Главная » Мануалы

1 2 3 4 ... 51

Операционные усилители (ОУ), т. е. усилители постоянного тока, предназначенные для работы с глубокой отрицательной обратной связью, впервые были разработаны около 30 лет назад. Первые 10-15 лет операционные усилители строились на электронных лампах и применялись главным образом в решающих блоках аналоговых вычислительных машин.

Ламповые операционные усилители имели большие габариты, низкую надежность и были сравнительно дорогими устройствами. Все это ограничивало их применение. Однако начиная с 60-х годов, когда были созданы высококачественные транзисторные ОУ, и особенно после перехода на интегральную технологию производства, операционные усилители начали широко применяться в самых различных областях электронной техники.

В настоящее время ОУ стали самым массовым аналоговым элементом. В 1972 г. только в США было продано свыше 50 млн. интегральных ОУ, т. е. больше половины всех линейных схем. Годовой прирост выпуска ОУ в США в том же году составил 12%.

Операционные усилители широко применяются не только в традиционной области аналоговой вычислительной техники, но и в системах управления, цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователях, при построении активных фильтров и различной измерительной аппаратуры, в генераторах напряжений различной формы, множительно-делительных устройствах, функциональных преобразователях, ста^билизаторах напряжений, источниках эталонных напряжений, в прецизионных модуляторах и демодуляторах, коммутаторах, электронных ключах и во многих других устройствах.

Столь широкое применение ОУ объясняется, с одной стороны, тем, что им свойственны высокие электрические параметры (большой коэффициент усиления, высокое входное и низкое выходное сопротивления, высокая стабильность коэффициента передачи и нулевого уровня, малый паразитный входной ток, высокое быстродействие, низкий уровень шумов), а с другой стороны- малыми габаритами, удобством сопряжения между, собой, высокой надежностью и небольшой стоимостью. (В 1973 г. цена на некоторые типы ОУ в США упала до 25 центов.)



Массовое применение ОУ в свою очередь выдвигает новые требования к совершенствованию их схем.

В связи с этим возникла острая потребность в книге, которая явилась бы руководством по разработке схем ОУ, по их испытанию и применению. Книга Проектирование и применение операционных усилителей в значительной мере удовлетворяет эту потребность. В ней обобщен многолетний опыт фирмы Burr-Brown - одной из ведущих фирм США в области операционных усилителей.

Книга состоит из двух частей и трех приложений.

В первой части приводится анализ, методы расчета и рекомендации по проектированию ОУ. Сюда входят: анализ входных дифференциальных каскадов, промежуточных и выходных каскадов. Приводится расчет наиболее важных для практики характеристик: коэффициента усиления, частотных характеристик, устойчивости, смещения и дрейфа нуля, шумов, коэффициента подавления синфазной составляющей.

Материал этой части изложен весьма компактно. Приведены только те сведения, которые наиболее важны при проектировании ОУ, но вместе с тем сохранена достаточная теоретическая строгость. В этой части много полезных рекомендаций по уменьшению дрейфа нуля, компенсации входных токов, обеспечению устойчивости и улучшению других параметров.

К сожалению, весьма поверхностно освещены вопросы построения канала с модуляцией и демодуляцией, не рассмотрены схемы модуляторов, обеспечивающих высокую стабильность нуля. При рассмотрении шумов лишь упоминается о фликкер-шумах.

Вторая часть книги посвящена особенностям применения ОУ при построении различных линейных и нелинейных схем (в том числе функциональных преобразователей и- множительно-дели-тельных устройств), активных фильтров, коммутаторов, ключей, компараторов, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей.

Эта часть книги будет особенно полезна для советских специалистов, поскольку в отечественной литературе вопросы применения ОУ освещены крайне бедно.

В приложениях изложены вопросы теории ОУ и методы измерения их параметров.

В целом книга, несомненно, будет весьма полезна как разработчикам операционных усилителей, так и широкому кругу специалистов по электронике, автоматике и вычислительной технике.

.Д. Е. Полонников



ПРЕДИСЛОВИЕ

Операционные усилители становятся основой для решения целого ряда аналоговых задач в измерительной и вычислительной технике и в области систем управления. Появление этих экономичных и функционально гибких элементов произвело переворот в области аналоговой электронной техники, где операционные усилители стали основными компонентами. Однако, как обычно происходит в таких случаях, практика в этой быстро ра-. стущей новой области .электроники опередила теорию. В 1964 г.

фирма Burr-Brown опубликовала Справочник по применению . операционных усилителей . С тех пор появился целый ряд работ, в которых сокращенно излагались отдельные вопросы. В настоящей книге сотрудники фирмы Burr-Brown полно излагают вопросы проектирования и применения операционных усилителей, а также теорию и методы измерения параметров операцион-. ных усилителей. Ряд выводов касается как теории, так и инженерной практики. Следует надеяться, что это поможет развитию техники операционных усилителей, сделав доступной информацию, не опубликованную ранее.

С развитием интегральной технологии методика расчета и применения операционных усилителей становится важным орудием в руках разработчика линейных схем. Его должны заинтересовать рассмотренные в ч. I дифференциальные каскады и каскады с непосредственными связями, являющиеся основными функциональными узлами. Те, кто занимается применением, найдут ценный материал в ч. II.

Различные основные аспекты техники операционных усилителей рассмотрены в обеих частях и в двух приложениях. Часть I посвящена проектированию операционных усилителей и позволяет глубже понять физическую сущность отдельных параметров операционных усилителей и указать методы управления этими параметрами. Часть II представляет обширный перечень практических применений операционных усилителей с описанием принципа действия. Материал изложен таким образом, что дает воз-можность перейти от описанных конкретных схем к проектиро-[ ванию. Далее, в приложении А даны определения параметров, ,<.. характеризующих операционные усилители, приведены соответствующие схемы и описаны методы измерений. Для тех, кто



8 Предисловие

знаком с операционными усилителями, будет полезно изучение первой и второй частей с использованием приложений, как справочного материала. Тем, кто желает глубже понять существо вопроса, рекомендуется начать ознакомление с приложений, а затем приступать к основному материалу книги.

В ч. I освещены вопросы проектирования операционных усилителей; рассмотрение начинается с характеристик биполярных и полевых транзисторов, затем переходят к характеристикам отдельных каскадов и наконец к многокаскадному операционному усилителю. В гл. 1 книги описаны сигнальные характеристики дифференциального каскада исходя из параметров полупроводниковых приборов. Для облегчения анализа понимания принципа действия дифференциального каскада проводится аналогия с известными схемами с общим эмиттером и с общим истоком. Далее, в гл. 2 анализируются погрешности по постоянному току и шумы дифференциального каскада с целью выявления соответствующих источников. Результаты анализа использованы при расчете схем компенсации дрейфа напряжения смещения. Получены удобные расчетные соотношения и графики. В гл. 3 дан обзор практических схем входных, промежуточных и выходных каскадов, описаны характеристики отдельных каскадов. Комбинация этих отдельных каскадов образует операционный усилитель, и характеристики усилителя в целом определяются взаимодействием отдельных каскадов, описанным в гл. 4. В этой же главе обсуждается взаимодействие сигнальных параметров и параметров, характеризующих погрешности различных каскадов, включая простой метод нахождения частотной характеристики группы последовательно включенных каскадов. Высокое усиление, обеспечиваемое операционным усилителем, дает возможность выполнять ту или иную функцию, используя различные цепи отрицательной обратной связи. Характеристики усилителя, определяемые обратной связью, анализируются в гл. 5. Рассмотрена устойчивость работы с замкнутой обратной связью, достигаемая с помощью коррекции, в установившемся и переходном режимах работы усилителя, включая приближенный метод расчета степени немонотонности характеристик.

В ч. II, которая начинается с гл. 6, сделана попытка показать основные принципы работы, помогающие читателю обобщить материал и воспользоваться схемами для решения конкретных задач. Рассмотрены наиболее распространенные примеры применения операционных усилителей в линейных устройствах, в том числе усилителя с различными видами обратных связей. Глава 7 посвящена нелинейным задачам, которые можно решать с помощью операционных усилителей. Здесь описаны ограничители, функциональные преобразователи, логарифмические усилители



предисловие

И ряд аналоговых множительных устройств. В гл. 8 приведен расчет практических схем активных фильтров на основе операционных усилителей. В гл. 9 дан обзор различных переключающих устройств и схем квантования на операционных усилителях. Сюда входят мультиплексоры, преойразователи аналог-цифра и цифра-аналог, фиксирующие схемы и различные типы пиковых детекторов и компараторов. В гл. 10 описан целый ряд генераторов сигналов - синусоидального, треугольного, прямоугольно-, го, пилообразного напряжения и т. д. Наконец, гл. 11 иллюстрирует использование операционных усилителей в схемах модуляторов и демодуляторов.

Джеральд Дж. Грэм Джин В. Тоби





Часть I. Проентирование

1. МАЛОСИГНАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО КАСКАДА

Каскад дифференциального усилителя, представленный на схеме фиг. 1.1, создает большое усиление по напряжению для разностных сигналов, приложенных между его входами; в то же время усиление синфазных напряжений, общих для обоих входов, гораздо меньше. В результате полезные дифференциальны^е сигналы усиливаются при незначительном влиянии синфазных помех. Подобные помехи часто возникают вследствие падения напряжения источника сигнала в длинных линиях связи или от наводок, но они, как будет показано ниже, сильно ослабляются дифференциальным каскадом. Дифференциальный каскад обеспечивает также развязку величин напряжений рабочих точек по входу и выходу благодаря своим синфазным характеристикам. Из-за малости синфазного усиления большие изменения синфазного сигнала на входах незначительно изменяют режим выходных цепей.

В этой главе будут исследоваться сигнальные характеристики дифференциальных каскадов на биполярных и полевых транзисторах. Дифференциальное и синфазное усиления и соответствующие частотные характеристики описываются на основе упрощенного метода, опирающегося на подобие дифференциальных схем и схем включения транзисторов с общим эмиттером или общим истоком. Далее проводится анализ влияния разбалансов


дифференциальных схем на чув-

Ф и г. 1.1. Основная схема дифференциального каскада на бииоляр-ных транзисторах.



ствительность к синфазным сигналам; такие разбалансы приводят к тому, кто коэффициент подавления синфазной помехи имеет конечную величину. В некоторых случаях делаются ссылки на другие главы, в которых проводится более подробный анализ. В заключение приводится ряд примеров схемных модификаций дифференциального каскада, позволяющих улучшить некоторые характеристики.

1.1. Низкочастотные характеристики для дифференциального сигнала

Как известно, дифференциальный каскад состоит из двух усилителей на транзисторах Qi и Q2. включенных по схеме с общим эмиттером (фиг. 1.1). Это обстоятельство позволяет применять хорошо изученный метод анализа каскадов с общим эмиттером, в котором учитывается путь прохождения сигнала. Цепь для дифференциального сигнала Еш включает внутренние сопротивления источников, переходы эмиттер - база и резисторы, включенные в эмиттеры обоих транзисторов. В случае малых сигналов и при согласованных параметрах транзисторов и резисторов Eid поделится поровну между обеими половинами каскада, как показано на фиг. 1.1. Влияние рассогласованности элементов схемы рассматривается в разд. 1.4. Деление величины Eid пополам приводит к появлению равных и противоположно направленных изменений токов в эмиттерах обоих транзисторов. В результате полная величина тока смещения-, поступающего через син-




Фиг. 1.2. Схема, сбалансированная для дифференциального сигнала (а); эквивалентная схема на одном транзисторе (б).



фазный резистор Rcm, остается неизменной. Входной сигнал вызывает изменения токов коллекторов, которые создают равные и противоположно направленные напряжения выходного сигнала Eoi и £02, обусловливая возникновение напряжения дифференциального выходного сигнала Еоа-

Поскольку дифференциальные сигналы не влияют на ток через резистор Rcm, последний можно не учитывать при данном анализе. Отбрасывая этот резистор, получаем упрощенную схему с общим эмиттером (фиг. 1.2,а). К каждому транзистору приложена половина входного сигнала, следовательно, справедливо соотношение

С

(Э lr,(f-a)

Ф и г; 1.3. Схема замещения биполярного транзистора.

Р = 200; гс(\-а)=\ МОм

т

при /с = 30 мкА, Гс{1 - а) = = 100 кОм при 1с = 1 мА; Ге= = KT/qle = 25 мВ/1е при 25 °С.

Al--Ач = Ео\ - Еда,

где Al и Ла - коэффициенты усиления по напряжению каскадов на транзисторах Qi и Q2, рассматриваемых как усилители по схеме с общим эмиттером.

Для сбалансированной схемы Ai = А2 и дифференциальное усиление равно

-.=-

Таким образом, коэффициент усиления дифференциального сигнала равен коэффициенту усиления одной половины дифференциальной схемы.Иными словами, усиление сигнала транзисторным каскадом по схеме включения с общим эмиттером, идентичного одной половине дифференциальной схемы, соответствует усилению, которое дает каскад в целом. Это позволяет применить к расчету дифференциального усиления на основе эквивалентной схемы фиг. 1.2,6 метод анализа каскада с общим эмиттером [1].

Модель транзистора на фиг. 1.3 учитывает основные характеристики, важные для низкочастотных усилителей по схеме с общим эмиттером. Сопротивление области базы опущено, поскольку оно Не оказывает существенного влияния на описываемые здесь свойства каскада. Дляуказания типовых значений малосигнальных параметров используется обозначение Т. Проводимость обратно смещенного коллекторного перехода учитывается в эквивалентной схеме сопротивлением Лс(1 - а), которое




Фиг. 1.4. Схема для определения коэффициента усиления.

создает обратную связь между коллектором и эмиттером и нагружает выходной генератор тока. Использование данной модели в эквивалентной схеме каскада с общим эмиттером приводит к схеме замещения для анализа усиления на основе схемы фиг. 1.4 при допущении /?е<1СЛс(1-а). Решение системы уравнений для контурных токов дает следующее выражение для коэффициента усиления по напряжению дифференциального каскада в области низких частот:

(1.1)

где Re = RE + Ге, Re < Гс(1 - а). Обычно величина сопротивления коллекторного резистора много меньше Гс(1 - а), и выражение (1.1) упрощается, приобретая вид

= 10-г- 100,

(1.2)

где 1/р.

Типичная величина сопротивления Гс{1 - а) составляет несколько мегаом при токе коллектора 30 мкА. При увеличении тока это сопротивление уменьшается; одновременно необходимо снижать и величину сопротивления коллекторного резистора, чтобы уменьшить падение напряжения на нем, ограниченное источником питания. В результате упрощенное выражение (1.2) оказывается с11раБедливым для большинства случаев. Когда точ-



1 2 3 4 ... 51

Яндекс.Метрика