Иногда желательно, чтобы однокаскадный дифференциальный усилитель имел большой коэффициент усиления. Согласно (3.41) этого можно достигнуть увеличением сопротивления коллекторной нагрузки Rк2 (рис. 3.24). Однако увеличение сопротивления Rк2 при заданном напряжении источника питания приведет к уменьшению коллекторного тока, а следовательно и к уменьшению крутизны передаточной вольт-амперной характеристики транзистора (1.52). Это противоречие легко разрешается, если в качестве коллекторной нагрузки дифференциального усилителя применить токовое зеркало (рис. 3.25). Транзисторы VT1 и VT2 образуют дифференциальную пару с источником тока в эмиттерной цепи. Транзисторы VT3 и VT4, образующие токовое зеркало, выступают в качестве коллекторной нагрузки, обеспечивая высокое значение дифференциального сопротивления коллекторной нагрузки транзистора VT2. Благодаря этому коэффициент усиления дифференциального напряжения достигает 5000 и выше при отсутствии внешней нагрузки. Такой усилитель используют, как правило, только в схемах с отрицательной обратной связью, или в компараторах. Выходной сигнал снимают через истоковый повторитель напряжения.
3.12. Операционные усилители (ОУ)
Операционный усилитель (ОУ) – это универсальный усилитель, первоначально предназначавшийся для выполнения линейных математических операций в аналоговых вычислительных машинах. Современный ОУ представляет собой интегральную схему, которая после подключения к ней указанных в паспорте уровней напряжения питания (а иногда и некоторых элементов для коррекции частотной характеристики) становится усилителем со следующими характеристиками: полоса от нуля до fВ; большое входное сопротивление; большой коэффициент усиления (до 104 - 105 и даже более); большой коэффициент ослабления синфазных помех (до 103 - 104); малый шум; малый сдвиг нулевого уровня на постоянном токе; малые изменения характеристик в зависимости от температуры и времени; низкое выходное сопротивление; сравнительно большой размах выходного напряжения. Естественно, что каждое из перечисленных достоинств проявляется в различной степени у ОУ разных марок.
Сигнал на выходе операционного усилителя с дифференциальным входом (pиc. 3.26)
uвых = К0uвх = К0(uн - uи) , (3.49)
где К0 - коэффициент усиления ОУ; напряжения отсчитываются от общего (нулевого) уровня.
С целью упрощения анализа схем с ОУ последние часто идеализируют. Идеальный ОУ обладает следующими параметрами: К0 = ¥; Rвх = ¥; Rвых = 0; полоса пропускания от нуля до бесконечности. Из (3.49) следует: uвх = uн - uи = uвых/К0, т. е. напряжение на дифференциальном входе ОУ в линейном режиме практически равно нулю при любом выходном напряжении.
Рассмотрим некоторые простые устройства с идеальным ОУ.
Инвертирующий усилитель (рис. 3.27). Анализ схем на идеальном ОУ начинают с выбора положительного направления тока в цепи обратной связи и определения потенциала точки суммирования (инвертирующий вход). Так как в схеме на рис. 3.27 неинвертирующий вход заземлен, а входное напряжение идеального ОУ в линейном режиме равно нулю, то потенциал точки суммирования также равен нулю. Теперь, пользуясь законом Ома, можно связать ток i с напряжением источника сигнала uг и выходным напряжением:
 |
(3.50)
откуда следует
 |
(3.51)
Таким образом, идеальный ОУ, включенный по схеме на рис. 3.27 реализует инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления
(3.52)
Входное сопротивление этого усилителя равно R1.
Неинвертирующий усилитель (рис. 3.28). Потенциал точки суммирования в этой схеме равен uг. При выбранном на рис. 3.28 положительном направлении тока i можно записать:
(3.53)
откуда следует
(3.54)
т.е. коэффициент усиления неинвертирующего усилителя равен
(3.55)
Входное сопротивление неинвертирующего усилителя равно собственному входному сопротивлению ОУ.
Повторитель напряжения (рис. 3.29). В схеме выход ОУ соединен с инвертирующим входом, т.е.
(3.56)
uвх=0
Источник напряжения сигнала uг нагружен только входным сопротивлением ОУ, которое очень велико, поэтому повторитель напряжения может служить хорошим буферным каскадом.
Дифференциальный усилитель (рис. 3.30).Анализ схемы на рис. 3.30,а проведем с применением принципа суперпозиции.
1. При закороченном входе u1 схема представляет собой инвертирующий усилитель, выходное напряжение равно
(3.57)
2. При закороченном входе u2 схема становится неинвертирующим усилителем предварительно ослабленного делителем напряжения u1, выходное напряжение равно
(3.58)
3. В силу линейности усилителя применим принцип суперпозиции:
(3.59)
Выражение (3.59) показывает, что устройство по схеме на рис. 3.30,а усиливает только разность напряжений (u1 - u2), т.е. является дифференциальным усилителем. Наличие резисторов на входе обусловливает невысокое входное сопротивление этого усилителя. С целью увеличения входного сопротивления на входах дифференциального усилителя применяют повторители напряжения (рис. 3.30,б).
3.13. Примеры функциональных устройств на ОУ
На основе ОУ с помощью внешних цепей обратной связи можно строить различные функциональные устройства. Рассмотрим несколько примеров.
Аналоговый сумматор. Схему на рис. 3.31 можно рассматривать как инвертирующий усилитель с n входами. Причем при подаче напряжения только на один из входов, выходное напряжение определяется формулой (3.52):
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.