в интегральном исполнении, начиная от освященных временем интегральных схем типа 723 до недавно появившихся 3-выводных регулируемых стабилизаторов с внутренними средствами ограничения тока и ограничения по перегреву (см. табл. 5.7-5.9). Эти устройства, в которых имеются встроенные темпер ату рно-компенсированный источник эталонного напряжения и проходной транзистор, так удобны

6,6 В 1N4734

Рис. 3.22.

Б работе, что операционные усилители общего назначения теперь почти никогда не используют в стабилизаторах напряжения. Исключением являются случаи, когда стабильное напряжение нужно сформировать внутри схемы, уже имеющей стабилизированный источник напряжения.

В гл. 5 мы подробно поговорим о стабилизаторах напряжения и источниках питания и рассмотрим специальные интегральные схемы, предназначенные для использования в качестве стабилизаторов напряжения.

3.10. Нелинейные схемы

Усилитель с переключением мощности. В тех случаях, когда нагрузка может переключаться, т. е. может быть либо подключена, либо отключена, к операционному усилителю можно подключить транзистор, который работает как переключатель. На рис. 3.23 показано, как это можно сделать. Обратите внимание на диод, который предотвращает пробой перехода база - эмиттер (на выходе ОУ легко

---1+

2N305S

Рис. 3.23.

Рис. 3.24.

может возникнуть отрицательное напряжение, превышающее -5 В) Для некритичных условий подойдет мощный транзистор типа 2N3055 Если ток в схеме может превышать 1 А, то рекомендуем использовать составной транзистор.

Активный выпрямитель. Если амплитуда сигналов меньше, чем падение напряжения на диоде, то выпрямлять такие сигналы с помощью диодно-резистивной схемы нельзя. Как правило, для выпрямления таких сигналов прибегают к помощи ОУ и помещают диод в цепь обратной связи (рис. 3.24). Для положительного напряжения U диод обеспечивает отрицательную обратную связь; выходной сигнал за счет диода повторяет сигнал на входе, причем исключается влияние падения напряжения (Убэ- При отрицательном напряжении (/х операционный усилитель переходит в режим насыщения и напряжение (Увых становится равным потенциалу земли. Для получения меньшего выходного импеданса (при нуле на выходе) можно взять резистор R с меньшим сопротивлением, но это ведет к увеличению выходного