Пауль Хоровиц - Искусство схемотехники. Том 1 [Изд.4-е]

Двухкаскадный усилитель с ОС. На рис. 4.73 показан еще один транзисторный усилитель с обратной связью.

Рис. 4.73.

Если рассматривать Τ1 как усилитель, который усиливает падение напряжения между базой и эмиттером (вспомним модель Эберса-Молла), то видно, что обратная связь передает на вход часть выходного напряжения и вычитает его из входного сигнала. В схеме есть небольшая хитрость: дело в том, что коллекторный резистор транзистора Т2 входит еще и в схему обратной связи. Используя описанную выше технику расчета, вы можете показать, что Kразомкн. цепь OC ~= 200.

Коэффициент передачи цепи обратной связи ~= 20,

Zвых (разомкн. цепь ОС) ~= 10 КОМ,

Zвых (замкн. цепь ОС) ~= 500 Ом,

K(замкн. цепь ОС) ~= 9,5.

Некоторые типичные схемы с операционными усилителями

На рис. 4.74 показан «декадный усилитель» со связями по постоянному току с переключением коэффициента усиления, полосы пропускания и с широким диапазоном смещения выхода по постоянному току.

Рис. 4.74. Лабораторный усилитель постоянного тока с регулируемым усилением, полосой и сдвигом выходного напряжения.

Интегральная схема ИС1 представляет собой неинвертирующий ОУ со входом на полевых транзисторах, усиление изменяется от единицы (0 дБ) до 100 (40 дБ), шаг изменения откалиброван и равен 10 дБ; для подстройки усиления предусмотрен верньер. ИС2 — это инвертирующий усилитель; он обеспечивает смещение выходного напряжения в диапазоне +10 В; подстройка выполняется с помощью резистора R14, при этом формируется ток, поступающий на суммирующий вход ИС2. Конденсаторы С2-С4 устанавливают сопрягающую частоту усиления на высоких частотах, так как часто нежелательно иметь чересчур широкую полосу пропускания сигнала (и шумов). ИС5 представляет собой усилитель мощности для низкоомных нагрузок и кабелей; схема обеспечивает выходной ток в диапазоне +300 мА.

Некоторые интересные особенности: входной резистор сопротивлением 10 МОм нельзя считать большим, так как ток смещения для ОУ типа 411 составляет 25 пА (ошибка 0,3 мВ при разомкнутом входе). Резистор R2 в сочетании с диодами Д1 и Д2 ограничивает напряжение на входе ОУ значениями от U_ до U+ +0,7 В. Диод Д3 сдвигает напряжение фиксации к U_ +0,7 В, так как диапазон синфазного сигнала ограничен значением U_ (если сигнал выходит за этот предел, то фаза выходного сигнала меняется на противоположную). При использовании показанных на схеме компонентов защиты входной сигнал может изменяться в диапазоне ± 150 В, не причиняя схеме вреда.

Упражнение 4.12. Проверьте, что коэффициент усиления схемы имеет указанное значение. Как работает схема переменного сдвига?

На рис. 4.75 показана схема, заимствованная из рекомендаций по применению ИС нескольких фирм-изготовителей.

Рис. 4.75. Генератор, управляемый напряжением.

ИС1 представляет собой интегратор, который устроен таким образом, что ток заряда С1(Uвх/200 кОм) изменяет свой знак, а не амплитуду в зависимости от состояния транзистора Т1 (находится в режиме проводимости или отсечки). Схема ИС2 образует триггер Шмитта с пороговыми уровнями, равными 1/3U+ и 2/3U_. Транзистор Т1 - это n-канальный полевой МОП-транзистор, который выполняет здесь роль переключателя; его использовать проще, чем схему на биполярных транзисторах, выполняющую такие же функции, но на всякий случай здесь же показана схема с использованием транзисторов n-p-n-типа. И в том, и в другом случае нижний конец резистора R4 заземлен при высоком уровне напряжения на выходе и разомкнут при низком уровне на выходе.

Особенность этой схемы состоит в том, что она запитана от единственного источника положительного напряжения. В ИС типа 3160 (отличается от 3130 наличием внутренней коррекции) в качестве выходных используются полевые транзисторы, благодаря которым напряжение на выходе изменяется в пределах между потенциалом земли и U+; при этом пороговые уровни в триггере Шмитта задаются точно и не имеют погрешности смещения, как это происходит при использовании в ОУ обычного выходного каскада, у которого пределы изменения выходного сигнала не заданы точно. В приведенной схеме частота и амплитуда треугольного сигнала стабильны. Обратите внимание, что частота зависит от отношения Uвх/U+; это значит, что если напряжение Uвх формируется из напряжения U+ с помощью резистивного делителя (образованного, например, некоторым резистивным преобразователем), то входная частота не будет изменяться с изменением U+, а только с изменением сопротивления.

Упражнение 4.13. Покажите, что выходная частота определяется выражением f(Гц) = 150Uвх/U+. Заодно проверьте, чему равны пороги в триггере Шмитта и токи в интеграторе.

В гл. 3 мы более или менее подробно рассмотрели линейные переключатели на полевых МОП-транзисторах. В качестве линейных переключателей можно также использовать полевые транзисторы с p-n-переходом. Однако в связи с тем что затвор не должен проводить ток, нужно проявлять особое внимание к сигналам, поступающим на него. Типичная схема показана на рис. 4.76.

Рис. 4.76.

Для того, чтобы транзистор находился в режиме отсечки, потенциал затвора поддерживается на уровне ниже потенциала земли. Это значит, что если входной сигнал становится отрицательным, потенциал затвора должен быть меньше самого отрицательного значения входного сигнала по крайней мере на величину Uотс. Для того чтобы транзистор перешел в состояние проводимости, потенциал управляющего входа должен стать более положительным, чем самое большое положительное значение входного сигнала. При этом диод смещается в обратном направлении, а напряжение на затворе устремляется к значению напряжения истока через резистор 1 МОм.

Эта схема, конечно, нескладна, и может быть поэтому в линейных преобразователях чаще используют полевые МОП-транзисторы. Однако если воспользоваться операционным усилителем, то можно сделать красивый линейный переключатель и на основе полевого транзистора с р-n-переходом. В этом случае на суммирующем переходе инвертирующего усилителя можно подключить исток транзистора к мнимому потенциалу земли. Теперь для того, чтобы включить транзистор, достаточно сделать напряжение на затворе равным потенциалу земли. Еще одно преимущество такой схемы состоит в том, что она обеспечивает возможность полного устранения ошибок, обусловленных конечной величиной сопротивления Rвкл и его нелинейностью. На рис. 4.77 представлена эта схема.

Рис. 4.77. Переключатель на полевых транзисторах с p-n-переходом, использующий в своем составе ОУ, с компенсацией Rвкл.

Следует особо отметить два свойства этой схемы: (а) Когда транзистор Т1 находится в состоянии ВКЛ (затвор заземлен), схема представляет собой инвертор с идентичными импедансами во входной цепи и в цепи обратной связи. В результате устраняются все эффекты, связанные с конечным или нелинейным сопротивлением транзистора в состоянии ВКЛ, при условии, что полевые транзисторы согласованы по Rвкл. (б) Вследствие низкого значения напряжения отсечки транзисторов схема хорошо работает, если управляющий сигнал лежит в пределах от нуля до +5 В, что как раз соответствует уровням для стандартных цифровых логических схем (см. гл. 8 и 9). Если исток транзистора Т1 подключен к мнимой земле (суммирующий вход), то инвертирующая конфигурация упрощает работу схемы, так как в состоянии ВКЛ на исток Т1 не поступает никаких сигналов. Когда Т1 находится в состоянии ВЫКЛ, диод Д1 препятствует включению транзистора при положительных входных сигналах. Когда переключатель закрыт, влияние диода Д1 никак не сказывается.