о.с

<

Л ВЧ-фильтр

Основной усилитель

ВЫХ

НЧ-фильтр

Стабилизирующий усилитель

НЧ-фильтр

устройство управления прерывателями

Олорное напряжение

Канал усиления с прерывателями

Форма сигналов с.у^2

Рис. 3.8. Схема усилителя со стабилизацией прерыванием.

6Э Глава 3

Некоторые усилители со стабилизацией прерыванием могут быть использованы только в инвертирующем включении, так как неинвертирующий вход должен быть заземлен. Другие усилители со стабилизацией прерыванием не имеют этого ограничения ).

3.7. ВАРИКАПНЫЕ ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ С СИНУСОИДАЛЬНОЙ НЕСУЩЕЙ ЧАСТОТОЙ

Варикапные усилители с синусоидальной несущей используются для усиления сигналов милливольтового уровня, когда необходимы чрезвычайно низкие токи смещения. Низкие токи смещения этих усилителей обусловлены тем, что при напряжениях, много меньших потенциала открывания (меньших 10 мВ), через полупроводниковые диоды протекает очень малый ток в прямом и обратном направлениях.

Из рис. 3.9 видно, что входное напряжение усилителя с модулятором на диодных варикапах Ид приложено к двум варикапам- Ml и Дг. Здесь Tpi и Т'рг -трансформаторы, через которые подается низковольтный высокочастотный несущий сигнал (типичное значение частоты /оп = 130 кГц). Входное напряжение разбалансирует собственные емкости варикапного моста, создавая прямое смещение на одном и обратное на другом варикапе. Разбалансировка емкостей варикапов вызывает изменение фазы и напряжения опорного сигнала с изменением Ид, следовательно, несущий сигнал оказывается промодули-рованным.

Амплитудно-модулированный опорный сигнал усиливается усилителем переменного тока, демодулируется фазо-чувстви-тельным демодулятором-выпрямителем, чувствительным к изменению как амплитуды, так и фазы, фильтруется и передается на выходной усилитель постоянного тока. Весь блок используется как операционный усилитель. Коэффициент усиления определяется сопротивлениями обратной связи, которые выбираются обычным образом. Усилители с варикапной модуляцией несущей частоты могут иметь входные токи смещения до 0,01 мА, что значительно ниже, чем у большинства усилителей на полевых транзисторах, при очень низком уровне шумов.

> Основной тип усилителей с прерыванием дифференциального типа - это усилители с периодической компенсацией дрейфа (ПКД), имеющие ряд преимуществ перед простой М-ДМ-схемой, описанной здесь. - Прим/ред.

Модулятор на варикапах

grp2

Усилитель переменного

Фазочувст-

нч-фильтр

(- Бительный выпрямитель

Генератор

несущей

частоты

Усилитель

постоянного

тока -

Увых 1

Рис. 3.9. Блок-схема операционного усилителя с варикапным модулятором и синусоидальным несущим сигналом.

Типичные значения входного сопротивления составляют IQS- 10 Ом. Этот тип усилителя имеет обычно большое значение КОСС.

3.8. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТОК - НАПРЯЖЕНИЕ

Для измерения выходных токов источников с большим полным входным сопротивлением, таких, как электрохимические элементы и некоторые фотодиоды, используются усилители с очень маленьким током сдвига, такие, как операционные усилители со входными каскадами, выполненными на диффузионных полевых транзисторах или на полевых МОП-транзисторах, или варикапные операционные усилители. Ток короткого замыкания является выходным сигналом указанных источников с высоким полным выходным сопротивлением, так как при таком типе измерения максимизируется полоса частот, в которой производится измерение. Операционный усилитель с высоким входным сопротивлением > может использоваться для преобразования тока короткого замыкания источника в напряжение, как показано на рис. 3.10. Источник здесь показан в виде эквивалентной схемы Нортона, где / ст = Vkct/Rkct. Инвертирующий вход операционного усилителя фактически имеет потенциал земли, так как - С/д 0. Ток, который протекает через Ro.c помимо тока источника, - это /см; он должен быть значительно меньше, чем /ист. При соблюдении этого условия

> Из сказанного ниже видно, что еще важнее - малый ток /см ОУ. - Прим. ред.

выходное напряжение операционного усилителя есть И^ыу. =

= -LctRo. с, где /ист-выходной, ток источника U ct/Rhct.

Если ток источника тока, показанного на рис. 3.10, равен, например, 10 мкА и /?о.с=1 МОм, то выходное напряжение

Рис. 3.10. Преобразователь ток - напряжение.

t/д о, так как инвертирующий вход потенциально за-аемлен. u

схемы будет равно /вых = (-ЮмкА) (1 МОм) = -10 В. Тот факт, что вход инвертирующего усилителя фактически заземлен, позволяет нам преобразовывать входной ток в выходное напряжение.

J Токи смещения и сдвига могут быть измерены в схеме повторителя напряжения. В схеме в этом случае используются в цепях входов резисторы с достаточно большим сопротивлением, для того чтобы напряжение Rhu можно было (легко) измерить. Применение схемы повторителя напряжения для измерения тока смещения ОУ путем измерения напряжения на его выходе, обусловленного током /см, позволяет использовать обычную измерительную аппаратуру вместо сверхчувствительных измерительных приборов с чрезвычайно высоким входным сопротивлением.

2. Коэффициент усиления синфазных сигналов А сс является коэффициентом >силения операционного усилителя по напряжению, приложенному одновременно к обоим его входам. Коэффициент усиления синфазного сигнала операционного усилителя можно определить по обычно указываемому в его паспорте коэффициенту ослабления синфазных сигналов (КОСС): КОСС = Л/Лсс.

3. Коэффициент усиления синфазного сигнала, отличный от нуля, приводит к появлению погрешности в схемах неинвертируюших усилителей. Эта погрешность коэффициента усиления находится из отношения (Л/КОСС) (1 + -ЬЛр), которое определяет значение погрешности коэффициента усиления в зависимости от КОСС.

4. В инвертирующих усилителях ие возникает погрешности из-за усиления синфазного сигнала, так как неинверсный вход заземлен и Лес-О В = 0.

5. КОСС должен измеряться при большом значении коэффициента усиления операционного усилителя по дифференциальному входу путем подключения обоих его входов к одному источнику сигнала.

6. Входное напряжение сдвига и ток сдвига могут быть скомпенсированы только при одном определенном значении температуры. Следовательно, в том

случае, когда операционный усилитель используется при различных значениях температуры, изменения напряжения и тока сдвига будут приводить к появлению погрешности в выходном напряжении.

7. Основными источниками температурной погрешности являются изменения /сдв и (/сдв с температурой. Дрейф Ucrb вызывается рассогласованием AU/AT биполярных транзисторов или рассогласованием AUy/AT и AgJAT полевых транзисторов. Температурный дрейф /сдв происходит вследствие рассогласования AhiAT биполя]5ных транзисторов и разбаланса токов утечек затворов полевых транзисторов.

8. Максимальную температурную погрешность инвертирующего усилителя можно рассчитать по следующей формуле:

Е = (°--+) () дт- + /?о. с () Д7-. (3.9)

где Е - погрешность выходного напряжения в вольтах; AUcrbIAT - дрейф Ссдв, выраженный в В/°С; д/сдв/Д7 - дрейф /сдв, выраженный в А/°С; дт - изменения температуры в °С; Ro с к Ri выражены в омах.

9. Ошибка может быть приведена ко входу, т. е. выражена просто в процентах входного напряжения, которое получается путем деления выражения для ошибки на величину Ао. с Выражение для ошибки, приведенной ко входу (£1), имеет вид для инвертирующего усилителя

и для неинвертирующего усилителя

. . = ()аг + ()дг. (3.11)

10. Операционные усилите..и со стабилизацией прерыванием имеют напряжение сдвига и дрейф напряжения сдвига, на один - три порядка меньший по величине, чем нестабилизированные операционные усилители. Стабилизация прерыванием осуществляется за счет введения дополните.чьного контура усиления по постоянному току, в котором измеряются любые изменения напряжения на инвертирующем входе операционного усилителя; затем этот сигнал путем импульсной модуляции превращается в сигнал неременного напряжения, усиливается, снова преобразуется в сигнал постоянного напряжения и подается иа неинвертирующий вход основного усилителя так, чтобы компенсировать сдвиг инвертирующего входа.

Усилители с модуляторами па варикапах имеют очень малые токи смещения и используются преимущественно для усиления сигналов источников, имеющих очень высокие значения полного внутреннего сопротивления.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

3.1. Кратко изложите принцип действия схемы для измерения тока смеще-, ния, приведенной на рис. 3.1.

с 3.2. Укажите, как выбираются Ri и Rz для схемы измерения тока смещения.

i 3.3. Для собранного по схеме рис. 3.1 операционного усилителя (Ri = R2 = = 1 МОм) в результате измерений получены следующие значения выходного напряжения- П- и П2 замкнуты -f-0,04 В; Tlj разомкнут +0,\ В; разомкнут -0,06 В. Рассчитайте /см i, /см 2 и /сдв.

3.4. Дайте определение КОСС.

3.5. Кратко укажите, почему усиление синфазного сигнала нежелательно.

3.6. Неинвертирующий усилитель имеет /?, = 20 кОм, /о. с = 1 МОм, А = = 50 000 и КОСС = 100 000. Рассчитайте фактический коэффициент усиления усилителя с обратной связью.

3.7. Синфазная погрешность инвертирующего усилителя незначительна. Объясните, почему.

3.8. Для схемы на рис. 3.4 (Увых = 0,5 В при И^х = 12 В. Рассчитайте КОСС как отношение и выразите в дБ.

3.9. Назовите два основных фактора, приводящих к появлению температурного дрейфа операционного усилителя.

3.10. Инвертирующий усилитель с /?i = 15 кОм и /?о. с == 300 кОм имеет lAUcflB/AT =1 мВ/°С и Д/сдв/Д7 = 0,8 нАЛС. Найдите погрешность выходного напряжения, если температура возросла от 25 до 100°С (при 25*0 нуль настроен).

3.11. Рассчитайте приведенную ко входу погрешность для условий задачи 3.10.

3.!2. Укажите главное преимущество усилителей со стабилизацией прерыванием.

3.13. Кратко опишите механизм влияния канала прерывания усилителя со стабилизацией прерыванием на уменьшение дрейфа.

3.14. Укажите причину, по которой стабилизирующий усилитель должен иметь большой коэффициент усиления.

Если вы не можете ответить на какие-либо из этих вопросов, отметьте их и еще раз просмотрите соответствующие разделы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Цель работы. После выполнения этой лабораторной работы студент должен уметь измерить ток смещения, входной ток сдвига и КОСС усилителя. Кроме того, студент должен уметь вычислить максимальную погрешность выходного напряжения, вызванную температурным дрейфом, и определить фактический дрейф по результатам экспериментального измерения.

Оборудование. 1. Операционный усилитель лА741 фирмы Fairchild или его аналог. 2. Набор сопротивлений класса точности 2 %. 3. Источник питания ±15 В. 4. Вольтметр или осциллограф, пригодные для измерения сигналов милливольтового уровня как постоянного, так и переменного тока. 5. Генератор сигналов. 6. Набор конденсаторов. 7. Управляемый термостат. 8. Пирометр или другое устройство для измерения температуры. 9. Плата для макетирования, например EL Instruments SK-10L, смонтированная на шасси.

Порядок выполнения работы. 1. Измерение токов смещения и сдвига. Используя схему, приведенную на рис. 3.11, измерить ток смешения и входной ток сдвига. Используйте процедуру, описанную в тексте главы. (Используйте металлопленочиые или иные высококачественные конденсаторы, но не э.чектролитические. Почему?) Если измеряемое напряжение слишком мало для измерения, сопротивления R\ и могут быть увеличены. Если напряжение больше 10 В, то Ri и R должны быть уменьшены примерно до 1 МОм. 2. Измерение КОСС и Лес- Соберите схему, приведенную на рис. 3.12, измерьте Vbx и Uobix и рассчитайте КОСС. Выходной сигнал должен быть низкочастотен. Ubx -сигнал переменного тока с частотой меньше 5 Гц и напряжением около 10 В (амплитуда). Напомним, что

КОСС = (C/Bx/t/вых) [( . + Ro. c)IRil (3.7)

Для непосредственного измерения коэффициента усиления синфазного сигнала включим в схему Ri = о. с и используем соотношение Лес = t/вьге/С/вх. .

Соответствуют ли измеренные вами значения КОСС, /см и /сдв паспортным данным?

3. Измерения температурной погрешности. Соберите инвертирующий усилитель с умеренным значением коэффициента усиления {К 10). Если возможно, постройте схему таким образом, чтобы температурным изменениям подвергался только сам операционный усилитель, для того чтобы дрейф сопротивлений не давал вклада в напряжение ошибки. Очень тщательно настройте на нуль выходное напряжение при заземленном входе (используйте

100 КОМ

Рис. 3.11. Схема для измерения Рис. 3.12. Схема для измерения

/см и /сдв КОСС.

ft=J?j 10 МОм, с 0,01 мкФ.

схему, показанную на рис. 3.6). Выберите температуру, исходя из возможностей вашего нагревательного устройства (скажем, 70°С), и медленно повышайте температуру до этого значения, фиксируя выходное напряжение (т. е. - апряжение погрешности при нулевом входном сигнале) через каждые 5 или

По паспортным данным усилителя рассчитайте максимальное напряжение погрешности, используя выражение (3.9). Сравните его с измеренной вами величиной. Отличаются ли результаты измерений от расчетов? Если да, то почему?

По измеренному напряжению погрешности рассчитайте фактическое значение Д17сдв/АГ. Напоним, что (Re. сА/сдв)/Д7 является частью полной величины Д(/сдв/ДГ.

ГЛАВА 4

ХАРАКТЕРИСТИКИ, ЗАВИСЯЩИЕ ОТ ЧАСТОТЫ

Даже если предполагается использовать усилитель только для усиления сигналов постоянного тока, все равно надо знать, при каких условиях он будет работать устойчиво. Если же предполагается использовать существенную часть полосы пропускания усилителя, то тем более следует знать, как он ведет себя в нужной полосе частот. В этой главе рассматриваются зависящие от частоты свойства операционных усилителей. Назначение главы. После изучения этой главы и ответа на контрольные вопросы студент должен уметь:

1. Указать две причины зависимости свойств операционных уси- , лителей от частоты.

2. Начертить на полулогарифмической бумаге диаграмму Воде трехкаскадного усилителя со связями по постоянному току, если даны коэффициент усиления и частота среза каждого каскада.

3. Использовать произведение усиления на полосу пропускания . для нахождения fio. с при данном К или К при данном fx.

А. Указать причины самовозбуждения (неустойчивости) операционных усилителей.

5. Построить фазовую характеристику e(f) по заданной диаграмме Воде для коэффициента А или по данным п. 2.

6. Определить скорость нарастания V и рассчитать /7а(макс), если заданы рабочая частота и V, и максимальную рабочую частоту для заданных Ua и V.

7. Рассчитать компоненты, необходимые для коррекций частотной характеристики при заданном К, если дана диаграмма Воде . операционного усилителя.

8. Описать способы коррекции сдвига фазы, основанные на эффекте Миллера, на сужении полосы входного каскада, на по- -даче сигнала вперед и с использованием грубой силы ), и объяснить существо этих способов.

9. Выполнить лабораторную работу к гл. 4. \

Диаграмма Боде - логарифмическая амплитудно-частотная характеристика. - У7рнж ред.

> У автора brute-force. Это образное выражение как нельзя более под-ход.чт к этой схеме (рис. 4.21). - Прим. ред.

4.1. ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Известно, что ни один усилитель не может иметь одинакового коэффициента усиления на всех частотах, хотя коэффициент усиления каждого усилителя в некоторой полосе частот почти постоянен. Частотная характеристика (зависимость коэффициента усиления от частоты сигнала) операционного усилителя является важным фактором, от которого зависит устойчивость работы реальных схем с таким усилителем. В большинстве операционных усилителей отдельные каскады соединены

3 О -

I W -

J I L

1 10 2 ю' Частота, Гц

101 10

Частота Гц

Рис. 4.1. Логарифмические амплитудно-частотные характеристики.

о - типичная частотная характеристика обыкновенного усилителя; б - типичная частотная характеристика операционного усилителя.

между собой ПО постоянному току (тальваническими связями), поэтому эти усилители не имеют спада усиления в области низких частот и у них приходится рассматривать только спад коэффициента усиления с возрастанием частоты. На рис. 4.1 показаны типичные частотные характеристики обычного и операционного усилителей. На этом рисунке и частота, и коэффициент усиления даны в логарифмическом масштабе, что делает рисунок более компактным и наглядным. Такие графики часто приводятся в заводских паспортах операционных усилителей; товорят, что эти графики построены в логарифмическом масштабе, хотя они даются на полулогарифмической сетке и ось ординат размечена линейно

Что вынуждает коэффициент усиления падать при возрастании частоты, как это показано на рис. 4.1,6? Вернувшись .к рис. 1.4, можно видеть, что приведенная там схема не имеет никаких конденсаторов; однако следует помнить, что любая схема - будь то интегральная схема или схема на дискретных компонентах - содержит металлические проводники, отделен-

Но saTO в логарифмических единицах - децибелах,--/Ур ж, ред.

ные друг от друга изолятором. Это означает, что сам монтаж схемы обладает некоторой распределенной паразитной емкостью. Напомним также, что некоторой емкостью обладает любой р-д-переход в полупроводнике. При возрастании частоты эти паразитные емкости закорачивают на землю все большую часть сигнала переменного тока, и в конце концов весь сигнал уходит на землю через паразитную емкость и не достигает нагрузки.

вых

Рис. 4.2. Эквивалентная схема для расчета частотной характеристики апериодического типа.

При вычислениях эти распределенные паразитные емкости можно объединить, как если бы они являлись одним конденсатором, и каждый каскад операционного усилителя представить в виде эквивалентной схемы, состоящей из источника напряжения, сопротивления и паразитной емкости, как показано на рис. 4.2. Заметим, что здесь может быть входным сопротивлением следующего каскада или (для оконечного каскада) нагрузкой.

При возрастании частоты реактивное сопротивление конденсатора падает, что приводит к уменьшению полного сопротивления комбинации из включенных параллельно Ra и С. Очевидно, должна существовать частота, при превышении которой напряжение, приложенное к параллельной комбинации /? и С, окажется меньшим, чем Л [/д. Выражение для коэффициента усиления А на любой частоте имеет вид )

Л(Л = л/[1 + /(Ш].

) / - мнимая единица (/ = V- 0. - Прим, ред