Запитання та завдання для самоконтролю

 

1. В чому полягає відмінність каскадів кінцевого підсилення в порівнянні з каскадами попереднього підсилення?

2. Чим викликане обмеження вихідної потужності підсилювача в режимі класу А при заданому коефіцієнті нелінійних спотворень?

3. Які залежності вихідної потужності та коефіцієнта нелінійних спотворень ККП від величини опору навантаження?

4. Для схеми однотактного ККП з безпосереднім підключенням навантаженням і вихідною потужністю 0,1 Вт на опорі 80 Ом зробіть вибір з довідника а) біполярного транзистора і б) польового транзистора.

5. Які додаткові позитивні якості має двотактна схема порів­няно з однотактною?

6. Назвіть максимально досяжні значення ККД для підсилю­вальних каскадів, які працюють у режимах класу А, В, АВ, С, D.

7. Довести, що ККД каскаду, що працює у режимі класу В, більший за ККД каскаду, що працює у режимі класу А.

8. Нарисуйте якісно динамічні ВАХ підсилю­вальних каскадів, які працюють у режимах класу А, В, АВ, С, D. Дайте пояснення їх часовим характеристикам.

9. Чому в двотактному ККП відбувається збільшення вихідної потужності та зменшення коефіцієнта нелінійних спотворень у порівнянні з однотактною?

10. Для схеми двотактного ККП з безпосереднім підключенням навантаженням і вихідною потужністю 100 Вт на опорі 4 Ом зробіть вибір з довідника біполярних або польових транзисторів.

11. Як зміниться вихідна потужність підсилювального каскаду за зростання ?

12. Довести, що в спектрі вихідного струму двотактної схеми ККП відсутні парні гармоніки. При яких умовах?

13. Нарисуйте структурну схему однотактного підсилювача з ШІМ та поясніть функціональне призначення її блоків.

14. Нарисуйте структурну схему двотактного підсилювача з ШІМ та поясніть функціональне призначення її блоків.

 

 

Література [1, 19-21]

 

 

11 ОпераційнІ підсилювачі

 

11.1 Основні показники операційних підсилювачів та вимоги до них

 

Операційний підсилювач (ОП) – це підсилювач, що виконується на базі диференціального підсилювача постійного струму і повинен відповідати таким вимогам:

– мати великий вхідний опір (ідеальний – );

– мати малий вихідний опір (ідеальний – 0);

– мати великий коефіцієнт підсилення (в смузі підсилення – нуль – одиниці МГц);

– забезпечувати підсилення як з інверсією сигналу, так і без інверсії;

– мати малий дрейф нуля.

Перша вимога дозволяє підключати ОП до будь-якого кола, не порушуючи його роботи. Друга вимога гарантує виконання ОП його функцій без відносно до величини і характеру навантаження, куди передається сигнал. Четверта забезпечує охоплення ОП зворотним зв'язком будь-якого виду (додатний чи від'ємний).

При виконанні усіх вказаних умов передатна характеристика усієї системи з великою точністю відповідає передатній характеристиці кола зворотного зв'язку і практично не залежить від параметрів ОП

 

.

 

Сучасна промисловість випускає багато типів інтегральних ОП, які мають малі габарити і масу, відносно дешеві і доступні.

Статичні і динамічні властивості ОП характеризуються сукупністю електричних параметрів, серед яких можна виділити:

– коефіцієнт підсилення (диференціальний)

 

;

 

– напруга зміщення () – напруга, яку необхідно прикласти між входами ОП для отримання нуля на виході;

– середній вхідний струм () – середнє арифметичне значення вхідних струмів, що вимірюється при такий вхідній напрузі, коли вихідна напруга дорівнює нулю

 

;

 

– різниця вхідних струмів, що вимірюється, коли напруга на виході ОП дорівнює нулю

 

;

 

– температурний дрейф вхідного струму – коефіцієнт, що дорівнює відношенню максимальної зміни вхідного струму ОП до зміни температури, що викликає зміну струму ;

– вхідний опір – опір одного з входів ОП, у той час як другий закорочений (вхідний опір диференціальному сигналу, );

– вхідний опір синфазному сигналу – величина, що дорівнює відношенню прирощення синфазної вхідної напруги до прирощення середнього вхідного струму ();

– коефіцієнт послаблення синфазного сигналу

 

,

 

де – коефіцієнт підсилення синфазної складової сигналу;

– коефіцієнт впливу нестабільності джерела живлення () –відношення зміни напруги зміщення до зміни однієї з напруг живлення, що викликає це зміщення;

– вихідний опір ()

 

;

 

– частота одиничного підсилення () – частота, на якій модуль коефіцієнта підсилення ОП дорівнює 1;

– гранична частота () – максимальна частота синусоїдального сигналу, при якому зберігається гарантований ефективний діапазон синусоїдальної вхідної напруги ОП;

– максимальна швидкість наростання вихідної напруги () – найбільша швидкість зміни вихідної напруги при прикладанні до входу ОП імпульсу прямокутної форми і максимальної амплітуди;

– напруга шуму ОП – містить три некорельовані складові: – складова, що зумовлена тепловим шумом (білий шум), – складова, що зумовлена дифузією неосновних носіїв; – складова, що викликана поверхневими явищами у напівпровідниках.

 

.

 

Типові амплітудні характеристики ОП () та амплітудно–частотні характеристики ОП подані на рис. 11.1 – 11.2.

 

 

Рисунок 11.1 – Амплітудні характеристики операційного підсилювача

 

Рисунок 11.2 – Амплітудно–частотна характеристика операційного підсилювача

 

ОП, не дивлячись на складну внутрішню структуру, може розглядатися як цільний елемент з гарантованими вхідними і вихідними параметрами. В багатьох випадках ОП можна замінити ідеалізованою моделлю, що має нескінченно великий коефіцієнт підсилення по напрузі у необмеженій смузі частот і нескінченно малі вхідні струми і напруги зміщення. На рис. 11.3 наведена еквівалентна схема реального ОП для НЧ.

 

Рисунок 11.3 – Еквівалентна схема операційного підсилювача (макромодель)

 

Колами, що поділені на сектори, на схемі позначені ідеальні підсумовувачі (чорний сектор означає інверсію вхідного сигналу).

 

 

11.2 Типові структури та каскади операційних підсилювачів

 

Схемотехнічно напівпровідникові інтегральні ОП частіше будуються за схемою прямого підсилення з диференціальними, однаковими за електричними параметрами, входами і двополярним (за амплітудою сигналу) виходом. Якщо немає сигналів керування, входи і виходи такого ОП знаходяться під нульовим потенціалом, тому ОП можуть безпосередньо охоплюватись колами ЗЗ і з'єднуватись послідовно.

Структурна і електрична принципова схема типового ОП (К140УД1) подана на рис.11.4 – 11.6. Структурна схема ОП може мати деякі відхилення, наприклад, може бути 3 каскади підсилення, може не бути схем захисту виходу ОП від КЗ.

Перший диференціальний каскад(ДК) з генератором стабільного струму (ГСС) має невеликий робочий струм, для збільшення вхідного опору. Струм другого ДК (схема переходу до несиметричного виходу) не фіксується ГСС, цей каскад має великий коефіцієнт підсилення. Зміщенням на VT6 і резисторі R7, керується ГСС вхідного каскаду і ГСС схеми зміщення сталого рівня сигналу VT8. Зміщення створюється за рахунок падіння напруги на резисторі R9, через який протікає струм ГСС2 на VT8. Вихідний сигнал знімається з виходу емітерного повторювача VT7. Діод VD1, що знаходиться під зворотним зміщенням, виконує функцію коректувальна ємності.

 

Рисунок 11.4 – Типова структурна схема операційного підсилювача

 

ОП має два входи, які позначені + –, тобто неінвертувальний та інвертувальний. Джерело живлення, як правило, двополярне.

Рисунок 11.5 – Схема електрична принципова операційного підсилювача К140УД1

 

ОП К140УД1А випускається вже досить давно і тому його параметри суттєво гірші за параметри сучасних ОП, перш за все це стосується вхідного опору, коефіцієнта підсилення, споживаної потужності.

Підвищення вхідного опору в ОП досягається використанням у вхідних каскадах БТ з високим коефіцієнтом підсилення у мікрострумовому режимі чи МДН транзисторів.

Кращі показники має ОП К153УД1, табл. 11.1, його електричні характеристики дозволяють забезпечити використання у апаратурі різного призначення.

Вхідний диференціальний каскад VT1 – VT2 працює в режимі мікрострумів, що дозволяє забезпечити великий вхідний опір ОП, рис. 11.11.

Для забезпечення гарних показників вхідного ДК, схема другого каскаду також диференціальна, кожне плече реалізовано за модифікованою схемою Дарлінга з вхідним опором не менше 200 кОм, VT3, VT4, VT5, VT11.

Струм другого каскаду 0,6 мА створює на VT10 у діодному включенні падіння напруги, що нормує струм VT10. Другий каскад ОП симетрично навантажений на два емітерних повторювачі VT7 та VT8. Схема зміщення сталого рівня сигналу виконана на транзисторі VT7. Вихідний каскад це двотактний емітерний повторювач VT12, VT13, VT14, що працює у режимі класу В.

За допомогою ОП вдалося стандартизувати схеми багатьох пристроїв. Подальший розвиток ОП дозволив значно спростити методику їх застосування і підвищити точність встановлення передавальних функцій.

Для досягнення цієї мети було необхідним значно підвищити запас коефіцієнта підсилення і вхідний опір, звести до мінімуму кількість зовнішніх допоміжних елементів, покращити енергетичні показники ОП.

Для апаратури, що працює з батарейним живленням, економічність – параметр визначний. Для таких пристроїв випускаються мікропотужні ОП з цікавими властивостями: необхідне значення споживаного схемою струму, рівень вхідного опору і швидкодійність визначаються за програмою. Ці параметри залежать від номіналу зовнішнього резистора, який встановлює струм зміщення ОП (К153УД4, К710УД1). Мікропотужні ОП з параметрами, що вибираються за програмою, зручні у безкорпусному виконанні, коли кристал ОП монтується у мікрозборках. У таких випадках не завжди вдається гарантувати малий тепловий опір кристал–підкладки, тому їх потужність споживання не перевищує 1 – 10 мВт.

При розробці нових сучасних ОП слід звернути увагу на необхідність забезпечення деяких обмежень, що накладаються особливостями сучасної технології виготовлення ОП:

– невелике значення сумарного номіналу резисторів на підкладці;

– труднощі впровадження процесів підстроювання номіналів елементів;

– погана абсолютна точність номіналів резисторів від підкладки до підкладки;

– обмеження по тепловідведенні;

– труднощі виготовлення на одній підкладці транзисторів p–n–p і n–p–n структури.

Рисунок 11.6 – Схема електрична принципова операційного підсилювача К153УД1

 

 

11.3 Застосування зворотного зв’язку у операційних підсилювачах для утворення пристроїв аналогової обробки сигналів

 

Передавальна функція підсилювача повинна забезпечити точне трансформування рівня вхідного сигналу у рівень сигналу при навантаженні.

Якщо підсилювач має струмовий вхід (забезпечує виконання умов для генератора струму сигналу) і струмовий вихід (генерує струм у навантаженні, тобто при будь-яких змінах навантаження рівень вихідного струму лишається сталим, а вихідна напруга прямопропорційна ), у такому випадку основна передавальна функція такого підсилювача – коефіцієнт підсилення за струмом (генератор стабільного струму).

Якщо пристрій має струмовий вхід, але на виході генерує напругу (напруга у навантаженні не залежить від опору навантаження, тобто вихідний струм прямопропорційний номіналу навантаження), то основна функція такого підсилювача – передаточний опір , і такий пристрій має назву – трансформатор опору.

Якщо підсилювач керується напругою, але у навантаженні генерується струм сигналу, то це трансформатор провідності .

Якщо підсилювач керується напругою і генерує у навантаженні стабільну напругу – це підсилювач напруги .

Розглянуті передавальні функції підсилювача можуть бути реалізовані різним застосуванням ВЗЗ.

Чотири основні схеми введення ВЗЗ подано на рис.11.7, а-г.

 

а)

б)

в)

г)

 

Рисунок 11.7 – Функціональні схеми зворотного зв’язку в операційних підсилювачах

 

Наведені схеми відповідно реалізують:

– послідовний ВЗЗ за напругою;

– паралельний ВЗЗ за напругою;

– послідовний ВЗЗ за струмом;

– паралельний ВЗЗ за струмом.

Для отримання напруги ВЗЗ, пропорційній струму (див. рис. 11.7, в, г), використовується датчик струму , опір якого відповідає умові .

Основні параметри розглянутих схем наведені у табл. 11.2.