|
| |
  |
Теория строительства Книги и журналы на входе ДУ в течение переключения его выходного напряжения от исходного- значения Uo до требуемого для управления нагрузкой (например, вторым ДУ),. Лв=Рвх.п„=(Рвх.„ ,){Л,/.С, \n[0.5(\-U2/KhR,)]-). (2.2) Заменив KIrR\/U2== N, нетрудно рассчитать, что выражение в фигурных скобках, равное hU, имеет минимум при N=1, 7. Значение этого минимума (/г<п)г,ш«2,7(/2С, С. (2.3) Существование минимума можно объяснить тем, что при заданном Ui и некотором малом Кц не достигается требуемое (/г, т. е. можно считать, что требуемое Ц- со. При увеличении Кц растет исходное дифференциальное выходное напряжение Uo и оо. Следовательно, при N=1,7 время Л, в энергия Ав достигают своих минимумов, равных соответственно min=2,7 (/2Ci/A7r, Лв тш=/вх. пп mm- , г Подставляя в Ав значения Рвх. п, в которых (/вх выражено через К, а К через коэффициент усиления ДУ {Ku = ItRi/V„) , и учитывая, что N=1,7, получаем Ав /71Ш = ([y.+ l,2iCt/f/.)((/cM + (/.ln-b±g), ." (2.4) Здесь первое выражение справедливо для ДУ на биполярных транзисторах, а второе - на полевых. Эти выражения определяют минимально допустимые значения произведения Ibx{U,-\-и,) t„, где Ui=2U„ при U,2Uj„ так как/(я;1 при U,>2Uj, для ДУ, изготовленных по технологии, обеспечивающей определенные значения Ci, (/см, и„ и /121Э при заданных Кц, (/г и /г. , Например, пусть ДУ на биполярных транзисторах изготавливается по обычной технологии, использующей изоляцию элементов р-п переходом, т. е. /1213= ЮО, Ci = = 5 пФ, (/с„=5 мВ, и предназначен для работы на аналогичный ДУ, т. е. (/2 = 2фт. Если потребовать, чтобы такой ДУ имел /Су = 10 (подставив эти значения в выражение (2.4), получим Ав ™„«6-10"""* Дж) и /в> = 2 мкА, то независимо от Ubx. д> 2фт время <гтшя;Лвтт в«((/1--(/см)~4 НС (полнос врсмя персключения t„ min+Ta = 5 ,.- 7 не) и увеличивается при (/1<2фт. Следовательно, Ав mm определяет границы, правомерности исходных требований к параметрам ДУ при известной технологии изготовления. Возвращаясь к (2.2), видим, что выражение в фигурных скобках, умноженное на напряжение питания ДУ, определяет энергию А„, отбираемую ДУ от источника питания за время t„. Следовательно, равенство Л/=1,7 является и условием минимума Лп. Выражение (2.3), умноженное на U„, определяет минимально достижимую величину A„ = U„Irt„ в ДУ обоих типов, равную Л„™„=(/„/,<,я5,4(/„/СуС,(/л. (2-6) Поскольку в ДУ на биполярных транзисторах величина U„ на порядок меньше, чем в современных ДУ на полевых транзисторах, то из (2.6) следует, что во столько же раз большее быстродействие могут обеспечить первые ДУ при равных значениях потребляемой мощности. .. г  VT?] "raj- Рис. 2.4. Типовая схема 17Г+ОУ: ID / - дифференциальный усн-j литель; 2 - промежуточный уси-, литель; 3 - выходной повтори-
КШЛ- в основу современных ОУ положена трехкаскадная структура (рис. 2.4) с ДУ на входе. Для увеличения входного сопротивления промежуточного каскада (транзисторы VT6, VT11) на его входе включен эмиттерный повторитель на транзисторе VT5. Выходной каскад с низким выходным сопротивлением и защитой от короткого замыкания образуют транзисторы VT7- VTIO. На рис. 2.4 приведена упрощенная схема ОУ. Реальные схемы усилителя отличаются друг от друга схемами каскадов, технологией их изготовления и вследствие этого параметрами. В большинстве случаев для понимания особенностей применения ОУ в аппаратуре достаточно иметь представление о работе приведенной схемы. Коэффициент усиления ОУ равен произведению коэффициентов усиления ДУ и промежуточного усилителя. Коэффициент усиления входного ДУ равен произведению его крутизны 5=/1/фт на сопротивление нагрузки /?„1 = /?вых1/?вх2, где /?вых1 =/к2II/-«4 - выходное сопротивление ДУ; /?вх2 = Л21э(э5 + /г21ээб) - входное сопротивление промежуточного усилителя. Здесь через Гк обозначено сопротивление обратносмещенного перехода коллектор - база соответствующего транзистора, а через Лэ - сопротивление открытого перехода эмиттер - база. Коэффициент усиления промежуточного усилителя равен произведению его крутизны 1 /{Гэе, +Гзъ/к2\э) на сопротивление его нагрузки кхэНк, где /?и - сопротивление нагрузки на выходе ОУ. Таким образом, коэффициент усиления ОУ при низкочастотном входном сигнале /([/ = /1/г21эи/фт(1+/?Bx2 ?BbKi)- При выводе этой формулы предполагалось, что Ri> 1г21эГзб, /г21эи<Скбк11 и токи через VTS и VT4 одинаковы. При типовых для ОУ К153УД6 или К140УД7 значениях /i = 10 мкА, /2 = 300 мкА, /1213=100, /"«=1 МОм и /?н = 2 кОм получим Кцх5-10. Фактическое же Кц в этой схеме ОУ в 2 ... 3 раза меньше из-за действия внутренней цепи температурной ОС. Для получения однополюсной передаточной характеристики меж ду выходами ДУ и промежуточного усилителя включается внешний или внутренний корректирующий конденсатор Gv. Чтобы упростить получение выражения для Ки{<л), предположим, что ДУ является идеальным генератором тока перезаряда конденсатора Ск, управляемым входным сигналом. Более того, будем считать, что промежуточный усилитель тока и выходной усилитель мощности не вносят фазовых искажений. Тогда изменение выходного напряжения промежуточного усилителя равно произведению входного н;апряжения на крутизну ДУ и на сопротивление конденсатора Ск; равное1/je)Ck, т. е. Ku{p)=S/pC. Следовательно, Ka{ixi) = Ii/((>Tii)C. Это выраке-ние, справедливое для участка амплитудно-частотной характеристики с частотой входного сигнала, большей частоты первого полюса, позволяет рассчитать частоту единичного усиления f для ОУ. Эта частота, при которой /(у(сй)=1, определяется из выражения (,= = /1/2лф,Ск. Например, в ОУ К153УД6 или К140УД7 /, = 10 мкА, Ск = 30 пФ и, следовательно, fl МГц. Частота f-, является мало-сигнальным динамическим параметром ОУ, который, определяется при разомкнутой внешней ОС и малом входном напряжении.6вх(/) фт~25 мВ. Если на вход ОУ подан дифференциальный прямоугольный сигнал Un.c идеальной формы, полностью переключающий ток Jr==21i из одного плеча входного ДУ в другое, то выходное напряжение нарастает не мгновенно, а с конечной скоростью v. Минимальное значение f/n.c зависит от структурны и типа активных элементов на входе ДУ. Например, в ОУ на рис. 2.4. отношение токов в плечах ДУ равно,9 при fyn.c = 50 мВ, а при fyn.c=100 мВ это отношение примерно равно 70. В ОУ с полевыми транзисторами на входе для полного переклют чения токов в ДУ необходимо на его вход подать дифференциальное напряжение fyn.c=l ... 3 В. Для ОУ, у которого h>21\, скорость нарастания выходного напряжения будет определяться скоростью заряда Ск током 21 \, т. е. v - 2I\/Ck, и при 2/i = 20 мкА, ,Ск = 30 пФ получим о»0,67 В/мкс. Выразив Ск через f, можно для показанной на рис. 2.4 схемы ОУ записать соотношение v=inf-rIi/S, связывающее скорость нарастания выходного напряжения ОУ с его частотой единичного усиления. . . • Важной динамической характеристикой ОУ является моиностная полоса пропускания fp - частота, до которой сохраняется максимальный (обычно ±10 В) размах выходного напряжения ОУ. При f.<ifp выходной сигнал синусоидален и-равен 6вых(0=Дм sin-2nf/ при синусоидальном входном сигнале. Скорость нарастания выходного сигнала dUbx{t)/dt=ts.lJr,2nf cos 2nft. Максимальное для ОУ значение rft/Bbix/rf/= 1» достигается при /=0 на частоте./р = г;/2лД6„. Подставляя в последнее выражение o==0;67 В/мкс и Afy„=10 В, получаем «11 кГц. В зависимости от вида цепи ОС различают инвертирующее, не-инвертирующее и дифференциальное включения ОУ. Упрощенные 0 1 2 3 4 5 [ 6 ] 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 |
|||||||||||||||||||||