Запомните следующие основные моменты (напряжение U будем называть землей):

Входы: использование на входе р - п - р-структуры приводит к тому, что размах напряжения ограничен снизу значением, которое на 0,3 В ниже потенциала земли; при превышении этого предела на любом из входов состояние выхода становится непредсказуемым (например, напряжение на выходе может стать отрицательным).

-0У4.

G mkA(j

мкА

100 мкА

Ф

1X 11

-оВыход

)50mi<A

Рис. 3.49. Принципиальная схе.ча распространенных ОУ типа 324 и 358.

Выход: транзистор Т^г работает при низком выходном напряжении и может принять большой втекающий ток, однако он способен удержать выходное напряжение только на уровне падения напряжения на диоде относительно земли. Более низкие напряжения обеспечивает приемник тока 1 на 50 мкА; это означает, что при низких уровнях выхода (близких к О В) нельзя использовать нагрузку, через которую в схему пойдет ток, больший 50 мкА, в противном случае напряжение на выходе не сможет приблизиться к потенциалу земли более чем на величину падения напряжения на диоде. Даже при использовании хорошей нагрузки (например, в виде разомкнутой цепи) приемник тока не может приблизить выходное напряжение к потенциалу земли более чем на величину напряжения насыщения (0,1 В). Если надо, чтобы выходное напряжение было в точности равно потенциалу земли, то нагрузка должна отбирать небольшой ток; это может быть, например, заземленный резистор.

в данном случае источник втекающего тока специально назван приемником тока , чтобы подчеркнуть направление тока.- Прим. ред.

Примеры схем с этими операционными усилителями будут приведены после того, как мы рассмотрим еще один тип ОУ, работающий с одним источником питания.

2. Операционный усилитель на полевых транзисторах типа СА3130/ 3160. В выходных каскадах этих ОУ используют комплементарные полевые транзисторы. Когда они полностью открыты, то их сопротивление, включенное между выходом и источником питания или (/ ), мало. Следовательно, размах выходного напряжения ограничен значениями напряжения источников питания. Кроме того, напряжение на входах может становиться ниже напряжения U на 0,5 В. К сожалению, для ОУ типа СА3130 и 3160 полный диапазон питающего напряжения может составлять не более 16 В, а диапазон дифференциального входного напряжения ограничен значениями ±8 В.

Пример: фотометр с одним источником питания. На рис. 3.50 показана типичная схема, в которой удобно использовать один

1,0 МОм

Фотодиод

Рис. 3.50.

источник питания. Подобную схему мы уже рассматривали выше, когда знакомились с преобразователями тока в напряжение. В связи с тем что схему солнечной батареи можно с успехом использовать в портативных приборах для измерения светового потока, а- также потому, что выходное напряжение может быть только положительным, само собой напрашивается желание использовать для этой схемы один источник питания в виде электрической батарейки. Резистор Ri устраняет влияние входного тока смещения, с помощью резистора R коэффициент передачи устанавливается равным отношению 1 В выходного напряжения на 1 мкА; резистор R3 служит для регулировки входного напряжения сдвига.

Схема будет лучше работать при низких уровнях света, если в ней использовать фотодиод, как показано на рис. 3.82, б.

ч (Ж 0-5 мкА

JL Л * Настройка . ~ нуля

КОМПАРАТОРЫ И ТРИГГЕР ШМИТТА

Очень часто бывает нужно установить, какой из двух сигналов больше, или определить, когда сигнал достигнет заданного значения. Например, при генерации треугольных колебаний через конденсатор пропускают положительный или отрицательный ток, полярность тока из-

меняют в тот момент, когда амплитуда достигает заданного пикового значения. Другим примером служит цифровой вольтметр. Для того чтобы преобразовать напряжение в код, на один из входов компаратора подают неизвестное напряжение, а на другой - линейно-нарастающее напряжение (конденсатор + источник тока). Цифровой счетчик подсчитывает периоды генератора, пока линейно-нарастающее напряжение меньше, чем неизвестное; в момент равенства амплитуд производится считывание результата, полученного на счетчике. Результат пропорционален входному напряжению. Такое преобразование называют интегрированием с одним углом наклона; в более сложных приборах используют интегрирование с двумя углами наклона (см. гл. 9).

3.22. Компараторы

Простейшим компаратором является дифференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления, построенный на основе транзисторов или операционных усилителей (рис. 3.51). В зависимости от знака разности входных напряжений операционный усилитель оказывается в положительном или отрицательном на-сыщении. Коэффициент усиления по напряжению обычно превышает 100 ООО, поэтому, для того чтобы выход усилите- g -

ля не насыщался, напряжение на вхо-

дах должно быть равно долям милливольта. Хотя в качестве компаратора можно использовать (а часто и используют) обычный операционный усилитель, промышленность выпускает специальные интегральные схемы, предназначенные для использования в качестве компараторов. К ним относятся, например, интегральные схемы типа LM306, LM311, LM393 и NE529. Эти кристаллы обладают очень высоким быстродействием и даже не принадлежат к семейству операционных усилителей. Например, для схемы типа NE521 скорость нарастания составляет несколько тысяч вольт в 1 мкс. Для компараторов обычно не используют термин скорость нарастания , вместо этого говорят о задержке распространения относительно сигнала, заданного на вход.

Выходные каскады компараторов обычно обладают большей гибкостью в применениях, чем выходные каскады операционных усилителей. В обычном ОУ используют двухтактный выходной каскад, который обеспечивает размах напряжения в пределах между значениями напряжения питания (например, ±13 В для ОУ типа 741, работающего от источников ±15 В); в выходном каскаде компаратора эмиттер, как правило, бывает заземлен и выход снимается с открытого коллектора . С помощью внешнего резистора притяжения (это название просто заимствовано из другой области), подключенного к источнику напряжения, можно сделать так, чтобы сигнал на выходе изменялся в пределах, скажем, от +5 В до потенциала земли. В дальнейшем вы уви-

1,0 кОм

ВЫХ

Рис. 3 52

дите, что для логических схем точно определяются значения напряжений сигналов, с которыми они должны работать; описанная схема подошла бы для управления логическими схемами типа ТТЛ, получившими широкое распространение в цифровой электронике. Такая схема изображена на рис. 3.52. Напряжение на выходе переключается

с уровня +5 В на уровень потенциала земли, когда напряжение на входе становится отрицательным. Эта схема представляет собой пример использования компаратора для аналого-цифрового преобразования.

Это первый для нас пример схемы с открытым коллектором; прочитав гл. 8-11, вы увидите, что такую конфигурацию очень часто используют в логических схемах. При желании можно представить, что внешний притягиваютций резистор дополняет внутреннюю схему компаратора и выступает в качестве коллекторной нагрузки для выходного транзистора п - р - п-типа. В связи с тем что выходной гран-зистор работает как насыщенный или разомкнутый переключатель, строгих требований к величине сопротивления резистора не предъявляют - обычно сопротивление выбирают в диапазоне от нескольких сотен до нескольких тысяч ом; меньшие величины сопротивления обеспечивают большую скорость переключения и повышают помехоустойчивость, правда за счет увеличения рассеиваемой мощности. Между прочим, несмотря на то что компараторы очень похожи на операционные усилители, в них никогда не используют отрицательную обратную связь, так как она понижает стабильность работы этих устройств (см. разд. 3.31-3.33). В то же время положительную обратную связь используют часто, вы убедитесь в этом, прочитав следующий раздег.

Некоторые пояснения по компараторам. Запомните: а) в связи с тем что в схеме нет отрицательной обратной связи, она не подчиняется правилу I; напряжения на входах неодинаковы; б) отсутствие отрицательной обратной связи приводит к тому, что входной импеданс (импеданс для дифференциального сигнала) не стремится принять высокое значение, характерное для операционного усилителя. В результате при срабатывании переключателя наблюдается изменение нагрузки и изменение (небольшое) входного тока; если импеданс управляющей схемы очень велик, то могут возникнуть весьма странные явления; в) в некоторых компараторах размах дифференциального входного сигнала ограничен и составляет иногда всего ±5 В. Внимательно изучайте спецификации на интегральные схемы' Свойства некоторых распространенных компараторов приведены в табл. 9.2 и обсуждаются в разд. 9.07.

3.23. Триггер Шмитта

Простейшая схема компаратора, представленная на рис. 3.52, имеет два недостатка. При медленно изменяющемся входном сигнале напряжение на выходе также может изменяться достаточно медленно. Более того, если во входном сигнале присутствует шум, то на выходе может происходить дребезг в те моменты, когда напряжение на входе проходит через точку переключения (рис. 3.53). Оба недостатка позволяет устранить положительная обратная связь (рис. 3.54). Резистор создает в схеме два порога срабатывания в зависимости от состояния

выхода. Для приведенного примера нижний порог срабатывания определяется уровнем 4,76 В при условии, что напряжение на выходе равна

Точка срабатывания (напряжение на другом входе компаратора)

Выход

Рис. 3 53.

Многократные переключения

а - без обратной связи; б -с обратной связью.

-1 Г

ю 100 ком ком

потенциалу земли (высокий уровень на входе); когда напряжение на выходе равно +5 В, то порог определяется уровнем 5,0 В. Вероят-

+ 5,0---jf

+4,76 -

Верхний порог срабатывания Нижний порог -срабатывания Вход

I Выход

ность того, что шумовой сигнал на входе вызовет многократные переключения выхода, в данном случае меньше (рис. 3.55). Кроме того. Положительная обратная связь обеспечивает быстрое переключение вы-

Рис. 3.56.

хода независимо от скорости изменения входного колебания. (Для того чтобы еще больше увеличить скорость переключения, к резистору R3 часто подключают небольшой ускоряющий конденсатор емкостью

10-100 пФ.) Эта схема и называется триггером Шмитта. (При использовании операционного усилителя притягивающий резистор был бы не нужен). Состояние выхода зависит как от входного напряжения, так и от недавней предыстории - это так называемый эффект гистерезиса. Его иллюстрирует представленный на рис. 3.56 график зависимости выходного напряжения от входного.

Дискретная транзисторная схема триггера Шмитта.

Для построения схемы триггера Шмитта можно также использовать обычные транзисторы (рис. 3.57). Транзисторы Ti и Та имеют общий эмиттерный резистор. Важно, чтобы коллекторный резистор транзистора Ti был больше, чем коллекторный резистор Тг. При выполнении этого условия пороговый уровень включения транзистора Ти который

превышает напряжение на эмиттере на , --

величину падения напряжения на диоде, уменьшается при включении транзистора Ti, так как эмиттерный ток больше, если проводит транзистор Тг. Здесь, как и в рассмотренной выше интегральной схеме триггера Шмитта, наблюдается эффект гистерезиса для порогового напряжения триггера

1,S ком

1,0 кОм Выход

Упражнение 3.9. Разработайте триггер Шмит- И

та на основе компаратора типа 311 (с открытым

коллектором). Пороговые уровни должны быть равны--1,0 В и+ 1,5 В. К источнику напряжения >ж. 3.57. + 5 В подключите притягивающий резистор с

сопротивлением 1,0 кОм. Для компаратора типа 311 используйте источники питания с напряжением ±15 В.

ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ И УСИЛИТЕЛИ С КОНЕЧНЫМ УСИЛЕНИЕМ

В разд. 3.12 мы упомянули, что конечный коэффициент усиления операционного усилителя при разомкнутой цепи обратной связи ограничивает его возможности при использовании в схеме с обратной связью. В частности, коэффициент усиления прн замкнутой цепи

1 Если порог включения будет повышаться после его включения, т. е. резистор в его коллекторе будет иметь меньшее сопротивление, чем в коллекторе Тг, то У схемы будет отрицательный гистерезис , т, е. зона автоколебаний,- Прим. ред.

3.24. Уравнение для коэффициента усиления

Рассмотрим усилитель, обладающий конечным коэффициентом усиления по напряжению и охваченный петлей обратной связи (рис. 3.58). Коэффициент усиления усилителя при разомкнутой цепи обратной связи равен А, а благодаря обратной связи из входного на- Htx /\/ - IN - пряжения вычитается часть выходного напряжения (St/jy)- В дальнейшем мы обобщим полученные результаты и распространим их и на токи, и на напряжения. Итак, на g gg

усилительный блок поступает напряжение, равное (/вх-BfBb.x Выходное напряжение больше входного в Л раз: Л ((/3,-i3(/, ,) = (/зь,х. Или U,,=[A/(l+AB)]U , и коэффициент усиления по напряжению при замкнутой цепи обратной связи вых вх равен

К=А/{\+АВ).

Принята следующая терминология: К - коэффициент усиления при замкнутой цепи обратной связи, А - коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи, А В - коэффициент передачи в петле обратной связи (петлевое усиление), 1+АВ - глубина обратной связи для дифференциального сигнала, или- коэффициент грубости схемы. Цепь обратной связи называют иногда р-цепью (что не имеет никакого отношения к коэффициенту р, т. е. к^э, транзистора).

Еще недавно выпускались ОУ на дискретных компотгнтах с весьма большим коэффициентами усиления,- Прим, ред.

обратной связи никогда не может стать больше, чем коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи, а по мере того как величина коэффициента усиления при разомкнутой цепи обратной связи приближается к величине коэффициента усиления при замкнутой цепи обратной связи, усилитель все дальше отходит по своим характеристикам от идеального. В этом разделе мы оценим количественные отклонения, и вы сможете заранее определять характеристики усилителя с обратной связью, состоящего из реальных (а не идеальных) компонентов. Это будет полезно и при разработке усилителей с обратной связью на основе только дискретных компонентов (транзисторов); для дискретных усилителей коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи обычно намного меньше, чем для операционного усилителя Их выходной импеданс, например, отличен от нуля. Однако если вы будете хорошо разбираться в принципах обратной связи, то это поможет вам получить требуемые характеристики в любой схеме.

1000

Рис. 3.59.

3.25. Влияние обратной связи на работу усилителей

Рассмотрим, как влияет обратная связь на работу схемы. Действие обратной связи проявляется прежде всего в том, что можно заранее оценить усиление схемы и уменьшить искажения, а также в том, что изменяются входной и выходной импедансы.

Предварительная оценка усиления. Коэффициент усиления по напряжению равен Если считать величину коэффициен-

та А бесконечно большой, то получим К=\1В. Этот результат мы

получили раньше, когда рассматри-

10 ООО г- ---. зали неннвертирующий усилитель,

в котором сигнал обратной связи подавался на инвертирующий вход с помощью делителя напряжения, подключенного к выходу. Коэффициент усиления по напряжению при замкнутой цепи обратной связи представляет собой величину, обратную коэффициенту передачи делителя напряжения. В том случае, когда коэффициент А ограничен, обратная связь все равно уменьшает влияние изменений А (происходящих под воздействием частоты, температуры, величины сигнала и т. п.). Допустим, например, что зависимость коэффициента А от частоты можно представить в виде графика, показанного на рис. 3.59. Усилитель с такой характеристикой, без всякого сомнения, можно отнести к числу плохих (коэффициент усиления изменяется в 10 раз). Представим, что мы ввели обратную связь и S=0,1 (подойдет простой делитель напряжения). Коэффициент усиления при замкнутой цепи обратной связи изменяется от 1000/11 + (1000-О, )], или 9,9, до 10 000/11 + -f (10 000-0,1)1, или 9,99. В том же диапазоне частот изменение коэффициента усиления составляет всего 1%. Если пользоваться термина-, логией, принятой в технике звуковых частот, то неравномерность характеристики усилителя без обратной связи в полосе частот составляет ±10 дБ, а при наличии обратной связи неравномерность характеристики составляет всего ±0,(>1 дБ. Если включить последовательно три таких каскада, то коэффициент усиления вновь будет равен 1000, а неравномерность останется почти такой же малой, как у одного каскада с обратной связью. Подобная задача (а именно необходимость получения плоской характеристики телефонного усилителя) привела к изобретению отрицательной обратной связи. Изобретатель Гарольд Блэк писал (журнал Electrical Engineering, 53, 114 (1934)): ...Установлено, что если взять усилитель, коэффициент усиления которого больше, чем нужно, скажем на 40 дБ (10 ООО-кратный запас по мощности), а затем подключить к нему цепь обратной связи таким образом, чтобы погасить избыточное усиление, то оказывается, что постоянство усиления заметно улучшается, а линейность увеличивается .

Нетрудно показать, что уменьшение относительных изменений коэффициента усиления при замыкании петли обратной связи определяется величиной коэффициента грубости: А/С С=[1/(1+ЛВ)1АЛ/Л. Следовательно, для получения хорошей характеристики необходимо, чтобы коэффициент петлевого усиления А В был значительно больше ;диницы. Это равносильно условию, согласно которому коэффициент /силения при разомкнутой петле обратной связи должен быть намного )0льше, чем коэффициент усиления при замкнутой петле обратной ;вязи.

Увеличение стабильности сопровождается уменьшением нелиней-10СТИ, которая определяется изменениями коэффициента усиления 3 зависимости от уровня сигнала

Входной импеданс. При построении схемы с обратной связью A3 входного напряжения или тока вычитается некоторая часть, пропорциональная выходу (такую обратную связь называют соответ-;твенно последовательной или параллельной обратной связью). Например, в неинвертирующем ОУ часть выходного напряжения вы-4итается из дифференциального напряжения, действующего на входе, а в инвертирующем происходит вычитание части входного тока. В этих цвух случаях обратная связь противоположным образом влияет на входной импеданс. Обратная связь со сложением напряжения увеличивает входной импеданс при замкнутой петле обратной связи в (1+АВ) раз (по сравнению с разомкнутой схемой), в то же время обратная связь со сложением тока уменьшает его во столько же раз. При стремлении коэффициента передачи петли обратной связи к бесконечности входной импеданс (со стороны входа усилителя) стремится к бесконечности или к нулю соответственно. Это и понятно, так как обратная связь со сложением напряжения стремится вычесть из входного такой сигнал, что в результате падение напряжения на входном сопротивлении усилителя будет меньше в АВ раз; это своего рода следящая связь. Обратная связь со сложением тока уменьшает сигнал на входе усилителя, подавляя его током, текущим по цепи обратной связи.

Посмотрим, как обратная связь меняет действующее значение входного импеданса на примере обратной связи со сложением напряжений. Аналогичные рассуждения вы можете провести и для второго случая. Используем модель ОУ с конечным входным сопротивлением (рис. 3.60). Входное напряжение U x, уменьшается на величину BU, и на входах усилителя действует диф-

Или обратной связью со сложением (алгебраическим) напряжения или обратной связью со сложением тока.- Прим. ред.

Рис. 3.60.

Рис. 3.61.

ференциальное напряжение U = U -BU,. Входной ток при этом равен

; Ubx-BU U [1-Л5/(1+Л5)] ц, Отсюда действующее значение входного сопротивления равно

Классическая схема неинвертирующего ОУ с обратной связью имеет точно такой вид, как показано на рис. 3.61. Для этой схемы Вход. 1\ B=RJ{Ri+Ri), коэффициент усиления по

напряжению определяется выражением Ка~ = l+RJRu для идеального случая коэффициент усиления по напряжению при разомкнутой цепи обратной связи А равен бесконечности и входной импеданс также равен бесконечности. Для конечного коэффициента передачи в петле обратной связи справедливы выражения, полученные выше.

В случае обратной связи со сложением тока (параллельной) на входе усилителя (инвертирующем) суммируются ток из цепи обратной связи и входной ток (такой усилитель является фактически усилителем с передаточным сопротивлением; он преобразует входной ток в выходное напряжение). Обратная связь уменьшает импеданс со стороны суммирующего входа (включая сопротивление резистора обратной связи) в (l + AB) раз. При очень больших значениях коэффициента передачи в петле обратной связи (например, в ОУ) входной импеданс уменьшается до долей ома, что является хорошей характеристикой для усилителей с токовым входом. В качестве примеров можно привести усилитель фотометра (разд. 3.21) и логарифмический преобразователь (разд. 3.14).

Классический инверти- ВДОД рующий ОУ, показанный на рис. 3.62, представляет собой сочетание усилителя с параллельной обратной связью и резистора, подключенного последовательно ко входу. Входной им-

Рис. 3.62. К определению входного импеданса инвертирующего усилителя.

педанс в этом случае равен сумме сопротивления Ri и импеданса со стороны суммирующей точки. В идеальном случае, при условии что коэффициент усиления по напряжению в разомкнутой петле обратной связи равен бесконечности, входной импеданс всей усилительной схемы равен просто сопротивлению Ri, а коэффициент усиления равен -RJRi.