Ik2=I0/2. Uвых2=Uбал = U+-I0/2*Rk.
2.Uвх>0. Ik1=I0/2+dIk1~=I0/2+I-вх*β. Поскольку суммарный ток стабилизирован ГСТ, Ik2=I0/2-dIk2.
Вэтой схеме дифференциальный выходной сигнал не заземлен, т.е. Снимается между двумя узлами, имеющими не постоянный потенциал. Можно снимать выходные сигналы отдельно с каждого выхода относительно нуля. Дифференциальный сигнал в два раза больше несимметричного. Изменения выходных сигналов прекратятся, когда весь ток I0 будет течь через VT1. Дальнейшее увеличение сигнала не будет происходить. Каскад насытится. Максимальная амплитуда дифференциального выходного сигнала Uвых.2-Uвых.1=I0*Rk.
Способы подачи входных сигналов на дифференциальный усилитель
Картина, аналогичная рассмотренной, имевует место, если сигнал подается на базу VT2 при заземлении базы VT1. ДУ управляется разностью входных сигналов на двух входах (дифференциальным сигналом). Дифференциальный входной сигнал может быть не заземлен, а также точка его заземления может быть выбрана непроизвольно.
Рисунок 9: Дифференциальный
Дифференциальный усилитель не передает на выход одинаковые сигналы. Одинаковые сигналы на входах называют синфазными (синхронные). Есть токи базы, он потребляется от источника питания. Изменения токов коллектора возможно при изменениях токов баз. Это означает, что реальный ДУ имеет конечное входное сопротивление. Увеличение входного сопротивления возможно
только за счет увеличения β транзисторов. Используется схема составного транзисторного каскада.
β = β1*β2
Рисунок 11: Составной транизсторный каскад
В идеальном ДУ синфазные сигналы не должны передаваться на выход. Это требование соответствует целям применения ОУ в электронике. ОУ входят в состав ЦАП, активных фильтров.
Параметры ОУ
Параметры на постоянном токе
1. Коэффициент усиления дифференциального сигнала — |
Рисунок 12: |
отношения изменения выходного напряжения холостого хода |
|
на выходе к изменению дифференциального входного |
Коэффициент усиления |
напряжения при нулевом синфазном входном напряжении. |
дифференциального |
|
сигнала |
6
Всегда положительный. Дифференциальная величина. kд= Uвых/ Uд. Типовые значения kд = 105-107.
2.Дифференциальное входное сопротивление. Отношение дифференциального входного напряжения к изменению тока неинвертирующего входа. Rд = +Uд/ I.
3.Выходное сопротивление. Отношение выходного напряжения холостого хода к току короткого замыкания. Общепринятое определения выходного сопротивления. Дифференциальное определение: поскольку ОУ не выдерживает режим КЗ, Rвых измеряют косвенно. Упрощенная эквивалентная схема. Rдифф ~Мега Ом. Rсинф~Гига Ом.
Рисунок 13: Упрощенная эквивалентная схема ОУ
4.Коэффициент усиления синфазного сигнала. Должен быть равен нулю. Свойство схемы, а не источника сигнала. Один и тот же источник сигнала может рассматриваться как дифференциальный или как синфазный, в зависимости от схемы его подключения ко входу ОУ. Если сигнал источника подключен между входами, то на ОУ подается дифференциальный сигнал. Если подключен одновременно к обоим входам, то подается синфазный сигнал. Синфазное входное напряжение определяется двумя равноценными способами.
1.Uсф = (Uвх++Uвх-)/2
2.Uсф = Uвх+
Определения равноценны, поскольку Uсф=(Uвх++(Uвх+-Uд))/2 = Uвх+-Uд/2. Uд/2 → 0. В реальном операционном усилителе, выходной сигнал зависит от обоих видов
входного сигнала. Uвых = kд*Uд+kсф*Uсф. Kсф = Uвых/ Uсф. Kсф = 1...10.
Рисунок 14:
7
5.Входное сопротивление для синфазного сигнала. Отношение изменения синфазного входного напряжения к изменению тока инвертирующего или неинвертирующего входа при нулевом выходном напряжении и холостом ходе на выходе. Rвхсф = dUвхсф/dIвхсф. Дифференциальная величина. Должна быть очень большой. Достигается схемотехнически.
6.Коэффициент ослабления синфазного сигнала. Чаще используют его. Fсф = kд/kсф =
Uвых/ Uвх* Uсф/ Uвых = Uсф/ Uд. Обычно приводится в логарифмической форме. Fcф = 20lg(kд/kсф) дБ. 80...100 дБ.
Параметры, характеризующие статическую точность ОУ
Определяют качество выполнения математических операций с аналоговыми входными сигналами (интегрирование, дифференцирование, суммирование, компрессия).
1.Входное напряжение смещения. Постоянное дифференциальное напряжение, которое необходимо подать на вход, чтобы выходное напряжение стало равным нулю. Uвхсм=Uвых/kд = 1...10 мВ ОУ БТ, 10...100 мВ ОУ ПТ. Погрешность имеет аддитивный характер и представляет случайную величину. Причины возникновения напряжения смещения:
1. Несогласованность напряжения Uбэ транзисторов Рисунок 15: Входное |
|
первого каскада ОУ в активном режиме. |
напряжение смещения |
2.Rк. Поскольку все параметры транзистора сильно зависят от температуры, то и входное напряжение смещения тоже зависит от температуры.
Рисунок 16: Специальные выводы микросхем
Для балансировки усилителя и уменьшения статических погрешностей схемы, у микросхемы ОУ имеются специальные выводы. Frequency Correction, Nought Correction. С таким количеством выводом выпускались ОУ первого поколения.
Рисунок 17: |
Рисунок 18: |
|
2.Входной ток смещения. Среднее значение токов неинвертирующего и инвертирующего входов, которое соответствует нулевому выходному напряжению при
8
нулевом синфазном сигнале и холостом ходе на выходе. Iвхсм = (Iвх++Iвх-)/2. Определяет конечное входное сопротивление ОУ. Для уменьшения Iвхсм стремятся увеличить бета транзисторов входного каскада: используют супербетатранзисторы, схемы Дарлингтона. Основной мерой для уменьшения тока является использование
первого каскада в режиме микротоков. Если Ik1=Ik2, то Iвх+= βk1/ βk2, что может вызывать погрешности на постоянной составляющей на выходе.
Ur1=Iвх-*R1, Iвх-=4мА, Uд = 0,1 мкА*10кОм=1мВ, Uвых = Uд * kд → 0,1*10^3*10^6 = 100В
Используют симметрирование входной цепи.
Uд = Ur1-Ur2 = Iвх-*R1-Iвх+*R2. Iвх-=Iвх+!=0, R1=R2!=0 → Uд = 0 В реальных схемах ОУ работает с замкнутой ООС.
Рисунок 19: ОУ с замкнутой обратной связью
Условия симметрирования входной цепи: Iвх-*(R1/Rос)-Iвх+*R2. Выполнение этого условия особенно важно в диапазоне температур, так как от температуры зависит β транзистора.
Примечание: Поскольку узел А является виртуальным нулем схемы, входное сопротивление операционной схемы равно R1. Для улучшения параметров его необходимо увеличивать.
Условие симметрирования: эквивалентные сопротивления, подключенные ко входу ОУ, должны быть равны. С точки зрения улучшения параметров всей схемы, R1 желательно увеличивать.
Разность входных токов (входной ток сдвига) dIвх = Iвх--Iвх+
Симметрирование входных цепей может быть выполнено с точностью до токов сдвига, сам ток сдвига неизвестен и его невозможно рассчитать. К тому же, он зависит от температуры. Температурный коэффициент тока сдвига: dIвх/dT = (0,05нА...0,05мА)/K.
Этот ток определяется дисбалансом β1 и β2 транзисторов входного каскада. Следствие технологических погрешностей. Для уменьшения погрешности от тока сдвига, необходимо уменьшать сопротивление, подключенное ко входу ОУ.
Примечание: Типовые значения сопротивлений в схемах на ОУ 10кОм * 10 /10.
Таким образом, требования высокого входного сопротивления и высокой стабильности схемы противоречивы.
9