Главная » Книги и журналы

1 2 3 4 5 6 7 8 ... 38

Рис. 2.17. Схема компенсации входного тока подключением дополнительных резисторов ко входам ОУ

Рис. 2.18. Схема компенсации входного тока в инвертирующем (а) и неинвертирующем (б) включениях ОУ с помощью генераторов тока

6Х /с

Вых

транзистор, который отличается по типу проводимости от транзисторов входного каскада ОУ. Входной ток при любом сопротивлении резистора R2 регулируется потенциометром. Сопротивление Rq выбирается таким образом, чтобы входной ток ОУлежал в диапазоне изменения базового тока транзистора при регулировке сопротивления потенциометра.

; Одного транзистора достаточно для компенсации входного тока в инвертирующем включении ОУ благодаря тому, что напряжение инвертирующего входа близко к нулю. При неинвертирующем включении ОУ напряжение на неинвертирующем входе может изменяться в широком диапазоне, а эмиттерный ток компенсирующего транзистора должен оставаться постоянным. Схема, удовлетворяющая этим требованиям, показана на рис. 2.18, б. Транзисторы VT1 и 11Т2 образуют генератор тока, регулируемого резистором R3. Генератор тока задает эмиттерный и, следовательно, базовый токи транзистора ИТЗ, компенсирующие ток неинвертирующего входа. При использовании усилителя с п-р-п транзисторами на входе транзисторы должны быть р-п-р типа и наоборот. Для уменьшения влияния температурного дрейфа входных токов необходимо применять компенсирующие транзисторы, имеющие идентичные со входными транзисторами ОУ температурные характеристики. Очевидный способ уменьшения влияния температурного дрейфа входных ГОКОВ вытекает из характера их температурной зависимости при низкой и высокой температурах. Как было показано выше, ОУ на биполярных транзисторах имеют минимальный дрейф при высокой гемпературе, а ОУ с полевыми транзисторами на входе - при низкой температуре. Это необходимо учитывать, выбирая тип ОУ для гой или иной аппаратуры либо искусственно создавая внешние

условия для получения минимального дрейфа входного тока данного ОУ,

Входное сопротирление Rx ОУ на биполярных транзисторах в неинвертирующем включении обычно не превышает 10 Ом. Для большинства применений ОУ этого достаточно. Однако в ряде случаев применяются генераторы сигналов, у которых /?г=40... 10 Ом. Чтобы ОУ не влиял на работу таких генераторов, требуются дополнительные меры по увеличению /?вх- Существенно увеличить входное сопротивление ОУ на биполярных транзисторах можно, включив на его вход буферный ДУ на согласованных поле-Bf,ix транзисторах.

В инвертирующем включении ОУ входное сопротивление определяется внешним резистором. Если требуется одновременно получить большие усиление и входное сопротивление, то применяют высокоомные резисторы в цепи ОС. Вследствие этого усилитель становится склонным к самовозбуждению. Использование Т-образного соединения резисторов в цепи ОС (рис, 2.19, а) позволяет получить эквивалентный высокоомный резистор в цепи ОС при низкоомных резисторах R2 - R4. В этой схеме сопротивление Roc.=/?2+/?з+R2R3/Ri:

Для увеличения входного сопротивления инвертирующего усилителя иногда применяют неглубокую положительную ОС (рис. 2.19, б). Вхрдной ток усилителя Л/, протекающий через R1, отби рается от резистора R3, а не от источника входного сигнала. Для правильного функционирования схемы необходимо, чтобы i/рых Увх. Тогда изменение напряжения на резисторе R3 равно f/вх, а входное сопротивление усилителя RbxRiRs/(Rs - Ri) При i = = /?з имеем Rbx-oo. Если R[> Ra, усилитель самовозбуждается. Для достижения максимального входного сопротивления и сохранения устойчивости усилителя необходимо учитывать разброс со-противдений и их температурную зависимость.

Большое входное сопротивление в рассмотренных схемах сохраняется только на низких частотах (10 Гц) из-за действия паразит-

Рис. 2.19. Схема увеличения входного ропрртивленив инвертируршеро усилителя Т-образным включением резисторов в цепь обратной связи (я) И введением положительной обратной связи (б)

ной входной емкости Cr , вдунтирующей собственное входное сопротивление ОУ: Свх (Сэ.б. + Ск.б Kv\)/2; где Kv\ - коэффициент усиления входного ДУ. Поскольку Kui является функцией от частоты входного сигнала (Jm. то и С'вк зависит от частоты и поэтому не может быть задана однозначно. Целесообразно аппроксимировать Cr, только ее конечными значениями Сектах и Cnxmin- Про-межуточную емкость нет необходимости учитывать, так как ее реактивность в этрм интервале постоянна и емкость Свк приобретает свойстве резистора. Эффект постоянной реактивности возникает вследствие компенсирующего действия уменьшений реактивности емкости и Kui, Типовые значения Свхтах и Свхтт 600 и 3 нФ соответственно, Однако столь высокое значение Свк щек не оказывает рлияния на работу схемы, так как оно со)(раняется до частоты меньше 1 Гц. Если же емкость Свх щах не влияет до частоты fcp (это справедливо для больщинстрв ОУ на биполярных транзисторах), то на более высоких частотах ее действием можно пренебречь несмотря на большое значение, а Свх аппроксимировать ее высокочастотным значением С^щ( . В ОУ с полевыми транзисторами на 1входе, имеющими входное сопротивление около 10 ГОм, емкость Свхтс* оказывает существенное влияние на входное сопротивление. При Свхтс* = 500 пФ значение У?;,яг10 Ом ттт ОУ сохраняется лишь до частоты 0,3 Гц. Выше частоты 100 Гц входные сопротивления большинетра современных ОУ с полевыми и биполярными транзисторами на входе близки.

Влияние Свх наиболее ощутимо в неинвертирующем включении ОУ, когда эта емкость дополнительно увеличивается из-за частотной зависимости К'и- Эффективное значение емкости Свх можно уменьшить, включив в цепь положительной ОС конденсатор С^, компенсирующий ток перезаряда входного паразитного конденсатора (рис, 2.20, а). Степень компенсации токов определяет результирующую входную емкость в соответствии с выражением Свх.р = = Свх -СкЛг/У?!. Усилитель возбуждается, когда коэффициент передачи по емкостной петле ОС становится больше, чем по цепи отрицательной ОС.

Входную емкость ОУ может существенно увеличить диодная цепь защиты по входу. В этом случае минимальная емкость Ср, увеличивается примерно до 16 пФ и образует со входным резистором пассивную RC-пепь. Влияние емкостей обратносмешенцых диодов можно уменьшить, включив их в цепь ОС усилителя (рис. 2.20, б). К выходу ОУ целесообразно подключить стабилитроны, у которых напряжение стабилизации f/cTtn -3 В. Благодаря этому достигается ограничение изменения входного напряжения при значении, )авном iJpj-j-Uji, где f/д - падение напряжения на открытом диоде. 1о сравнению с обычной схемой защиты по входу в приведенной на рис. 2.20, б схеме постоянная времени входной ЙСп-цепи оказывает действие на частоте, примерно в 3 раза большей. Это эквива-

Рис. 2.20. Схема компенсации входной емкости ОУ в неинвертирующем усилителе (а) и повторителе (б)

Рис. 2.21. Схема компенсации входной емкости ОУ с помощью дополнительного усилителя

лентно такому же уменьшению входной емкости усилителя, т. е. примерно до 5 пФ.

Эффективность компенсации входной емкости с помошью положительной ОС можно повысить, используя в качестве элемента ОС реальную входную емкость усилителя. Эта емкость обычно включает три составляюшие: емкость источника сигнала Ср, емкость обратной связи и собственную входную емкость ОУ. В показанной на рис. 2.21 схеме компенсирующий конденсатор в цепи положительной ОС исключается, а вместо него функцию компенсации выполняет Сп - собственная входная емкость А1. Благодаря этому уменьшается полная входная емкость усилителя и упрощается возможность взаимокомпенсации двух ее составляющих. Входной усилитель А1 подключен к незаземленному источнику питания, а компенсирующий сигнал ОС подается с выхода А2. Входной сигнал At и напряжения в цепях его питания изменяются синфазно, благодаря чему и удается достичь компенсации входной емкости всего усилителя с помощью собственной входной емкости А1. Точность компенсации можно изменить резистором R1. Если в подстройке

нет необходимости, то R1 можно исключить, а А2 включить как обычный повторитель. Однако тогда емкость конденсатора, корректирующего АЧХ А2, необходимо увеличить в 2-3 раза.

Преимуществом схемы является не только значительное уменьшение полной входной емкости, но и менее жесткие требования к параметрам цепи положительной ОС. Благодаря отсутствию дополнительного конденсатора снижается склонность усилителя к самовозбуждению и уменьшается уровень шумов, поскольку при увеличении глубины положительной ОС увеличивается усиление на высоких частотах. Схема особенно хорошо работает при сигналах, поступающих от источника с большим внутренним сопротивлением. Применив показанную схему, можно уменьшить исходную емкость источника сигнала, равную 10 пФ, до 1 пФ, если сопротивление источника RrlO МОм. Если же /?г~0, то можно уменьшить действующее значение входной емкости до 0,5 пФ. При использовании описанного устройства на входе измерительного прибора А1 необходимо разместить на минимальном расстоянии от источника сигнала. В измерительном приборе, оснащенном выносным щупом, усилитель А1 с корректирующим конденсатором' целесообразно разместить в щупе, а остальную часть устройства - в приборе.

Увеличение частоты среза можно обеспечить в ОУ с внешней коррекцией, уменьшив емкость корректирующего конденсатора. Например, для ОУ серии 153 в технических условиях оговариваются номиналы корректирующих элементов при изменении глубины ОС. Это позволяет повысить на порядок частоту среза при увеличении коэффициента передачи схем на базе этих ОУ от 1 до 10.

Получить большую частоту среза можно и с помощью последовательного включения усилителей (рис. 2.22). Если коэффициенты передачи схем на А1 и А2, равные соответственно Ku\=R2/R\ и Ku2 = R4/R3, выбираются из условия Kui=f<U2=if<U+)/[iu/ V ) - 1 ] =/([/, где Kui = Kfj, то результирующая частота среза

.всей схемы /epj; максимальна и равна /cpj; = /cp(l+/(t/)/(l+

+ \IKui), где fcp - частота среза Al, А2 без обратной связи, К'и - коэффициент усиления А1, А2 без ОС. Если, например, требуется получить суммарный коэффициент передачи всей схемы ;(j;j- = 16, то, используя ОУ К140УД7, у которого fcp=10 Гц, а К'цЯЮ^, получаем fepi~200 кГц. В то же время один ОУ К140УД7 обеспечит коэффициент передачи, равный 16, только до частоты fcp=Kbfcp/\660 кГц.

: Включив последовательно N-e число ОУ с ОС, получим, что их Ки должны выбираться из условия Ки={ + К'и)/ [К'иХ (Kui - \]. При этом результирующая частота среза fcpj; = /cp(/Ct/+1)/[1+ + {КщУ^ -Р^ Л/->-оо можно при любом требуемом Ку достичь максимального значения fp. л;т/2.

Широкополосный усилитель на основе ОУ К153УД6 (рис, 2.23)

Рис. 2.22. Схема последовательного включения ОУ для увеличения частоты среза Рис. 2.23. Схема исключения входного каскада ОУ для увеличения частоты единичного усиления

можно построить, используя только промежуточный и выходной каскады последнего при отключенном входном. Высокочастотный транзистор смещает уровень напряжения входного сигнала до требуемого напряжения на входе промежуточного каскада ОУ (около 13,5 В). Коррекция АЧХ схемы осуществляется подбором емкости Ск. Допустимое напряжение эмиттер-коллектор VT должно быть не менее 15 В.

Увеличение скорости нарастания выходного напряжения v

большинства ОУ происходит обратно пропорционально емкости корректирующего конденсатора Ск. Поэтому очевидным способом увеличения скорости нарастания в ОУ с внешней корректирующей цепью является уменьшение емкости Ск. Таким образом можно увеличить V на порядок (при Ки=0). Для увеличения v в ОУ с внутренней коррекцией к выходу усилителя можно подключить дополнительный каскад. Если коэффициент усиления выходного каскада k, то максимальное выходное напряжение f/оых достигается за время, необходимое для изменения выходного напряжения ОУ на величину С/вьт/. Следовательно, v увеличивается в k раз. Полюс выходного каскада должен появиться на частоте, равной kfj, чтобы предотвратить возбуждение схемы. При /г> 10 такой усилитель может самовозбуждаться в режиме повторителя, хотя в режиме усилителя {Ки> Ю) обычно сохраняет устойчивость. Допустимые величины k зависят от типа транзисторЬВ и максимальны для ОУ с минимальным сдвигом фазы входного сигнала (например, К140УД7).

В схеме усилителя на рис. 2.24 дополнительный выходной каскад на транзисторах VT1 и VT2 управляется изменениями тока в цепях питания ОУ. Выходной каскад действует как усилитель тока с отрицательной ОС через транзисторы VT3 и VT4 внутреннего выходного каскада ОУ. Коэффициент усиления выходного усилителя равен R2/R1 и не зависит от сопротивления нагрузки. Если R2/Ri = \0, то для получения изменения выходного напряжения схемы от -10 до 1-10 В напряжение на выходе ОУ должно изменяться от -1 до --l В. Наилучшие практические результаты получаются при отношении R2/Ri=6,7 и сопротивлении /?,=270 Ом.

Рис. 2.24. Увеличение быстродействия ОУ с помощью выходного каскада, управляемого по цепям питания

Ьых

Рис. 2.25. Схема пре- Д,/72 цизионного неинвертирующего усилителя с повышенным быстродействием

L П У ?5- . Гк

1/п

Рис. 2.26. Схемы повторителя (а) и дифференциального усилителя (б) с увеличенным допустимым входным напряжением

Тогда по сравнению с ОУ К140УД7 значение усилителя увеличивается от 1 до 7,5 МГц, V - от 0,5 до 5 В/мкс, а fp - от 15 до 50 кГц. Возможная нестабильность работы усилителя при глубокой ОС может быть устранена регулировкой сопротивления потенциометра Rn, которое определяется в режиме неинвертирующего повторителя при максимальном размахе выходного напряжения.

Успехи, достигнутые в технологии и схемотехнике аналоговых микросхем, позволяют в большинстве случаев обойтись без громоздких схем быстродействующих усилителей, выполненных на ОУ общего применения с параллельным высокочастотным каналом. Например, ОУ серии 154 обеспечивают скорость нарастания до 500 В/мкс, единичную полосу пропускания до 20 МГц (К154УД4), а время регулирования с точностью 0,1% около 500 не (К154УДЗ). Однако в этих ОУ сравнительно большие входные токи. Поэтому, если допустимо усложнение схемы и требуется получение значительно большей скорости нарастания при одновременном улучшении точностных показателей ОУ, можно воспользоваться усилителем на основе ОУ К140УД14 (рис. 2.25). Параллельный канал в этой схеме начинается истоковым повторителем на полевом транзисторе КПЗОЗ. Благодаря этому параллельный канал практически не влияет на входной ток усилителя. Дополнительное усиление, примерно равное 10, обеспечивает промежуточный каскад на биполярных транзисторах VT1, VT3. Этот каскад управляет составным повторителем на транзисторах VT4 - VT7. Параллельный канал развязан по постоянному току от выхода усилителя конденсаторами С1, С2. Поскольку сигнал инвертируется транзисторами VT1, VT2, то цепь обратной связи с выхода усилителя.подключается к неинвертирующему входу ОУ. Коэффициент усиления определяется отношением RilRx. Фильтр на входе ОУ, состоящий из R3 и S3, уменьшает влияние высокочастотного сигнала на работу усилителя. Приведенная схема позволяет получить скорость нарастания выходного напряжения около 700 В/мкс при R\=R2- Мощностная полоса пропускания усилителя при размахе выходного напряжения ±12 В и выходном токе около 200 мА достигает 6 МГц. В схеме целесообразно использовать п-р-п и р-п-р транзисторные сборки типа 198НТ1 и 198НТ5.

Улучшение эксплуатационных параметров. Чтобы расширить области применения ОУ в электронной аппаратуре, разработаны способы увеличения допустимого входного напряжения, напряжения питания и выходной мощности. Некоторые из этих способов описаны ниже.

Увеличение допустимой амплитуды входных напряжений осуществляют двумя способами - шунтированием входов ОУ делителем и введением следящих ОС по цепи питания. Первый способ понятен без объяснений. Для обработки высоковольтных входных сигналов с помощью низковольтных ОУ общего применения вводят следящие ОС по синфазному сигналу. Рассмотрим неинвер-

тирующий повторитель и дифференциальный усилитель (рис. 2.26) на низковольтных ОУ. В неинвертирующем повторителе на рис. 2.26, а следящая ОС выполнена на высоковольтных транзисторах. Транзисторы VT3 и VT4 выполняют функции генераторов токов / примерно равных по величине IiuJRi и противоположных по знаку, где t/д - падение напряжения на открытом диоде. Транзистор VT3 выполняет функцию генератора вытекающего тока, а VT4 - втекающего тока. Значение тока /i определяется током стабилизации стабилитронов. Транзисторы VT1, VT2 являются обычными эмиттерными повторителями. Дифференциальное напряжение питания ОУ равно 2 ({Уст - f/э.Б) > где Ur и f/g.B - падения напряжения соответственно на открытом стабилитроне и эмит-терно-базовом переходе транзистора VT1 или VT2. Напряжение питания схемы U полностью определяется транзисторами, у которых допустимое напряжение эмиттер - коллектор должно быть больше 2 \и„\. Например, при f/n=2Q0 В, {/вх = 100 В, U = = 10,7 В, {/в1,1х=100 В напряжение на выводе 7 равно ПО В, на выводе 4 90 В, а на инвертирующем входе 100 В. При этом необходимо следить за тем, чтобы ток, отдаваемый ОУв нагрузку, не превысил допустимого значения /дж5 мА, т. е. {/вых/н</д. Построенная по описанному принципу схема повторителя на базе ОУ К544УД1 обеспечивает погрешность повторения 2,2-10 .

В схеме ДУ (рис. 2.26, б) для получения минимального усиления синфазного сигнала необходимо с максимальной точностью выполнить равенство Ra/R\=R3/R.2. С этой целью в усилитель введен подстроечный резистор R4 и тем самым исключено требование применения в качестве R1 - R5 прецизионных резисторов. Коэффициент усиления определяется отношением Rs/Rs- Использование усилителей К153УД2, допускающих введение параллельного высокочастотного канала через конденсаторы С, позволяет расширить полосу пропускания всего усилителя до 10 МГц.

Часто для непосредственного управления электромеханическими приборами, например соленоидами и индикаторами, требуется больший размах напряжения, чем можно получить на выходе ОУ при обычном напряжении источника питания. Для большинства усилителей общего применения разность амплитуд положительной и отрицательной полуволн выходного напряжения не превышает 25 В при напряжении питания ±15 В, поскольку в этом случае 5 В из общего приложенного напряжения теряется в выходном каскаде. Обычно для получения большего размаха выходного напряжения используют специализированные высоковольтные усилители, стоимость которых в несколько раз выше, чем аналогичных низковольтных ОУ [12].

Однако при использовании ОУ с дифференциальным выходом Можно получить размах выходного напряжения значительно больше полного приложенного напряжения источника питания (рис. 2.27). В первой схеме (рис. 2.27, а) при подаче на усилители напряжения

AZ +

6bix

Рис. 2,27- Схемы паоледавчтельнагр (а) и параллельного (б) включений ОУ для увеличения psaMajja выходного напрчи<ения

питания ±15 В размах выходного напряжения достигнет 50 В из-за наличия на выходах ОУ сигналов противоположной полярности размахом 26 В. Сигнал с выхода может подаваться на любую нагрузку, не соединенную с общей шиной, К недостаткам данной схемы следует отнести то, что на выходе наблюдается дополнительный фазовый сдвиг, поэтому фазовая ошибка ограничивает точность приведенной схемы на значительно меньших частотах, чем амплитудная.

Схема другого усилителя с дифференциальным входом, построенного также на двух обычных ОУ, когда сигнал снимается между их выходами, приведена на рис 2.27, б, Эта схема имеет одинаковые фазовые сдвиги на обоих выходах, поэтому достигается усиление в большей полосе частот. Полное входное сопротивление такого усилителя выше, чем предыдущего, так как сигнал подается непосредственно на входы ОУ, а не на суммирующий резистор. Для получения дифференциального выхода в приведенной схеме используется общая ОС по току, которая обеспечивается резистором R1 и поддерживает дифференциальные входные напряжения обоих ОУ в пределах нуля. Ток в цепи ОС определяется падением напряжения на резисторе RI, равным и^: В связи с тем, что ток между выходами двух усилителей протекает через резисторы ОС в различных направлениях, напряжения на выходах ОУ имеют противоположную полярность, При низком крэффипиенте усиления размах выходного напряжения схемч может ограничиваться допустимым значением синфазного входного напряжения усилителя. Так, для получения большого размаха напряжения на выходе схемы при единичном коэффициенте усиления на ее вход необходимо подать такой сигнал, значение которого может выйти за пределы диапазона допустимых синфазных напряжений ОУ. Чтобы выполнить условие получения максимального размаха напряжения, входной сигнал должен.быть двухполярным относительно общей шины и равномерно распределенным между входами обоих усилителей- Если же

1 2 3 4 5 6 7 8 ... 38