входного напряжения. Благодаря потенциальному заземлению инвертирующего входа резистор Ri преобразует напряжение U в ток. Этот ток протекает через транзистор Ti и создает на его эмиттере потенциал, который, согласно уравнению Эберса - Молла, на величину падения напряжения Убэ ниже потенциала земли. Транзистор Ti служит для температурной компенсации. Источник тока (роль которого может выполнять резистор, так как потенциал точки В отличается от потенциала земли на несколько десятых долей вольта) задает входной ток, служащий для установки выходного напряжения на нуль. Второй операционный усилитель является неинвергирующим, его коэффициент усиления по напряжению должен быть равен приблизительно 16, для того чтобы напряжение на выходе изменялось в отношении -1,0 В на декаду входного тока (напомним, что напряжение Убэ увеличивается в отношении 60 мВ на декаду коллекторного тока).

Еще несколько деталей: если базу транзистора Ti соединить с его коллектором, то базовый ток будет создавать ошибку (дело в том, что напряжение [/бэ связано точной экспоненциальной зависимостью с током /к). В этой схеме благодаря потенциальному заземлению напряжение на базе равно напряжению на коллекторе, однако базовый ток ошибку не создает. В качестве Ti и Тг следует использовать согласованную пару транзисторов (лучше всего взять согласованную монолитную пару типа LM394 или МАТ-01). Такая схема обеспечивает точную логарифмическую зависимость выходного напряжения от входного тока в пределах семи или более декад (приблизительно от 1 нА до 10 мА) при условии, что транзисторы имеют небольшие токи утечки, а ОУ - малый входной ток смещения. Операционный усилитель типа 741, в котором ток смещения равен 80 нА, для этой схемы не подходит; для получения линейной характеристики в пределах семи декад обычно используют ОУ с полевыми транзисторами на входах. Кроме того, для получения хорошей характеристики при малых входных токах входной ОУ следует точно настроить на нуль сдвига. Дело в том. что при токах, близких к нижнему предельному значению, напряжение U может составлять всего несколько десятков микровольт Лучше всего применить в этой схеме источник тока на входе н вообще не использовать резисгор Ri.

Конденсатор Ci служит для частотной стабилизации при включении обратной связи, так как усиление по напряжению в контуре ОС определяет транзистор Ti. Диод Дх предотвращает пробой и разрушение перехода база - эмиттер транзистора Ti в случае появления отрицательного напряжения на входе; это необходимо, так как транзистор Ti не обеспечивает цепь обратной связи при положительном выходном напряжении операционного усилителя. Обе эти проблемы можно устранить, если транзистор Ti включить как диод, т. е. соединить его базу с коллектором.

Температурная компенсация усиления. Транзистор Т^ компенсирует изменения падения напряжения (/бэ в транзисторе Ти

to -2,0

связанные с изменением температуры окружающей среды, однако изменение наклона графика зависимости напряжения (/бэ от тока Ук не компенсируется. В разд. 2.10 мы установили, что зависимость 60 мВ/ декада пропорциональна абсолютной температуре. Выходное напряжение в нашей схеме иллюстрируется графиком, представленным на

рис. 3,34. Идеальная компенсация обеспечивается в том случае, когда входной ток равен /о- коллектор- 0°с ному току транзистора Т^. Изменение температуры на 30°С вызывает изменение угла наклона графика на 10% и сопровождается появлением соответствующей ошибки в выходном напряжении. Единственный выход из положения состоит в том, чтобы заменить резистор а последовательным соединением обычного резистора и резистора с положительным температурным коэффициентом. Зная температурный коэффициент резистора (например, температурный коэффициент резисторов типа TG1/8 фирмы Texas Instruments равен 4-0,67%/°С), можно определить сопротивление обычного резистора, который при последовательном соединении обеспечит идеальную компенсацию. Например, к только что упомянутому резистору типа TG1/8 с сопротивлением 2,7 кОм следует последовательно подключить резистор с сопротивлением 2,4 кОм.

Промышленность выпускает несколько интегральных логарифмических преобразователей. Они обладают очень хорошими характеристиками и имеют внутреннюю температурную компенсацию. Среди фирм-изготовителей назовем Analog Devices, Burr Rrown, Philbrick, Fairchild, Intersil, National Semiconductor.

Рис. 3.34.

Упражнение 3.7. Дополните схему логарифмического преобразователя следующими элементами а) внешним источником входного тока; б) цепью температурной компенсации с использованием резистора типа TG1/8 (с температурным коэффициентом, равным +0,67%/°С) Подберите компоненты таким образом, чтобы относительное изменение выходного напряжения составляло С/вых=-г1 В иа декаду. Предусмотрите возможность управления выходным сдвигом, которая позволяла бы при любом входном токе устанавливать нулевое значение для (Увых (путем смещения инвертирующего усилителя, а не за счет регулировки тока 1).

3.15. Активный пиковый детектор

Во многих практических случаях требуется определить пиковое значение входного колебания. В простейшем случае для этой цели можно использовать диод и конденсатор (рис. 3.35). Наибольшее значение

входного колебания заряжает конденсатор, который сохраняет заряд до тех пор, пока диод смещен в обратном направлении.

Этот метод имеет серьезные недостатки. Входной импеданс является переменной величиной, и в момент пиков входного колебания он

Рис. 3,35.

очень мал. Кроме того, из-за падения напряжения на диоде эта схема нечувствительна к пикам, меньшим 0,6 В, а для больших пиков она дает ошибку (на величину падения напряжения на диоде). Более того, падение напряжения на диоде зависит от температуры и протекающего через диод тока, а это значит, что погрешность схемы зависит

ВкК

Рис. 3.36. Пиковый детектор на основе ОУ.

От температуры окружающей среды и скорости изменения выходного напряжения; напомним, что l=C{dU/dt). Использование на входе эмиттерного повторителя позволяет избавиться только от первого из перечисленных недостатков.

Рис. 3.37.

На рис. 3.36 показана улучшенная схема, в которой используется обратная связь. Если напряжение обратной связи снимать с конден-9атора, то падение напряжения на диоде не создаст никаких проблем. 2 рис. 3.37 представлен возможный вид выходного колебания.

Ограничения, присущие операционному усилителю, сказываются на этой схеме двояко: а) входной ток смещения вызывает медленный разряд конденсатора (или его заряд в зависимости от знака тока смещения). Это явление называют иногда утечкой заряда , и, для того чтобы избежать его, лучше всего использовать ОУ с очень малым током смещения. По той же причине и диод следует подбирать таким образом, чтобы он имел малую утечку (например, можно использовать диод типа FJTHOO, обратный ток которого не превышает 1 пА при напряжении 20 В, или полевой диод типа PAD-I фирмы Siliconix или типа ID 101 фирмы Intersil). Выходные каскады ОУ должны иметь большое входное сопротивление (лучше всего использовать ОУ на полевых транзисторах или ОУ со входами на полевых транзисторах), б) Максимальный выходной ток ОУ ограничивает скорость изменения напряжения на конденсаторе, иначе говоря, скорость, с которой сигнал на выходе отслеживает изменение сигнала на входе. Поэтому при выборе конденсатора приходится идти на компромисс между скоростью утечки заряда и скоростью нарастания выходного напряжения.

Пусть, например, в этой схеме использован ОУ типа 741 (такой выбор нельзя назвать удачным из-за большого тока смещения, который имеет этот усилитель), тогда конденсатор емкостью 1 мкФ будет иметь утечку заряда dU/dt== IJC=Q,08 В/с, а возможная скорость изменения напряжения на выходе составит всего dUldt=IgJC~ =0,02 В/мкс. Эта максимальная скорость значительно меньше, чем скорость нарастания ОУ, равная 0,5 В/мкс, так как она ограничена максимальным выходным током, равным 20 мА, который заряжает конденсатор емкостью 1 мкФ. Если уменьшить емкость, то можно получить большую скорость нарастания на выходе за счет большой утечки заряда. С практической точки зрения в качестве входного усилителя мощности и выходного повторителя гораздо лучше выбрать ОУ типа LF355 со входами на полевых транзисторах (ток смещения равен 30 пА, выходной ток - 20 мА) и взять конденсатор, имеющий емкость С- =0,01 мкФ. При таком сочетании компонентов утечка будет составлять всего 0,006 В/с, а скорость нарастания для схемы в целом будет равна 2 В/мкс. Еще лучше характеристики получатся, если взять ОУ на полевых транзисторах типа 1С;Ь8007, AD515 или AD545, для которых входной ток не превышает 1 пА. Характеристики схемы может ухудшить утечка самого конденсатора, даже если используются очень высококачественные конденсаторы, например полистироловые или поликарбонатные (см. разд. 7.05).

Схемные средства устранения влияния утечки диода.

Очень часто разумно построенная схема помогает разрешить проблемы, создаваемые отклонениями схемных компонентов от идеальных. Такой способ преодоления трудностей, с одной стороны, доставляет удовольствие разработчику, а с другой стороны, дает экономический эффект. Рассмотрим здесь некоторые примеры (этим вопросам посвящена гл. 7).

0,01 мкФ lir полистироловый

Рис, 3,38.

Допустим, нам нужен высококачественный пиковый детектор, обладающий максимальным отнсшением скорости нарастания на выходе схемы к спаду вершины импульса. Если в схеме пикового детектора использованы ОУ с самыми малыми входными токами (в некоторых ОУ ток смещения равен всего 0,01 пА), то спад вершины импульса будет определяться утечкой диода, так как токи утечки самых хороших диодов превышают столь малые токи смещения ОУ. На рис. 3.38 показана разумно составленная схема. Как и прежде, напряжение на конденсаторе повторяет входное колебание на интервале его увеличения: интегральная схема HCi заряжает конденсатор через оба диода, а выходное напряжение схемы ИСг не оказывает на этот процесс никакого влияния. Когда значение входного напряжения становится меньше пикового, ИС] переходит в режим насыщения, а ИСг поддерживает напряжение в точке X равным напряжению на конденсаторе и полностью устраняет утечку в диоде Дг- Небольшой ток утечки диода протекает через резистор Ri и создает на нем пренебрежимо малое падение напряжения. Безусловно, оба ОУ должны иметь очень малые токи смещения. Эта схема является аналогом схемы защиты, используемой для высокоомных или малосигнальных измерений.

Сброс пикового детектора. На практике обычно желательно тем или иным способом производить сброс выхода пикового детектора. Один из способов состоит в подключении к выходу схемы резистора, благодаря которому напряжение на выходе затухает с постоянной времени RC. При этом схема запоминает только последние пиковые значения. Более совершенный способ состоит в подключении к конденсатору С транзисторного переключателя; выход схемы сбрасывается в нуль за счет поданного на базу короткого импульса. В качестве переключателя часто используют переключатель на полевом транзисторе, который мы рассмотрим в гл. 6.

3.16. Активный ограничитель

На рис. 3.39 показан активный ограничитель, который представляет собой Один из вариантов схемы, рассмотренной в гл. 1. Для показанных на схеме величин компонентов напряжение на входе, отвечающее условию [/вх<+10 В, приводит выход ОУ в состояние насыще-

Обе ИС - операционные усилители,- Прим. ред.

ния, и выполняется условие (/вых=вх- Когда напряжение f/gx превышает 10 В, диод замыкает цепь обратной связи и фиксирует на выходе значение 10 В. В этой схеме конечная скорость нарастания ОУ является причиной появления небольших искажений (выбросов) в выходном сигнале, которые возникают в тот момент, когда входное .,5ц напряжение в процессе нарастания

достигает значения напряжения фиксации (рис. 3.40).

Выход ОУ

Рис. 3,40.

3.17. Схема выделения модуля абсолютного значения сигнала

Схема, показанная на рис. 3.41, позволяет получать на выходе положительное напряжение, равное абсолютной величине входного сигнала; она представляет собой двухполупериодный выпрямитель. Как

ЮкОм 1%

ВЫХ

Рис. 3.41.

Рис. 3.42.

обычно, ОУ с цепью обратной связи устраняют влияние падений напряжения на диодах, характерное для пассивного выпрямителя.

Упражнение 3.8. Объясните, как работает схема, показанная на рис. 3.41.

На рис. 3.42 показана еще одна схема определения абсолютного )начения. Она представляет собой сочетание вспомогательного инвертора (ИС,) и активного ограничителя (HQ). При положительных уровнях входного напряжения ограничитель не влияет на работу схемы, его выход находится в насыщении, и в результате ИС, работает как повторитель. При отрицательных уровнях входного напряжения ограничитель поддерживает в точке X напряжение, равное потенциалу земли, и при этом ИС, работает как инвертор с единичным коэффициентом усиления. Таким образом, выходное напряжение равно абсолютной величине входного напряжения. Если HCj запитывается от единственного источника положительного напряжения, то отпадают проблемы, связанные с конечной скоростью нарастания, так как напряжение на выходе ограничителя изменяется лишь в пределах падения напряжения на диоде. Отметим, что от резистора R, высокая точность не требуется.

3.18. Интеграторы

На основе операционных усилителей можно строить почти идеальные интеграторы, на которые не распространяется ограничение [/ ых-/вх- На рис. 3.43 показана такая схема. Входной ток UJR протекает через конденсатор С. В связи с тем что инвертирующий вход имеет потенциальное заземление, выходное напряжение определяется

следующим образом: UJR=-C{dUJdt) или t/ Hx=-t/ xdf+

hconst. Безусловно, входным сигналом может быть и ток, в этом случае резистор R не нужен. Представленной здесь схеме присущ один недостаток, связанный с тем, что выходное напряжение имеет тенденцию к дрейфу, обусловленную сдвигами ОУ и током смещения. Это нежелательное явление можно осла- ~

бить, если использовать ОУ на по-

левых транзисторах, отрегулировать входное напряжение сдвига ОУ и выбрать большие величины для R vi С. Кроме того, на практике часто прибегают к периодическому сбросу в нуль интегратора с помощью подключенного к конденсатору переключателя (обычно на полевом^ транзисторе), поэтому играет роль только кратковременный дрейф. В качестве примера рассмотрим интегратор, в котором использован Оу на полевых транзисторах типа LF355 (ток смещения составляет 30 пА), настроенный на нуль (напряжение сдвига составляет не более 0.2 мВ). Резистор и конденсатор выбраны R = \0 МОм и С=10 мкФ; для такой схемы дрейф не превышает 0,005 В за 1000 с .

Погрешность от сдвига по напряжению равна (0,2 uBiRC) \№ с=2 мВ, а от тока смещения (30 пкА/С) 10 с=3 мВ.- Прим ред.

Глаеа 3

Если остаточный дрейф по-прежнему слишком велик для конкретного случая использования интегратора, то к конденсатору С следует подключить большой резистор R, который обеспечит стабильное смещение за счет обратной связи по постоянному току. Такое подключение

Oj- Сброс

22 МОм

-С

Выход

(только положительной полярности)

а-п-канальный транзистор о p-fi-переходом; б - fi-канальный полевой МОП-транзистор

приведет к ослаблению интегрирующих свойств на очень низкой частоте: f<i\/R2C. На рис. 3.44 показаны интеграторы, в которых использованы переключатели для сброса на полевых транзисторах и резистор стабилизации смещения. В схемах такого типа может потребо-

100 кОм 100 кОм

ваться резистор обратной связи с очень большим сопротивлением. На рис. 3.45 показан прием, с помощью которого большое эффективное значение сопротивления обратной связи создается за счет резисторов с относительно небольшими сопротивлениями. Представленная цепь обратной связи работает как один- резистор с сопротивлением 10 МОм в стандартной схеме инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления по напряжению, равным -100. Достоинство этой схемы состоит в том, что она позволяет использовать удобные сопротивления резисторов и не создает опасности из-за влияния паразитной емкости, которую всегда нужно учитывать при работе с большими резисторами.

Рис. 3.45.

3.19. Дифференциаторы

Дифференциаторы подобны интеграторам, в них только меняются местами резистор R и конденсатор С (рис. 3.46). Инвертирующий вход ОУ заземлен, поэтому изменение входного напряжения с некоторой

скоростью вызывает появление тока I=C{dUJdt), а следовательно, и выходного напряжения: U=-RC (dUJdt). Дифференциаторы имеют стабилизированное смещение, неприятности создают обычно шумы и нестабильность работы на высоких частотах, что связано с большим усилением ОУ и внутренними фазовыми сдвигами. В связи с этим следует ослаблять дифференцирующие свойства схемы на некоторой

максимальной частоте. Обычно для j

100 п<Р

этого используют 7?

метод, который

Рис. 3.46.

Рис. 3.47.

показан на рис. 3.47. Компоненты i?i и С2, с помощью которых создается спад, выбирают с учетом уровня шума и ширины полосы пропускания ОУ. На высоких частотах благодаря резистору Ri и конденсатору Cj схема начинает работать как интегратор.

Работа ОУ с одним источником питания. Для работы операционного усилителя не требуется иметь стабилизированные источники питания ±15 В. Можно использовать расщепленные источники более низкого напряжения или несимметричные источники (например, + 12 В и -3 В), которые обеспечивают полный диапазон напряжения питания {U+-и ), согласно спецификации ОУ (см. табл. 3.1). Часто подходящими оказываются нестабилизированные источники напряжения, так как благодаря отрицательной обратной связи обеспечивается высокое значение коэффициента ослабления влияния напряжения источника питания (для ОУ типа 741 типичным является значение 90 дБ). Во многих случаях бывает удобно, чтобы ОУ работал от одного источника питания, например +12 В. Это можно делать и с обычным ОУ, создав искусственное опорное напряжение относительно земли если позаботиться об обеспечении минимально необходимого питания обеспечивающего диапазоны выходного и входного синфазного напря жения. В некоторых современных операционных усилителях во входной и выходной диапазоны входит и напряжение отрицательного источ ника (т. е. потенциал земли при работе с одним источником питания) Для таких ОУ возможность работы с одним источником особенно заманчива благодаря простоте. Однако имейте в виду, что наиболее рас пространено использование расщепленных симметричных источников питания.

3.20. Смещение усилителей переменного тока, использующих один источник питания

Для операционных мах напряжения на в

220 кОм

15 МКФ

Рис, 3.48.

усилителей общего назначения типа 741 раз-ходах и на выходе обычно меньше диапазона напряжения питания (по абсолютной величине) на 1,5 В. Если вывод и соединить не с источником напряжения, а с землей, то ни на входах, ни на выходе напряжение не будет равно потенциалу земли. Если же создать опорное напряжение (равное, например, 0,5 (/+), то с его помощью можно сместить ОУ, и он будет работать так, как тре-

~1ыход буется (рис. 3.48). Эта схема представляет собой усилитель звуковых частот с усилением 40 дБ. Опорное напряжение Uo =0,5 U + обеспечивает полный размах выходного напряжения, равный приблизительно 17 В от пика до пика (около 6 В эфф.) без среза вершин сигнала. Конденсаторы на входе и выходе блокируют уровень напряжения постоянного тока, равный Ua .

15мкФ

3.21. Операционные усилители с одним источником питания

Существует два типа операционных усилителей, которые работают с одним источником положительного напряжения: 1. Операционный усилитель типа LM324 (четыре ОУ в одной ИС)/ LM358 (два ОУ в одной ИС) или цА798 (два ОУ в одной ИС)/799 (один ОУ с цепью настройки нуля). Для этих схем нижний предел диапазона входного синфазного сигнала на 0,3 В ниже, чем U , а размах выходного напряжения ограничен снизу значением напряжения U . Как на входах, так и на выходе предельное значение напряжения на 1,5 В меньше чем напряжение t/.. (Если требуется, чтобы входной диапазон был ограничен значением f/., то лучше использовать ОУ типа LM301/ 307 или типа 355; пример использования такого типа ОУ приведен в разд. 5.24, посвященном обсуждению источников постоянного тока.) Для того чтобы понять некоторые тонкости построения таких ОУ, полезно обратиться к принципиальной схеме (рис. 3.49). Она представляет собой дифференциальный усилитель; в качестве активной нагрузки входного каскада использовано токовое зеркало, выходной каскад является двухтактным и обеспечивает ограничение выходного тока.