Ш. ист = VHCT-

где k - постоянная Больцмана (1,38-10 Дж/К); Т-абсолютное значение комнатной температуры (около 300 К); Яист = Ri II Rs; А/ - полоса пропускания ОУ, умноженная на 1,57. С помощью Rk и Си полоса пропускания устанавливается равной 15 кГц, так что Д/= 23,55 кГц; (г) установите выходное напряжение генератора f/ген = 1 мВ (ьфф.) (2,8 мВ от пика к пику) ка частоте около 5 кГц. Если это напряжение измерить трудно, то установите напряжение на входе делителя напряжения R2 и Rs равным 28 мВ от пика к пику; (д) вычислите отношение сигнал/шум на входе:

вх/Швх = (ген/ист)/(£ш. истКст)-

2. Отношение сигнал/шум ка выходе: (а) заземлите вход ОУ, как показано на рис. 12.4, б; (б) измерьте напряжение шума на выходе; (в) подсоедините генератор ко входу ОУ и измерьте выходной сигнал Увых. Пересчитайте значение выходного сигнала, измеренное от пика к пику, в эффективное значение: l/Bbix. лп-0,3535 = f/вых. эфф; (г) вычислите отношение сигнал/шум на выходе:

вых/Швых = [вых.эфф/н II (1 + о.с)]/[4. вых/н II (1 + Ro.c)]-

(д) вычислите шум-фактор

= 10 Ig [(5вх/Швх)/(5вых/Швых)]:

Полученное значение в норме должно лежать между 7 и 15 дБ,

то будем использовать генератор сигналов с частотами в пределах полосы пропускания усилителя.

1. Отношение сигнал/шум на входе: (а) подключите генератор сигнала, как показано на рис. 12.4, с: (б) измерьте напряжение шума при выходном напряжении генератора сигнала, равном нулю, если осциллограф достаточно чувствителен; (в) если удается измерить напряжение шума при условиях п. (б), то переходите к дальнейшему; если нет, то вычислите тепловые шумы, порождаемые внутренним сопротивлением генератора сигналов, по формуле

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

A.I. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Дифференциальный усилитель служит первым каскадом фактически всех ОУ. Поэтому представляется полезным кратко описать свойства дифференциальных усилителей. Дифференциальный усилитель должен усиливать разность сигналов, подаваемых на два его входа [(U - U,) на рис. А.1], но не должен усиливать равные сигналы U2 = Ui.

Заметьте, что определяет ток эмиттера. Когда = R2 21э Г, = = 2i3ti и tB3 транзисторов Ti и Га одинаковы, ток, текущий через каждый транзистор, составляет половину тока, текущего через сопротивление

1-э

-о U%

.3 J

Рис. A.I. Дифференциальный усилитель.

0 В

Рис. A.2. Форма входных и выходных напряжений. и, противофазно Ог. а -входные напряжения; 6 -выходные напряжения.

Предположим, что напряжение t/i на базе Ti становится положительным, а напряжение f/z на базе Га - отрицательным. Смещение в прямом направлении Т, будет увеличено, и /ki увеличится, вызывая изменение напряжения на коллекторе Ti в отрицательную сторону от равновесного значения. При этом на эмиттерном переходе Тз снижается смещение в прямом направлении, что вызовет подъем напряжения на его коллекторе выще равновесного, как показано на рис. А.2.

Если выходное напряжение снимается с коллекторов Ti и Тц, ,то Uki - - {/к2 будет пропорционально разности между Ui и Uu но обратно по фазе. Предположим t/, и Ui оба становятся положительными, но Ui более положительно, чем Ui. При этом Ti и Ti приобретают увеличенное смещение в прямом направлении и токи /к1 и /кг оба увеличиваются, причем ток /к1 будет увеличен больще, чем ток /к2- Это заставляет C/ki стать более отрицательным, чем Uk3. Выходное напряжение есть разность между C/ki и f/к (рис. А.З). Если одновременно приложены одинаковые напряжения к Ti и Т^, то выходное напряжение будет равно нулю. Например, если t/i и f/j изменяются одинаково в отрицательную сторону, то смещение в прямом направлении Г, и Ti будет уменьшено одинаково. Это повлечет за собой одинаковое изменение в положительную сторону напряжений на коллекторах Ti и Tt, и, следовательно, выходное напряжение Ug - Uk2 будет равно нулю.

Предыдущие замечания приложимы к идеальному усилителю. В действительности всегда на выходе имеется небольшое выходное напряжение. Это обусловлено тем, что коэффициенты усиления транзисторов по току /1213 схеме ОЭ и их напряжения U, а также коллекторные резисторы усилителя не могут быть подогнаны совершенно точно. В хорошем дифференциальном усилителе выходное напряжение становится малым всякий раз, когда входные напряжения становятся одинаковыми.

Так как дифференциальный усилитель представляет собой, по существу, каскад с эмиттерным смещением и двумя источниками питания, то эмиттерный ток определяется выражением

=(I - I - Бэ)/[э+(ад/(Л2. Э+Щ

(А.1)

в

Рис. А.З. Форма входных и выходных напряжений, t/j находится в фазе с Uq. а - входные напряжения; б-выходные в - дифференциальный выход.

напряжения;

В уравнение (А.1) входит/?б/2, так как имеется два базовых резистора вместо одного. Естественно, коллекторный ток каждого транзистора составляет половину общего эмиттерного тока.

Коэффициент усиления схемы выводится следующим образом. Обращаясь к рис. А.4, убеждаемся, что сигнал, подведенный к базе Гь передается на эмиттер Г2 так, как будто Т, представляет собой эмиттерный повторитель. Обратите внимание на то, что (Гэг + эвг) ** Э2 + эБ 2> так как >(-Э2+ эБ2)-

Сопротивление в цепи эмиттера Ti при этом будет приближенно равно эБ 1 + э! 1 Э2 + эБ 2- как напряжение к усилительной цепи при-

ложено между и Гэ2. то в эту точку передается Vzfi. Транзистор Тг представляет собой, по существу, усилитель с общей базой й сопротивлением Гэ2. играющим роль баластного резистора. Он имеет коэффициент усиления А = R{r + Гэб); Здесь ГдБ 26 mB/Zq) - дифференциальное сопротивление перехода эмиттер - база (/g - ток эмиттера одного транзистора). Поэтому всякий раз, когда в предыдущем примере полагаем t/2 = О (рис. А.4), напряжение сигнала на коллекторе Г2 будет равно /2 = V2 (fi ~ 2) [RJ /(Э2 +эБ 2)]- Для отыскания t/кг подобный же анализ может быть проведен по отнощению к напряжению U2, прикладываемому к базе Т2.

Так как в больщинстве случаев г^, = Гдг и rgsi / эБ 2- в дальнейщем будем писать Гд и Гдр. Выходное напряжение сигнала - Uki при этом получим равным

tK, - fK. = Y - 2) [КЛЭБ + э)] - Y (2 - fi) + Гэ)]-

Отсюда - tKi = V2 + э)] (fi -Щ-Щ^ f/i)=[ /(-3B+3)]X

X (f/i - f/2).

Если принять Гд = О, то

К, - К, = ( нЛэб) (f/i - f/2). (А.2)

Если выход снимается между любым коллектором и землей, то при этом дифференциальный усилитель становится усилителем с несимметричным однополюсным выходом (разностный каскад), и его усиление будет вдвое меньше по

У, г о-

о

л г

о

-и

Рис. А.4. Эквивалеитная схема к выводу выражения для коэффициента усиления.

сравнению с тем случаем, когда выходное напряжение снимается между коллекторами. При использовании несимметричного выхода можно за счет выбора коллектора, с которого снимается выходное напряжение, получить выход в фазе или в противофазе по отношению ко входу.

Можно увеличить входное сопротивление дифференциального усилителя и уменьшить входной ток, если использовать вместо обычных транзисторов Ti и Та полевые транзисторы (полевые диффузионные транзисторы с р - п-переходом), или обедненные полевые МОП-транзисторы, или пары Дарлингтона. При применении полевых транзисторов коэффициент усиления по напряжению будет ниже, чем при применении биполярных транзисторов. Аналогичным образом можно найти коэффициент усиления по напряжению симметричного дифференциального усилителя, собранного на полевых транзисторах:

где gm - крутизна полевого транзистора, Rc - нагрузочное сопротивление стока.

При несимметричном выходе получим А = gmRcl2 при условии, что в цепи истоков сопротивление используется лишь с целью создания смещения.

А.2. КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ СИНФАЗНОГО СИГНАЛА

Если к обоим входам дифференциального усилителя прикладывается наг Пряжение одной и той же амплитуды и фазы, то такое напряжение называется синфазным. При этом в случае, когда резисторы и транзисторы дифференциального усилителя не подогнаны точно, появится разность кбллектор-

ных напряжений и в результате появится некоторое дифференциальное выходное напряжение (I/ki -{кг). Этот эффект минимизируется (но никогда полностью не устраняется) с помощью тщательного подбора всех элементов усилителя. Выще указывалось на то, что когда синфазное напряжение прикладывается к в совершенстве сбалансированному дифференциальному усилителю, то сдвигается уровень коллекторных напряжений. Если входной каскад (или последующие каскады) имеет несимметричный выход (выход снимается с одного коллектора по отношению к земле), то можно ожидать изменения в выходном напряжении. Даже при симметричном выходе (снимаемом с коллекторов Г, и Г2) сдвиг уровня напряжения на коллекторах может

Рис. А.5. Схемы определения синфазного напряжения. а - исходная схема; б - эквивалентная схема.

-о ини.еых

привести к разбалансу последующего каскада. Изменение разности коллекторных напряжений с изменением синфазного входного напряжения называется коэффициентом усиления синфазного сигнала. Последний должен быть настолько мал, насколько это возможно.

Если перечертить рис. А.1, как это показано на рис. А.5, то убедимся, что для подсчета синфазного коэффициента усиления дифференциальный усилитель можно рассматривать как каскад с общим эмиттером с двумя параллельно соединенными транзисторами, подключенными к синфазному входному сигналу. Схема рис. А.5, б имеет коэффициент усиления синфазного сигнала

сс = (ад/( э + 2 -1- Гэб/2). (А.З)

Таким образом, чем выше сопротивление R, тем ниже синфазный коэффициент усиления. Обычно RjfvR к Л^ = /г- Простой метод снижения Лес заключается в замене R генератором тока. Генератор тока имеет очень высокое динамическое сопротивление, и поэтому замена им R приводит к резкому снижению синфазного коэффициента усиления. Эта возможность иллюстрируется рис. А.6. Чувствительность дифференциального усилителя к синфазному сигналу часто выражается с помощью коэффициента ослабления

-oUm

гнт * I ,

- 1

I-1 л.

-и

Рис. А.6. Использование генератора неизменного тока (ГНТ) для снижения ве*

личины а^.

ls={UR-Vn?>T.)/\R?> + (R,\\Rn)l(lii\c,r.+ i)b Замечание: R, может быть заме. иено

= (t/.-t/B3r.)/[R3 + (R.IR2)/(213rs+1)1- Замечание: R, leHo стабилитроном. В этом случае э^С^СтБЭ ГаУЭ

синфазного сигнала (КОСС). КОСС определяется как отношение коэффи-. циента усиления дифференциального усилителя А к синфазному коэффициенту усиления КОСС = Л/Лсс

Чем выше это отношение, тем лучше работает усилитель. КОСС диффе-- ренциальнрго усилителя на полевых транзисторах обычно ниже, чем для та- нового на биполярных.

А.З. НАПРЯЖЕНИЕ СДВИГА

Если оба входа дифференциального усилителя подключаются к напря->. жению, равному нулю, то напряжения на обоих коллекторах оказываются ( неодинаковыми. Это обусловлено главным образом тем, что падения напря-жения на переходах эмиттер - база транзисторов неодинаковы. Эта разность }. Бэ определяется как входное напряжение сдвига t/сдв

i сдв = Г^БЭ1-бЭ2. (А.4)

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ иА741 ФИРМЫ FAIRCHILD

На рис. Б.1 показан очень популярный ОУ цА741 фирмы Fairchild. В этом приложении описываются принципы его работы.

Транзистор 7*8, включенный по схеме диода, осуществляет смещение Тд, играющего роль источника неизменного тока. Транзисторы Ts и Гэ представляют собой подогнанные транзисторы, так что их коллекторные токи одинаковы при одинаковых эмиттерных напряжениях. Поэтому ток через Ts определяет падение напряжения на нем, а это падение напряжения устанавливает коллекторный ток Тэ равным току через Ts. Транзистор Тд называется токовым зеркалом Ts.

Транзистор Ti2, включенный по схеме диода, создает смещение для Тц, работающего в качестве источника неизменного тока (источника тока), а включенный диодом транзистор Гц смещает источник тока Т,в примерно до той же величины, что и у источника тока Та.

Транзисторы Tl, .... Г? и резисторы R2 и Rs образуют входной дифференциальный усилитель. Входные эмиттерные повторители Ti и Гг возбуждают транзисторы Гз и Г4, включенные по схеме с общей базой. Базы Г3 и Г4 получают смещение от источников тока Гд и Гю.

Большое полное сопротивление источников тока обеспечивает высокое значение входного сопротивления Гз и Г4. Транзисторы Г5 и Ге образуют токовое зеркало, в которое btckafjt коллекторные токи транзисторов Ti, Гз, Г2 и Г4. Источник тока Ге обеспечивает высокое сопротивление нагрузки для Г4, чго создает высокий коэффициент усиления схемы на транзисторах с общей базой. Транзистор Г? обеспечивает обратную связь с коллектора Ге на базы Г5 и Ге. Для сигналов переменного тока Г7 является эмиттерный повторителем, передающим без изменения фазы коллекторный сигнал Гз на базу Ге. Транзистор Ге инвертирует и усиливает сигнал. Нспряжение на коллекторе Ге и Г4 изменяется в одну и ту же сторону под влиянием как Те, так и Г4. Поэтому изменение коллекторного напряжения на Те складывается с изменением коллекторного напряжения на Г4. Тем самым обеспечивается получение несимметричного выхода и большого коэффициента усиления (около 1000) у дифференциального усилителя. Каждый из выводов установки нуля сдвига присоединяется к концам потенциометра 10 кОм, движок которого подключается .к напряжению источника питания -U. Когда движок перемещается, изменяется сопротивление в цепи эмиттеров Г5 и Ге и, следовательно, изменяются их коллекторные токи.

) Неравенство это будет вызвано разбалансом токов баз при фиксированных токах эмиттеров. - Прим. ред.

Напряжение сдвига действует точно так же, как дифференциальный входной сигнал, прикладываемый к усилителю, вызывая выходной сигнал, равный АПсяв- Если коллекторные резисторы не подогнаны в совершенстве, то они внесут дополнительную разность между напряжениями на коллекторах при нулевом значении напряжений на входе. Другим фактором, вызывающим неравенство f/ki =7 Uk2, Лри нулевых входных напряжениях может быть неравенство значений коэффициентов усиления транзисторов /2213 в схеме ОЭ. Если А21Э неодинаковы, то коллекторные токи транзисторов будут также неодинаковы'). Для достижения хорошего функционирования усилителя эти эффекты должны быть скомпенсированы. Способы компенсации обсуждаются в гл. I и 2.

Присоединение этого потенциометра показано при описании лабораторной работы гл. 1 и в приложении В в каталожном описании (лА741. Если коллекторные токи 7 , и Гг изменяются, то изменяется и их напряжение эмиттер - база так, что входное напряжение сдвига может быть установлено на нуль. Если температура интегральной схемы повышается, то напряжения тран зисторов Г, и Ti будут понижаться. Это приведет к увеличению их коллекторных токов и увеличению падения напряжения на Тв. Увеличение падения напряжения на Ts приводит к увеличению коллекторного тока Тв и понижению базовых токов Тз и Г4. Последнее в свою очередь приведет к снижению их коллекторных токов. Так как Тз и Т4 включены последовательно с Ti и Тг, то коллекторные токи Ti и будут также уменьшаться. Таким образом осуществляется температурная стабилизация дифференциального усилителя.

Транзистор Tie представляет собой эмиттерный повторитель, управляющий простым каскадом с общим эмиттером Tit. Транзистор Tie уменьшает нагрузку на выходе дифференциального усилителя. Коэффициент усиления по напряжению Тп очень велик, так как источник тока Tis действует в качестве нагрузочного резистора с очень большим сопротивлением. Эмиттерный повторитель Гга обеспечивает усиление по току, необходимое для возбуждения выходного двухтактного эмиттерного повторителя на транзисторах Ти и Г20, а также снижает ток нагрузки в коллекторе Тп. Верхний эмиттерный переход транзистора Тц, образующий диод, при нормальной работе смещен в обратном направлении. Если напряжение на коллекторе Тп становится под действием положительного сигнала на выходе Tie слишком низким, то верхний эмиттерный переход открывается и ограничивает напряжение на коллекторе Тп. Это предотвращает насыщение Тп и улучшает время восстановления после приложения к ОУ избыточного входного напряжения (перегрузок по входу). Источник тока, образованный верхним коллектором 7 ,з, обеспечивает ток смещения для базы Т22 и удерживает коэффициент усиления этого повторителя почти точно равным единице.

) ХОД

0*и

О Выход

VcTSHOBna нуля О-1

Рис, Б.1, Операционный усилитель fiA741 фирмы Fairchild (с разрешения фирмы Falf child Camera and Instrument Corporation),

Включенные по схеме диода 7 i8, Г19 и Rw обеспечивают начальное смещение выходного повторителя. Tie и Rto создают такое смешение для Ti , что его t/jg <w 1,2 В. Назначение Ti состоит в создании смещения для Тц и Г20, которое обеспечило бы их работу в классе АБ с целью предотвращения переходных искажений. Что это за искажения, объясняется ниже.

Транзисторы 7 i4 и Г20 представляют собой взаимодополняющую пару п - р - п- и р - п - р-транзистора. Они образуют выходной каскад. Этот

вых

Ти Открыт

Туц Открыт

Переходные искажения

Рис. Б.2. Искажения прн переходе выходного сигнала через нуль.

эмиттерный повторитель обеспечивает низкое выходное сопротивление усилителя. Если напряжение на коллекторе Тп становится положительным или от- рицательным, то открываются соответственно Ги или Г20. При отсутствии цепи 118, Гц, Rib напряжение на коллекторе Тп должно было бы дойти примерно до --0,6 В, прежде чем откроется 7 и, и до -0,6 В, прежде чем откроется Т-в, что привело бы к искажениям сигналов при пересечении нулевого уровня выходным напряжением, как показано на рис. Б.2. Транзистор Т19 имеет напряжение f/jgjK 1,2 В, которое достаточно только для того, чтобы удерживать 7i4 и Гго в слегка открытом состоянии. Поэтому они реагируют на очень ма-Йые изменения напряжения эмиттера Ггг.

Транзистор Тц служит ограничителем тока для Г|4. Когда ток эмиттера Тм становится столь велик (около 20 мА), что падение напряжения иа Re равно С^Бэ тра[нзистора Тщ, он открывается и шунтирует переход база-*