ренциального усилителя, схема источника стабилизированного тока оказывает обратное действие, так что ток дифференциального усилителя возрастает. Таким образом, значение этого тока поддерж,ивается неизменным.

В каскаде на транзисторе Qz осуществлена температурная компенсация при помощи диодов, включенных в цепи смещения между базой и эмиттером. Эти диоды имеют с переходом база - эмиттер приблизительно одинаковые температурные характеристики и компенсируют любое изменение тока между базой и эмиттером Q3, возникающее вследствие изменений температуры.

1.1.2. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОТНОСЯЩИЕСЯ К СИНФАЗНЫМ ПОМЕХАМ

Термины синфазный сигнал (помеха) и ослабление синфазного сигнала (помехи) используются применительно к операционным усилителям очень часто, но между изготовителями до сих пор не достигнуто согласие относительно точного определения этих терминов.

Один изготовитель определяет ослабление синфазного сигнала CMR (иногда обозначается CMrej) или же коэффициент ослабления синфазного сигнала CMRR как отношение коэффициента усиления дифференциальных сигналов (обычно большая величина) к коэффициенту усиления синфазных сигналов (обычно меньше единицы). При этом ОУ обычно обладает большим усилением для дифференциальных сигналов (на входные клеммы подаются разные сигналы или одна входная клемма заземляется, а на другую подается сигнал), но малым усилением (фактически даже ослаблением - коэффициент усиления меньше единицы) для синфазных сигналов (на обе входные клеммы подаются одинаковые сигналы).

Другой изготовитель определяет CMR как отношение изменения выходного напряжения к вызывающему его изменению входного синфазного напряжения, поделенное на коэффициент усиления при разомкнутой обратной связи в усилителе.

Приведем пример использования второго определения. Предположим, что синфазный входной сигнал (приложенный к обоим входам одновременно) равен 1 В, результирующее выходное напряжение I мВ и коэффициент усиления при разомкнутой обратной связи-100.

Тогда

Напряжение выходного сигнала/напряжением

Коэффициент усиления при разомкнутой ОС входного сигнала 0,001/1

= 100ООО- = -100 дБ.

При ином методе вычисления CMR величину выходного сигнала делят на коэффициент усиления при разомкнутой обратной связи, что дает величину эквивалентного дифференциального входного сигнала. Затем величину синфазного входного сигнала делят на величину эквивалентного дифференциального входного сигнала. При тех же исходных цифрах, что и в предыдущем примере, CMR определяется следующим образом:

Напряжение выходного сигнала

Коэффициент усиления при разомкнутой ОС

= Напряжение эквивалентного дифференциального входного сигнала = A2! L 0,00001 В; -= 100 000 = 100 дБ

100 0,00001 1UUUUU - 1UU до.

Но по каким бы формулам ни вычислялось ослабление синфазного сигнала CMR, эта величина показывает степень баланспровкн дифференциального каскада, ибо в идеальном случае синфазный сигнал должен одинаково усиливаться обоими транзисторами основной схемы. Большой выходной сигнал при данной величине синфазного входного сигнала является признаком сильного разбаланса каскада, т. е плохого CMR. При разбалансе каскада синфазный сигнал, пройдя этот каскад, становится дифференциальным.

Как и коэффициент усиления, CMR обычно падает с увеличением частоты. Для предварительной оценки можно предложить следующее эмпирическое правило: во всем рабочем интервале частот ОУ CMR дифференциального каскада должно быть по меньшей мере на 20 дБ выше, чем коэффициент усиления при разомкнутой обратной связи.

1.1.3. СИММЕТРИЧНЫЕ ВХОДНЫЕ СИГНАЛЫ И ТОКИ ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Поскольку теоретически дифференциальный усилитель чувствителен только к разности двух входных сигналов, нет надобности, чтобы источник сигнала был

заземлен - он может быть симметричным относительно земли . Поэтому ОУ с дифференциальным входом часто используют, когда входной сигнал поступает от источника типа моста (например, от (мостового датчика), а источник питания заземлен.

Съем сигналов с незаземленных источников может создавать определенные трудности. Когда вход симметричный, экран кабеля, соединяющего ОУ и источник

Источнин сигнала Г 1

Мостовой датчик

Экран кабеля Дисрдзеренциалс \ Сигнал I нче Входы

~ Токи заземления

Рис 1 3 Схема соединения мостового датчика с дис :ны\1 усилителем

зсреициаль-

сигнала, можно подсоединять не к земле источника сигнала, а к земле шасси. Однако между этими далеко разнесенными землями могут действовать как переменное, так и постоянное напряжения, вызывающие появление паразитных токов (их называют токами заземления, а цепи, по которым они протекают, - контурами заземления). Это иллюстрируется рис. 1.3.

Заметим, что источник сигнала соединен с землей датчика. Эта точка соединена с землей усилителя через экран кабеля Земля ОУ соединена с одним из дифференциальных входов через внутреннюю емкость усилителя (обозначенную Свнут), даже если между землей и входной клеммой усилителя с симметричным входом и нет соединения по постоянному току. Тот же дифференциальный вход соединен с источником сигнала через подводящие сигналы провода и элементы датчика (в данном случае резисторы моста). Таким образом, токи заземления идут но тем же цепям, что и токи сигнала Это может привести к разбалансировке дифференциального усилителя. Кроме того, высокочастотные помехи, воспринимаемые экраном, поступают на входы

усилителя не как синфазные, а как паразитные дифференциальные сигналы, что приводит к появлению паразитных выходных сигналов.

Один из методов борьбы с этим нежелательным явлением иллюстрирует рис. 1.4. Здесь входные цепи дифференциального усилителя окружены специальным за-щитным экраном. Этим не только достигается экрани-

Мостовой источник датчик сигнала \--------1

Шасси

Токи заземления

Рис. \Л. Принципиальная схема операционного усилителя с защитной экранировкой симметричного входа, уменьшающей емкость между сигнальными проводниками и землей

ровка дифференциального усилителя от высокочастотных помех, но и обеспечивается электростатическое экранирование путем разбивки внутренней емкости Свнут на две последовательно включенные емкости Са и Св. При этом проходящие по контурам заземления паразитные сигналы переменного тока встречают гораздо большее реактивное сопротивление. Усилитель этого типа называют усилителем с симметричными входами или усилителем с защитной экранировкой входов.

1.1.4. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

С БАЛАНСНЫМИ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМИ

КАСКАДАМИ

Наиболее расиространенным типом ОУ, выполняемого в виде линейной ИС, является ОУ с балансными дифференциальными каскадами. Типичная схема такого ОУ приведена на рис. 1.5. Вся ИС монтируется в плоском керамическом корпусе общей площадью менее 3 см с 14-ю выводами. Отметим, что схема не содержит внутренних конденсаторов, а используются толь-

ко резисторы и транзисторы Основное ее назначение- давать выходной сигнал, прямо пропорциональный разности двух сигналов, приложенных к ее входам Схема, приведенная на рис 1 5, имеет усиление при разомкнутой обратной связи около 2500

Как видно из рисунка, ОУ состоит в основном из двух каскадов дифференциальных усилителей и выход-

Неинверти рующии блод

1 2п

5яП Yt) /fisu

{\f8 r\fu /5(1 S,8h г^к V ( Q>)

[6) V-Подложка

Рис 1 5 Принципиальная схема интегрального ОУ типа СА3008 фирмы <RCA

ного (с несимметричным выходом) каскада, причем все они соединены последовательно, т е сигнал с выхода одного каскада поступает на вход другого Большую часть \снления обеспечивает пара последовательно соединенных дифференциальных Клскадов

Входные цепи Входные сигналы подаются на базы транзисторов Qi и Q2 первого дифференциального каскада, эмиттеры которых соединены между собой на коротко Инвертирлчошим входом ОУ является база транзистора Q2, а неинвертируюни1м - база транзисто ра Qi Когда неинвертирующий вход заземлен, а сигналы подаются только на ннвертируюни1Й вход, на выходе ОУ действует усиленная и инвертированная по фазе копия входного сигнала (как описано в 1 I 1)

Первый дифференциальный каскад. Транзисторы Qi и Q2 вырабатывают сигналы, подаваемые на второй дифференциальный каскад. В первом дифференциальном каскаде имеется источник стабилизированного тока на транзисторе Qe, обеспечивающий стабилизацию смещения на транзисторах Qi и Q2. Если напряжение питания возрастает, что должно было привести к увеличению тока через Qi и Q2, то возрастает и обратное смещение на Qe. В результате ток через Qi и Q2 уменьшается, чем компенсируется влияние увеличения напряжения питания.

Диод D\ обеспечивает температурную компенсацию в первом дифференциальном каскаде. Если возрастает рабочая температура ОУ, что должно было бы привести к увеличению тока через Q\ и Q2, то соответственно возрастает и ток через Di (поскольку диод сформован на том же -кремниевом 1кристалле, что и транзисторы). Это возрастание тока через D\ приводит к увеличению обратного смешения на Qe, чем компенсируется влияние иовышенной температуры.

Второй дифференциальный каскад. Транзисторы Qs и Q4, эмиттеры которых соединены между собой накоротко, образуют второй дифференциальный каскад, парафазно управляемый сигналами с выходов первого дифференциального каскада. Стабилизация смещения на втором дифференциальном каскаде обеспечивается источником стабилизированного тока на транзисторе Q7. Температурную компенсацию во втором дифференциальном каскаде, равно как и в источнике стабилизированного тока Qg выходного каскада, обеспечивает диод D2.

Каскад отрицательной обратной связи. Транзистор Q5 вырабатывает сигнал отрицательной ОС, снижающей погрешности за счет синфазных сигналов, появляющиеся, когда на оба входа ОУ подаются одинаковые входные сигналы. Транзистор Q5 воспринимает сигнал, который вырабатывается в общей эмиттерной цепи транзисторов Q3 и Q4. Поскольку второй дифференциальный каскад управляется парафазно, сигнал на эмиттерах Q3 и Q4 в случае, когда первый дифференци-ал1>ный каскад и базовые цени второго каскада хорошо согласованы, равен нулю и синфазный входной сигнал на втором каскаде отсутствует.

Ослабление синфазного сигнала. Часть любого синфазного сигнала (помехи), появляющегося

на эмиттерах транзисторов Q3 и Q4, передается через^ транзистор Q5 на резистор R2 (общий коллекторный резистор транзисторов Qi, Q2 и Q5) в такой фазе, что результирующая погрешность из-за синфазной помехи, уменьшается. Из эмиттерной цепи транзистора Q5 часть того же сигнала помехи передается также на транзистор Q7 (источник стабилизированного тока) во втором дифференциальном каскаде, в результате чего начальнаяр погрешность еще более уменьшается.

Компенсация изменений напряжения-питания. Транзистор Qs вырабатывает также сигналы обратной связи, компенсирующие эффекты усиления синфазных сигналов, появление которых вызвано изменениями напряжения питания. Например, уменьшение-положительного напряжения питания приводит к уменьшению напряжения на эмиттерах Q3 и Q4. Это отрицательное изменение напряжения передается через эмит-терную цепь Q5 на базы источников тока Q7 и Qg. Тогда^ через эти транзисторы начинает течь меньший ток. Уменьшение коллекторного тока Q7 приводит к уменьшению тока через Qs и Q4, так что напряжения на коллекторах этих транзисторов возрастают. Тем самым частично компенсируется уменьшение этих напряжений, возникающее вследствие понижения положительного напряжения питания.

Частично компенсированное уменьшение напряжения-на коллекторе Q4 непосредственнно передается на базу Qa и далее через эмиттер на базу Qw Здесь происходит дальнейшая компенсация уменьшения напряжения за счет увеличения напряжения на коллекторе транзистора Qg.

Подобным же образом транзистор Q5 обеспечивает обратную связь, компенсирующую влияние увеличения положительного напряжения питания (или изменений отрицательного напряжения питания). В результате стабилизации обратной связью, обеспечиваемой транзистором Qs, интегральный ОУ, схема которого приведена на рис. 1.5, обладает высоким CMR, прекрасной устойчивостью при разомкнутой ОС, а также низкой чувствительностью к изменениям напряжения питания. Все эти характеристики, как показывается в последующих параграфах этой главы, критичны для работы ОУ.

Выходной каскад типа эмиттерного повторителя, содержащий транзисторы Qs, Qg и Q\o, обеспечивает требуемую выходную мощность ОУ и наряду с этим

выполняет функцию компенсации изменений напряжения питания Выход второго дифференциального усилителя непосредственно связан с базой Qs, а из эмиттерной цепи Qs, сигнал подается на базу выходного транзистора Qio

Так как эмиттер выходного транзистора Qio соединен с эмиттерной цепью транзистора Qo (через общую точку резисторов R\6 и Rn), то достигается некоторое, небольшое по величине, дополнительное усиление сигнала Без этого соединения транзистор Qg можно было бы рассматривать просто как каскад, отводящий от эмиттерной цепи Qs неизменную по величине часть тока В результате же соединения выходной каскад в целом может обеспечить усиление сигнала между коллектором выходного транзистора второго дифференциального каскада Q4 и выходом ОУ до 1,5 раза Хотя может показаться, что это небольшое усиление не имеет особого значения, на самом деле оно увеличивает возможности достижения в ОУ максимального размаха напряжения на выходе

Выходной сигнал ОУ снимается с эмиттера выходного транзистора Qio, так что уровень напряжения постоянного тока (уровень постоянной составляющей) в этой точке значительно ниже, чем на выходе второго дифференциального каскада (иа коллекторе транзистора Q4) Таким образом, выходной каскад настолько сдвигает уровень постоянной составляющей напряжения на выходе ОУ, что он, по существу, остается таким же, как на входах ОУ при отсутствии внешнего сигнала Проблема сдвига уровней постоянной составляющей рассматривается в следующем параграфе.

Резистор R\s, включенный последовательно с выводом 8, увеличивает способность ОУ противостоять коротким замыканиям по переменному току в нагрузке, когда вывод 8 накоротко соединяется с выводом 12 и Ri5 оказывается включенным между выходом и шиной отрицательного напряжения

1.1.5. СДВИГ УРОВНЯ ПОСТОЯННОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ

В любом многокаскадном усилителе с непос редственчыми связями, выполняется ли он на дискретных компонентах или в интегральной форме, уровень постоянной составляющей в каждом последующем каскаде 22

возрастает, приближаясь к напряжению питания. В линейных ИС на /г-р-/г-каскадах положительная постоянная составляющая все более возрастает, и если размах сигнала на выходе должен быть значительным, уровень (ПОСТОЯННОЙ составляющей необходимо скомпенсировать, т. е. сдвинуть в сторону отрицательного напряжения. Например, если напряжение питания равно 10 В, а напряжение на выходе в отсутствие сигнала равно 9 В, максимальный размах выходного сигнала ограничен величиной менее 1 В.

Поскольку в ОУ используются внешние цепи обратной связи, в них особенно важно обеспечить компенсацию смещения уровня постоянной составляющей. Операционные усилители должны иметь одинаковые (предпочтительно нулевые) уровни постоянной составляющей на входе и выходе, с тем чтобы включение обратной связи по постоянному току не приводило к какому-либо изменению положения рабочих точек (уровней смещения на переходах) схемы. Например, если напряжение-на входе равно нулю, а напряжение на выходе 3 В, замыкание внешней обратной связи через резистор приведет к тому, что уровень напряжения на входе станет равным 3 В.

Наиболее распространенным методом компенсации смещения уровней постоянной составляющей между входом и выходом ИС является использование выходного каскада, подобного показанному на рис. 1.5. Транзистор Qs действует как входной развязывающий каскад, а транзистор Qg, по существу, является каскадом, отводящим неизменный по величине ток из эмиттерной цепи Qs. Сдвиг уровня постоянной составляющей достигается за счет падения напряжения на резисторе Ri, вызываемого коллекторным током транзистора Qg. Эмиттер выходного транзистора Qw соединен с э.миттеро,м Qg (через R\8 из общей точки 17 и Rie). Обратная связь через Ri8 уменьшает падение напряжеяшя на R14 для отрицательных перепадов выходного сигнала и увеличивает его для положительных перепадов выходного сигнала.

Схема рис. 1.5, если правильно рассчитана, может обеспечить значительное усиление по напряжению, высокое входное и низкое выходное сопротивления и максимальный размах выходного сигнала, приблизительно равный сум.ме положительного и отрицательного напряжений питания. Кроме того, в этой схеме осуществляется требуемый сдвиг уровня постоянной составляющей.

Далее, в этой схеме можно ввести между выходом и входом такую обратную связь, которая компенсирует влияние синфазных сигналов постоянного тока, возникающих вследствие изменений напряжений питания.

1,1.6. ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫЕ ОУ

В схему рис. 1.6 внесены некоторые улучшения по сравнению со схемой рис. 1.5. Операционный усилитель на рис. 1.6 содержит два дифференциальных каскада, за которыми следует выходной каскад, работающий в режиме класса В. Эмиттерные повторители,

® Ф Ф

Рис 1 6 Принципиальная схема интегрального ОУ типа САЗОЗЗА фирмы RCA

установленные на входах, обеспечивают исключительно высокое входное сопротивление (типовое значение 1,5 МОм) и низкий входной ток (определения терминов входное сопротивление и входной ток приведены в § 1.3). Включение эмиттерных повторителей на входах дает то дополнительное преимущество, что значительно -снижается емкость Миллера у дифференциального каскада, так что входная емкость ОУ оказывается меньше, чем у аналогичной схемной конфигурации с одно-транзисторным|И входами. 24