Главная » Мануалы

1 ... 10 11 12 13 14 15 16 ... 51

Фиг. 3.14. Эквивалентная схема выходного эмиттерного повторителя в режиме классов АВ или В для случая, когда один из транзисторов закрыт.

Фиг. 3.15. Выходной каскад с управляемой динамической нагрузкой.

С учетом величины Ci приобретает вид

miRcc

при С„ Сс2, Rl > Re

(3.30)

Вторым основным типом выходного каскада является схема с динамической управляемой нагрузкой, распространенная в ламповой технике. Она может быть приспособлена и для реализации в интегральном виде, если использовать полевой транзистор с р - п-переходом, как показано на фиг. 3.15. Такая схема обеспечивает не только преобразование сопротивлений, но и дает усиление по напряжению. Рассматриваемый ниже каскад представляет собой транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером и нагруженный на управляемый источник тока. Входное сопротивление остается тем же, что и в обычной схеме с общим эмиттером, и его величина, как указывалось ранее, приближенно равна Re. Зависимость тока истока Is полевого транзистора от коллекторного тока h биполярного улучшает как усиление По напряжению, так и выходное сопротивление. Увеличение тока h под действием сигнала приводит к соответствующему повышению напряжения затвор - исток Vqs и к уменьшению тока h- Изменения величин /с и / одинаково влияют на выходной ток. Таким образом, полевой транзистор вносит свой вклад в усиление по току.

Анализ усиления и выходного сопротивления производится на основе эквивалентной схемы фиг. 3.16, полученной из схем

Фиг. 3.16. Эквивалентная схема по переменному току каскада с управляемой динамической нагрузкой

замещения биполярного транзистора (фиг. 3.7) и полевого (фиг. 3.8). При обычных значениях сопротивлений Rs и Rl влияние параметров Ro и rs пренебрежимо мало, и их можно не учитывать. Используя данную аппроксимацию, получаем выражение для коэффициента усиления по напряжению на низких частотах при условиях Rs + Rb<. Гс (1 - а) и Rl <. rds в виде

л„=5Л>. (3.3

Р

Сравнение полученного результата с выражением (3.12) для усиления каскада с общим эмиттером показывает, что добавление полевого транзистора повышает усиление пропорционально величине 1 -f gfsRs- Выходное сопротивление может быть определено, если известны напряжение холостого хода и ток короткого замыкания эквивалентной'схемы. В этих условиях нагрузочный резистор не оказывает влияния на работу каскада, а величинами Ro и rds можно пренебречь. Получаем

Rnr.

ras + Roi + BisRs)

(3.32)

Улучшение, достигнутое благодаря зависимости тока истока от коллекторного, вновь оказывается пропорциональным величине 1 + essRs- При условии Rs = 0 верхняя часть схемы превращается в независимый источник тока. Выходное сопротивление каскада с динамической нагрузкой весьма велико по сравне-

НИЮ СО значением Ro для эмиттер- о-ного повторителя. В уравнении 1/+ (3.32) величины rs и Ro порядка 200 кОм, при этом выходное сопротивление будет около 25 кОм. Снижение выходного сопротивления обеспечивается отрицательной обратной, связью, которая почти всегда используется в схемах с операционными усилителями.

Частотная характеристика рассматриваемого каскада оказывается довольно сложной из-за того, что в схеме имеется несколько емкостей; тем не менее нетрудно найти частоту главного полюса передаточной функции, если прене- . бречь влиянием остальных полю-

/?< (V-E,)/2

сов. в случае типовых величин со- / Eg

R> (EJv-)/2

(ЕМ/2]

противлении главный полюс обус- о ловлей высокой величиной входной емкости из-за эффекта Миллера в биполярном транзисторе. Отбрасывая все остальные емкости и пренебрегая шунтирующим действием сопротивлений Ro и rds на Rl, определяем входную емкость в соответствии с методом, изложенным в разд. 1.2. Имеем

Фиг. 3.17. Высоковольтный выходной каскад с последовательным включением транзисторов.

Тогда частота полюса равна

lGie + Rs + l)Cc

(3.33)

Обычно частота fp имерт величину порядка нескольких МГц, а частоты остальных полюсов по крайней мере в 10 раз выше.

Рассмотрим теперь несколько распространенных типов выходных каскадов, являющихся разновидностями основной схемы в режиме класса АВ (фиг. 3.12). Последовательное включение нескольких низковольтных транзисторов, показанное на фиг. 3.17, зачастую выгоднее, чем использование дорогого высоковольтного. Как видно из схемы, режимные и сигнальные напряжения на каждом из транзисторов уменьшаются

Фиг. 3.18. Выходной каскад повышенной мощности на параллельно включенных эмиттерных повторителях.

Фиг. 3.19. Выходрюй каскад с использованием пары транзисторов р - п - р и п - р - п вместо мощного транзистора р - п -р.

вдвое, если в каждое плечо добавляется по одному транзистору. Дополнительные транзисторы задают пониженные напряжения на коллекторах основных. При изменении сигнала эти напряжения также изменяются, в результате полный размах напряжения на выходе каскада ограничен значениями напряжений источников питания. Дальнейшее снижение максимального напряжения коллектор - эмиттер осуществляется при последовательном включении еще большего числа транзисторов.

Увеличение числа выходных транзисторов позволяет повысить допустимые значения выходных токов операционного усилителя. Можно, конечно, использовать и более мощные транзисторы, однако, как и в случае высоковольтного каскада, применение нескольких маломощных транзисторов часто оказывается выгоднее. В этом случае транзисторы включаются параллельно, и выходной ток, как видно из фиг. 3.18, распределяется между двумя или более транзисторами. Особое внимание следует уделить выравниванию токов между транзисторами. Это достигается при помощи раздельных резисторов в эмиттерных цепях. Если два транзистора, включенные параллельно, имеют общий эмиттерный резистор, то распределение токов обусловлено температурно-зависимыми напряжениями эмиттер - база. Допустим, что через один из транзисторов проходит больший ток, чем через другой. Тогда первый из них сильнее нагреется, и его ток еще более увеличится. Эмиттерные резисторы выбираются такими, чтобы падения напряжений на

них под нагрузкой были соизмеримы с напряжениями эмиттер -- база; это позволяет избежать описанной выше ситуации, возникающей при больших выходных токах.

Кремниевые р - п - р-транзисторы с повышенной мощностью рассеяния обычно стоят дороже, чем их п - р - п-ана-логи, и их труднее получать в интегральном исполнении. В этом случае может оказаться целесообразной замена р - п - р-транзистора парой транзисторов разных типов проводимости с общей обратной связью, включенных по схеме фиг. 3.19. Транзистор типа р - п - р управляет выходным напряжением на эмиттере почти так же, как обычный эмиттерный повторитель. Однако выходной ток протекает главным образом через п - р - п-транзистор. База последнего подключена к коллектору транзистора р - п - р, через который протекает сравнительно небольшой ток. В результате мощный транзистор имеет проводимость типа п - р - п, а маломощный может быть типа р - п - р.

Многие применения операционных усилителей не требуют заземления нагрузки. При этом, например в случаях громкоговорителей или реле, можно использовать симметричный выход. Такое решение обеспечивает удвоение размаха выходного -напряжения и развязку нагрузки от земли. Симметричный выход получается при помощи включения двух выходных каскадов, сигналы на которые подаются с разных половин дифференциальной схемы, как показано на фиг. 3.20. Здесь можно использовать любой из рассмотренных выше типов выходных

f V,

Ф и г. 3.20, Дифференциальный выходной каскад в режиме класса ав.

каскадов. Оба выхода работают в противофазе, и выходное напряжение удваивается по сравнению с напряжением между каждым из выходов и землей. Амплитуда выходного сигнала оказывается больше напряжения питания и способна (в пределе) Превысить это напряжение вдвое. Симметричный выход может привести к увеличению напряжения смещения нуля операционного усилителя. Если обратная связь подается только с одного из выходных зажимов, -то из-за различия параметров двух каналов, по которым проходит усиливаемый сигнал, на выходе возникает дифференциальное напряжение смещения. При отсутствии специальной балансирующей схемы это смещение может достичь нескольких сот милливольт. Симметричная обратная связь, подаваемая с обоих выходов, устраняет данную погрешность, но выходные рабочие точки будут иметь синфазное смещение. Дополнительная цепь синфазной обратной связи позволяет существенно уменьшить его.

3.4. Ограничение выходного тока

Допустимая величина тока, отдаваемого операционным усилителем в нагрузку, определяется предельной температурой переходов, выходных транзисторов. Температура перехода зависит от температуры окружающей среды, рассеиваемой на транзисторе, мощности и теплового сопротивления, которое характеризует теплоотдачу транзистора. Для конкретного корпуса теп-ловое сопротивление постоянно, и может быть определена допустимая мощность рассеяния при заданной максимальной температуре окружающей среды. Управление мощностью, рассеиваемой в выходных каскадах усилителей, обычно осуществляется при помощи схем ограничения тока. Необходимый уровень ограничения зависит от условий работы выходных цепей. Мощность рассеяния на транзисторе определяется как произведение максимально допустимого выходного тока на падение напряжения на транзисторе, соответствующее максимальной величине тока. Это напряжение, как будет показано ниже,зависит от вида нагрузки.

При выборе уровня ограничения часто рассматривается не только режим нормальной работы, но и аварийный режим, например случаи короткого замыкания на землю или одну из шин питания. В нормальном режиме при положительной полярности сигнала мощность на транзисторе Qi выходного каскада в режиме класса АВ по схеме фиг. 3.21 равна

P\=hiy+ - Ec) = hiy+ - I(RL) при условии Ri>Re. Дифференцируя данное выражение по /о, находим выходной ток, соответствующий максимальной мощности рассеяния. Эта величина и есть искомый предельный уровень Iql, при котором-

еще обеспечивается нормальная рабо- \/о-та выходной цепи. Имеем

l0L =

1± 2R,

(3.34)

Фиг. 3.21. Выходной эмиттерный повторитель в режиме класса АВ при воздействии сигнала положительной полярности.

Отсюда можно найти минимальное значение сопротивления нагрузки, соответствующее допустимому току, в виде

Rl min -

Если нагрузка удовлетворяет этому условию, то нет необходимости в дополнительных защитных мерах. В случае нагрузки емкостного характера следует принимать во внимание вели- [/ чину полного сопротивления на высоких частотах, чтобы устранить возможную перегрузку. Превышение допустимого режима может возникнуть из-за случайного короткого замыкания по выходу. Избежать подобной ситуации помогает дополнительная схема ограничения. Как правило, эта схема служит для предотвращения перегрузки при коротком замыкании на землю или в случае превышения тока через емкостную нагрузку. В этих случаях напряжение на транзисторе Qi по схеме фиг. 3.21 может достичь практически величины V+ при малых значениях Re. При коротком замыкании на землю необходимый уровень ограничения выходного тока равен

/oitf-. (3.35)

Иногда возникает необходимость защиты от перегрузки вследствие емкости между выходом и шиной питания или просто от короткого замыкания на эту шину. Напряжение на выходном транзисторе при этом может достичь величины V+ - V , и необходимый уровень ограничения равен

V+-V-

(3.36)

Известно несколько распространенных типов схем токовой защиты в операционных усилителях. Выбор одной из них определяется главным образом соображениями точности ограничения и сложности схемы. Точность ограничения характеризуется

отношением величины максимального выходного тока к той величине, при которой еще не ощущается действия цепей защиты. Иными словами, способность защитной схемы контролировать мощность рассеяния, не внося искажений в сигнал, амплитуда которого близка к порогу ограничения, определяется точностью схемы токовой защиты. В случае выходного каскада, работающего при больших токах, рекомендуется использовать схемы с повышенной эффективностью, позволяющие пропускать сигнальные токи, близкие к порогу ограничения. Если же мощность, рассеиваемая на транзисторах под .действием сигналов, значительно ниже предельно допустимой, то можно обойтись менее эффективной схемой защиты. Такая схема, в которой максимальный ток ограничен дополнительными резисторами, включенными последовательно в коллекторные цепи эмиттерных повторителей выходного каскада, приведена на фиг. 3.22. Подобные резистивные ограничители уменьшают мощность, рассеиваемую на транзисторах, линейно снижая падение напряжения на транзисторах при увеличении тока до тех пор, пока транзистор не войдет в насыщение.

В случае короткого замыкания выхода на землю величина тока ограничена коллекторными резисторами и равна

Фиг. 3.22. Резистивная схема защиты в выходном каскаде на основе эмиттерного повторителя.

или

при Rc > Re-

Ограничение сигнального выходного тока происходит при меньших уровнях, а именно

V+-E

l0L=-

при Eq > 0.

(3.37)

Хотя этот уровень гораздо меньше, чем ток короткого замыкания, эффективность схемы все же не так низка, как может показаться. Полезный сигнальный ток на выходе следует сравнивать не с током короткого замыкания, а с током, соответствующим максимальной рассеиваемой мощности, поскольку именно последняя и является решающим фактором. Мощность на транзисторе Qi при /о /с равна

Pi--Io{V-IoRch

Фиг. 3.23. Ограничение выходного тока с помощью защитных диодов.

Фиг. 3.24. Схема ограничения выходного тока на транзисторах.

И величина выходного тока в режиме, ограничена значением.

близком к точке А max.

Подстановка найденного значения /ог, в выражение для мощности Pi позволяет определить требуемую величину сопротивления защитного коллекторного резистора. Получаем

,р . (3.38)

4>1 max

Для типовых значений диапазонов изменения выходного сигнала и напряжений источников сигнала отношение тока /ох соответствующего максимальной рассеиваемой мощности, к амплитуде сигнального выходного тока равно приблизительно 2,5 : 1. При той же самой мощности идеальная защитная схема будет пропускать в 2,5 раза большие сигнальные токи, чем схема фиг. 3.22.

Большая точность ограничения достигается в схемах с использованием нелинейных элементов, например диодов Ds. и Dk на фиг. 3.23. Эта схема приводится в действие падением напря-Нения, возникающим на резисторе Re при протекании выходного тока. При увеличении тока через транзистор Qi это падение напряжения начнет смещать диод £>з в прямом направлении, что очевидно из выражения

VFZ==hRE-k-ybe\~Vрх URe, справедливого при ££1 l/fi.

Проводимость диода d3 будет шунтировать ток источника h и тем самым ограничивать базовый ток транзистора Qi на уровне, необходимом для поддержания диода в режиме прямого смещения. Из этих соображений находим предельный уровень выходного тока ч

/oi-. , (3.39)

где /о. /е.

В рассматриваемой схеме достигается отношение предельного тока к максимальной неискаженной амплитуде выходного сигнала порядка 1,2 : 1. Точность определяется в основном прямым сопротивлением защитного диода. Хотя такая диодная защита обеспечивает хорошую точность, порог ограничения оказывается температурночувствительНым, вследствие зависимости напряжения Vbe в уравнении (3.39) от температуры. К счастью, температур1;ый коэффициент отрицателен (около -0,3%/°С), и это помогает управлять температурой перехода, снижая уровень ограничения при повышении температуры окружающей среды. Подобными же характеристиками обладает транзисторная схема токовой защиты (фиг. 3.24). Напряжение, возникающее на резисторе Re под действием выходного тока, открывает дополнительный транзистор, который при этом уменьшает базовый ток выходного транзистора. Точность порога ограничения й его температурная зависимость определяются характеристиками эмиттерного перехода защитного транзистора и аналогичны рассмотренному ранее случаю диодной защиты.

Имеется еще ряд защитных схем с нелинейной положительной обратной связью, в которых выходной ток после превышения пороговой величины уменьшается. Такая характеристика хотя и приводит к снижению рассеиваемой мощности, нежелательна для операционных усилителей. В самом деле, рассматриваемая схема обладает двумя устойчивыми состояниями и может не возвратиться в исходное состояние после снятия перегрузки. Тогда потребуется выключение источника питания для перехода к нормальному режиму. Кроме того, при емкостной нагрузке на повышенных частотах величина выходного тока будет часто достигать предельного значения. В этом случае защитная схема приведет к уменьшению тока, перезаряжающего емкость нагрузки и уменьшит скорость нарастания сигнала.

Как уже говорилось, эффективность схем токовой защиты характеризуется тем, насколько хорошо происходит ограничение тока при отсутствии искажений сигналов, амплитуда которых ниже предельной. Недостаточная точность и влияние емкостной нагрузки или триггерный эффект принципиально обусловлены характеристиками ограничительных схем и дей-

1 ... 10 11 12 13 14 15 16 ... 51