9.6. Генераторы тока в эмиттерной цепи

Для увеличения значения К_ОСС необходимо решить задачу с противоречивыми на первый взгляд требованиями:

• ток в общей эмиттерной цепи должен быть большим, чтобы обеспечить малые значения ,

• сопротивление общей эмиттерной цепи тоже должно быть большим, чтобы обеспечить большие значения К_ОСС,

• напряжение питания ±V₀ должно сохраняться в обычных пределах.

Оказывается, эти требования достаточно просто совместить, если учесть, что эмиттерная цепь должна иметь большое сопротивление только при возможных изменениях тока. Такими свойствами обладает БТ и ПТ в активном режиме на пологом участке выходной характеристики I_K = f(U_КЭ) или I_C = f(U_СИ).

Рис.9.8. Выходная характеристика ПТ КП303Д.

На Рис.9.8. приведена выходная характеристика ПТ, полученная в программе EWB5.0с. В режиме покоя ПТ в активном режиме обеспечивает ток ~ 10мА. При изменении напряжения U_СИ на 5В значение I_C изменяется ~ на 0.2мА (измерено по курсорам). Это соответствует сопротивлению ~ 25кОм.

Рис.9.9. Генератор тока на ПТ в эмиттерной цепи.

Схема с использованием ПТ в эмиттерной цепи ДК приведена на Рис.9.9. Для большей достоверности приведена модель схемы из EWB50с с результатами. В эмиттерной цепи находится т.н. генератор тока – схема, обеспечивающая сравнительно большие токи и большие дифференциальные сопротивления.

Как видно из результатов характеристики на Рис.9.7 (показания курсоров) и схемы на Рис.9.9 (показания амперметров pA0 и pA1), схема одновременно обеспечивает:

значения ,

эффективное сопротивление ,

показатели достигаются при напряжении питания .

Пример 9.3. Определить показатели схемы на Рис.9.9 с учетом свойств ПТ, как генератора тока.

Действие U_BX.1 = 20мВ, U_BX.2 = 25мВ, выход с R_K1.

Выходное напряжение без учета действия СС

Выходное напряжение с учетом действия СС

.

Свойство подавления синфазного сигнала используют при удаленной передаче в условиях низкочастотных наводок – Рис.9.9.

Рис.9.10. Подавление наводки при передаче сигнала в дифференциальном виде.

В хороших усилителях значение достигает десятков тысяч и более и оказывается возможной передача слабого сигнала на фоне достаточно больших наводок.

Другое применение генератора тока – каскад сдвига уровня, рассмотренный в пп.9.4.

Рис.9.11. Каскад сдвига уровня с генератором тока (а - на ПТ, б – на БТ).

Еще раз отметим основные принципы использования ПТ/БТ в схемах генератора тока:

• со стороны затвора/базы создается постоянный ток стока/коллектора, при котором транзистор находится в активном режиме,

• и ПТ, и БТ в активном режиме находятся на "пологой" части выходной характеристики,

• при изменении напряжения сток-исток (или коллектор-эмиттер) значения IC/IЭ меняются очень незначительно, что соответствует большому значению внутреннего сопротивления.

10. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

10.1. Общие сведения

Операционный усилитель (ОУ) – это устройство, предназначенное для проведения различных операций с аналоговыми сигналами при наличии внешней цепи отрицательной обратной связи. C формальной точки зрения операционный усилитель – это усилитель постоянного тока со следующими особенностями:

• дифференциальный вход,

• высокое входное сопротивление

• высокий коэффициент усиления по напряжению.

Все современные ОУ выпускаются в интегральном исполнении. Структура ОУ приведена на Рис.10.1.

Рис.10.1 Структурная схема ОУ

Вход, с которого напряжение передается на выход со сменой знака, называется инвертирующим (И-вход), обозначается с использованием обычного знака инверсии. Вход, с которого напряжение передается на выход с тем же знаком, называется неинвертирующим (НИ-вход).

СДК производит преобразование любого вида входного сигнала в разностный выходной сигнал

(10.1)

В качестве входных транзисторов входного ДК чаще всего используются ПТ, что обеспечивает очень высокое входное сопротивление (до 10¹⁰Ом). В идеальных ОУ принимают R_ВХ  ∞ и, как следствие, I_ВХ = 0.

НСДК переводит разностный сигнал в несимметричный вид

(10.2)

U_НСДК.П - постоянное напряжение покоя на выходе НСДК при U₁ = 0.

СДК и НСДК совместно задают общий коэффициент усиления K_D

(10.3)

Отличительной особенностью ОУ являются очень большие значения K_D в диапазоне (10⁴ ÷ 10⁶). В идеальных ОУ принимают K_D  ∞. После НСДК никакие преобразования, связанные с входными напряжениями U_НИ и U_И, не производятся.

Следует также отметить, что в эмиттерных цепях СДК и НСДК используются генераторы тока. Это обеспечивает очень высокое значение К_ОСС. В идеальных ОУ принимают K_ОСС  ∞.

КСУ производит алгебраическое сложение U₂ с постоянным напряжением U_СДВ.

(10.4)

Необходимость КСУ объясняется тем, что при U_НИ = U_И = 0В напряжение U₂ ≠ 0В. Для нормальной работы ОУ требуется именно, чтобы в режиме покоя U_ВЫХ = 0В. Фактически КСУ убирает постоянную составляющую U_НСДК.П из напряжения U₂, но делает это путем компенсации без использования разделительного конденсатора. Поэтому ОУ может использоваться для усиления как переменных, так и "постоянных" – очень медленно изменяющихся сигналов.

Выходной каскад (ВК) представляет собой схему с общим коллектором (эмиттерный повторитель), который имеет достаточно малое выходное сопротивление. Само напряжение U₃ при этом практически не изменяется, т.е. К_ВК  1. Обычно в ОУ выходной эмиттерный повторитель выполняют двухтактным, чтобы обеспечить одинаковые условия для выходного напряжения обоих знаков.

После компенсации постоянной составляющей в КСУ

(10.5)

Официальное УГО ОУ, применяемое в настоящее время показано на Рис. 10.2а

Рис.10.2. УГО ОУ (а – официальное, б – старое, но часто применяемое)

Однако, в литературе при описании конкретных схем еще достаточно часто встречается изображение Рис.10.2б. (без указаний выводов питания).