Эффект Миллера.
Емкость ограничивает скорость изменения напряжения в схеме, так как любая схема имеет собственные конечные выходные импеданс и ток. Когда емкость перезаряжается от источника с конечным сопротивлением, ее заряд происходит по экспотенциальному закону с постоянной времени RC; если же емкость заряжает идеальный источник тока, то снимаемый с нее сигнал будет изменяться по линейному закону. Схема на рисунке иллюстрирует, как проявляются емкости переходов транзистора. Выходная емкость образует RC-цепь с выходным сопротивлением . Усилитель обладает некоторым коэффициентом усиления по напряжению , следовательно, небольшой сигнал на входе порождает на коллекторе сигнал, в раз превышающий входной (и инвертированный по отношению к входному). Из этого следует, что для источника сигнала емкость в раз больше, чем при подключении между базой и землей. Эффективное увеличение емкости и называют эффектом Миллера.
Существует несколько методов борьбы с эффектом Миллера. Например, он может быть полностью устранен, если использовать усилительный каскад с общей базой. Импеданс источника можно уменьшить, если подавать сигнал на каскад с заземленным эмиттером через эмиттерный повторитель. На рисунке показаны еще 2 возможности. В дифференциальном усилителе (без резистора в коллекторной цепи ) эффект Миллера не наблюдается; эту схему можно рассматривать как эмиттерный повторитель, подключенный к каскаду с заземленной базой. На второй схеме показано каскадное включение транзисторов. - это усилитель с заземленным эмиттером, резистор является общим коллекторным резистором. Транзистор включен в коллекторную цепь для того, чтобы предотвратить изменение сигнала в коллекторе (и тем самым устранить эффект Миллера) при протекании коллекторного тока через резистор нагрузки. Напряжение - это фиксированное напряжение смещения, обычно оно на несколько вольт превышает напряжение на эмиттере и поддерживает коллектор в активной области.
Интегральные операционные усилители (ОУ) и их применение. Разновидность и обозначение ОУ. Типы входных каскадов. Упрощенная схема ОУ. Назначение каскадов. Коэффициент ослабления синфазного сигнала и влияние напряжения сигнала. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики, основные параметры ОУ. Способы уменьшения напряжений сдвига и дрейфа. Граничная частота усиления и максимальная скорость нарастания выходного сигнала
Операционный усилитель (ОУ)- усилители с гальваническими (безконденсаторными) связями, которые имеют дифференциальный вход, один выход и работают при наличии глубокой ОС, которая практически полностью определяет параметры и характеристики устройств, собранных на них.
Во-первых, операционный усилитель обладает таким большим коэффициентом усиления по напряжению, что изменение напряжения между входами на несколько долей милливольта вызывает изменение выходного напряжения в пределах его полного диапазона, поэтому не будем рассматривать это небольшое напряжение, а сформулируем правило I:
I. Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю.
Во-вторых, операционный усилитель потребляет очень небольшой входной ток (ОУ типа LF411 потребляет 0,2 нА; ОУ со входами на полевых транзисторах - порядка пикоампер); не вдаваясь в более глубокие подробности, сформулируем правило II:
II. Входы операционного усилителя ток не потребляют.
Здесь необходимо дать пояснение: правило I не означает, что операционный усилитель действительно изменяет напряжение на своих входах. Это невозможно. (Это было бы не совместимо с правилом II.) Операционный усилитель "оценивает" состояние входов и с помощью внешней схемы ОС передает напряжение с выхода на вход, так что в результате разность напряжений между входами становится равной нулю (если это возможно).
Эти правила создают достаточную основу для рассмотрения схем на операционных усилителях.
ОУ подразделяются по следующим признакам:
· ОУ общего применения
· Мощные ОУ
· ОУ с управляемыми параметрами
· Быстродействующие ОУ
К основным параметрам ОУ относятся следующие:
· Напряжение ИП
· Коэффициент усиления
· Входное сопротивление
· Потребляемый от ИП ток или потребляемая мощность
· Коэффициент ослабления синфазного сигнала [дБ]
· Скорость нарастания выходного напряжения. Она показывает быстродействие ОУ [B/мкС ]
Обозначение:
«-» - инвертирующий вход
«+» - неинвертирующий вход
Полное обозначение: В соответствии с ГОСТ 2759-82 обозначение элементов аналоговой техники выполняется на основе прямоугольника.
Не во всех ОУ есть выводы земли, если он не нужен, то его не рисуют.
Fc – выводы для подключения цепей частотной коррекции.
Nc – выводы для подключения цепей коррекции начального смещения.
Разновидности ОУ.
К140УД1, УД2, УД5, УД7, УД9, УД10, УД11, УД12, УД13, УД14, УД17, УД18, УД20;
К153УД1, УД2, УД3, УД4, УД5, УД6;
К154УД1, УД2, УД3, УД4;
К157УД1, УД2;
554УД1, УД2;
551УД1, УД2;
553УД1;
574УД1, УД2, УД3;
710УД1;
740УД1, УД3, УД4, УД5;
К1401УД1, УД2;
К1407УД1, УД2, УД3, УД4;
К1408УД1;
К1409УД1.
Операционный усилитель состоит из 3-х основных каскадов:
1) дифференциальный каскад выполняет роль ослабления синфазного сигнала, помех, температуры, и влияния напряжения сигнала (Кu=10÷50). Он должен обладать высоким входным сопротивлением для согласования с генератором.
2) каскад с общим эмиттером с источником тока в коллекторной цепи - основной усилительный каскад напряжения Ku=103..105, который получается за счет использования в качестве коллектора нагрузки источник тока;
3) двухтактный эмиттерный повторитель в режиме класса В – предназначен для согласования высокого входного сопротивления источника тока с невысоким сопротивлением нагрузки, кроме этого обеспечивает усиление мощности выходного сигнала.. Кроме того, ОУ может содержать схему защиты выхода от КЗ, схему защиты входа от перенапряжения.
Кроме основных каскадов ОУ может содержать :
· схему защиты выхода от КЗ
· защиту выхода от перенапряжений
· схему сдвига уровня напряжения для исключения постоянного Uвых
· схему ООС по синфазным ошибкам усиления
Упрощенная принципиальная схема ОУ:
По типам входных каскадов ОУ делятся:
| тип входных каскадов | особенности |
| на БПТ | широкий диапазон применения, хорошая балансировка, высокое входное сопротивление, больший сдвиг и дрейф |
| на ПТ | высокое входное сопротивление, большой сдвиг и дрейф нуля по сравнению с БПТ |
| на БПТ со сверхвысоким усилением (транзисторы супер β) | обеспечивают входное сопротивление, сопоставимое с каскадом на ПТ, величина сдвигов, и дрейфов как у обычных БПТ; |
| с гальванической изоляцией входа от выхода | используется электрическая модуляция или оптические методы (оптрон). Применяется в медицине и технике высоких напряжений. Обладают наименьшимиз известных сдвигом и дрейфом выходного напряжения. |
| на варикапе | имеют очень малый входной ток смещения, используются для усиления тока на фотоумножителях. |
Характеристики ОУ:
Входные параметры:
- входное напряжение
- входное сопротивлени
- max диф. входное напряжение
- max синфазное входное напряжение
- входной ток смещения
- разность и дрейф входных токов
Выходные параметры:
- max выходные U и I
- выходное сопротивление
- min сопротивление нагрузки
- параметры смещения
- дрейф (температурный и временный)
Выходное сопротивление ОУ должно быть минимально возможным с целью исключения колебаний выходного напряжения на нагрузке, изменяющей свое сопротивление при неизменном входном сигнале.
Энергетические параметры:
- max потребляемые токи от обоих источников питания
- суммарная потребляемая мощность.
Динамические:
- скорость нарастания
Важнейшими характеристиками ОУ являются амплитудные (передаточные) Uвых=f(Uвх) и амплитудно-частотные (АЧХ) кU(f).
Амплитудно-частотная характеристика имеет вид АЧХ усилителя постоянного тока за исключением специальных частотнозависимых устройств (избирательный усилитель и др.). Передаточные характеристики имеют линейный участок, для которого кU= =const, и нелинейный - кU¢<кU. При реализации конкретных устройств используют линейные и нелинейные участки. Рассмотрим примеры построения устройств на базе ОУ.
Если необходима большая амплитуда на max частоте выходного неискажённого сигнала либо форма сигнала не синусоидальна, а импульсная с большой крутизной фронтов, необходимо применять ОУ с высокой скоростью нарастания напряжения (это осуществляется опережающей внутренней или внешней коррекцией ОУ, что приводит к неустойчивой работе при малых коэффициентах усиления). На некоторой частоте начинает влиять паразитная ёмкость первого усилительного каскада, в дополнение к влиянию ёмкости второго усилительного каскада, который начинает сказываться с частотой несколько сотен Гц.
Частотная характеристика:
Полоса пропускания 1МГц означает, что
кu·f = const.
fгр = 106Гц
Параметры ОУ:
- входные
- выходные
- усилительные
- энергетические
- дрейфовые
- частотные
- скоростные
Входными параметрами ОУ являются входное сопротивление, входные токи смещения, разность и дрейф входных токов смещения, максимальные, входные и дифференциальные напряжения. Наличие входных токов смещения обуславливается конечным значением входного сопротивления дифференциального каскада, а их разность - разбросом параметров транзисторов. Входное сопротивление ОУ рассматривается по отношению к входному сигналу. Для идеального ОУ , а на практике составляет от 300КОм до 10Мом, если дифференциальный каскад выполнен на БПТ, а если на ПТ, то Мом.
Входное напряжение, подаваемое на входы ОУ, ограничено максимальным дифференциальным входным напряжением, поэтому для исключения повреждения транзисторов дифференциального каскада между входами ОУ включают встречно-параллельно два каскада или стабилитрона.
Выходными параметрами ОУ являются выходное сопротивление, максимальное выходное напряжение и ток. ОУ должен обладать малым выходным сопротивлением для обеспечения высоких значений напряжения на выходе при малых сопротивлениях нагрузки. Диапазон реальных значений выходного сопротивления лежит в пределах от единиц до нескольких сотен Ом. Минимальное значение сопротивления нагрузки приводится в паспортных данных.
Максимальное выходное напряжение близко к напряжению питания .
Максимальный выходной ток ограничивается допустимым коллекторным током от обоих источников питания и соответственно суммарной потребляемой мощностью.
Частотные параметры определяют по АЧХ ОУ, которая имеет спадающий характер в области высокой частоты, начиная от частоты среза. Причиной этого является частотная зависимость параметров транзисторов и паразитных емкостей схемы ОУ. По инвертирующему входу ОУ обычно охватывается ООС. В области высоких частот это приводит к дополнительному (сверх 180˚) фазовому сдвигу, который в пределе может достигать значения в 360˚. Т.о возникает ПОС, что приводит к самовозбуждению схемы. Для устранения самовозбуждения в ОУ вводят внешние корректирующие RC-цепи и места их подключения к микросхеме указываются заводом изготовителем.
Динамическими параметрами ОУ являются скорость нарастания выходного напряжения и время установления выходного напряжения. Они определяются по воздействию скачка напряжения на входе на участке изменения выходного напряжения от 0,1 до 0.9 .
Для усилителей с идентичными АЧХ скорости нарастания могут отличаться в 100 и более раз.
Энергетические параметры ОУ оцениваются максимальными потребляемыми токами от обоих источников питания и соответственно суммарной потребляемой мощностью.
Примеры построения аналоговых схем на ОУ (инвертирующие и неинвертирующие усилители, повторители, сумматоры, вычитатели, интеграторы, дифференциаторы, фильтры высоких и низких частот, полосовые и режекторные фильтры, гираторы, преобразователи ток-напряжение и др). Применение ОУ в робототехнике и системах управления