Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

3.2 Входные и согласующие каскады перестраиваемых ОУ.

Входной каскад ОУ определяет следующие основные параметры всего усилителя: входное сопротивление Rвх, входной ток Iвх, разность входных токов ΔIвх, напряжение смещения Uсм, рабочий диапазон синфазных ΔUсф и дифференциальных ΔUдф входных сигналов, коэффициент ослабления синфазного сигнала Kос.сф. и т.д.. Для перестраиваемых ОУ все эти параметры должны лежать в заданных пределах во всем диапазоне изменения статического режима таких усилителей.

На рис.3-5,а представлена типовая функциональная схема вход­ного и согласующего каскадов перестраиваемого ОУ [133. Она состоит из дифференциального каскада, построенного на основе многополюсников 1 и 2 (VT1,VТ2); многополюсника 3 - цепь активной нагрузки (АН); согласующего каскада - многополюсник 4 (VT5); нагрузки Rн ; управляемых источников тока Iу1 , Iу2 : переключателя режимов ПР, вырабатывающего сигналы управления Uу1 , Uу2. В качестве подсхемы АН используется повторитель тока (рис.3.5,б), при необходимости получения повышенных параметров повторителя рекомендуется использование схемы АН, представленной на рис.3.5,в [89].

Работа данной схемы при неизменном статическом режиме подробно рассмотрена в литературе [71-76]. Рассмотрим влияние изменения задающих токов Iy1 , Iy2 при переключении режимов элементом ПР на основные параметры ОУ. Напряжение смещения такого входного каскада (рис.3.5) определяется следующим выражением:

. (3.9)

В нем первое слагаемое – Uсм1 обусловлено неидентичностью многополюсников 1 и 2, второе слагаемое - Uсм2 образуется из-за неидентичности элементов активной нагрузки, третье слагаемое - Uсм3 является результатом ответвления тока во входную цепь согласующего многополюсника 4. Очевидно, что для получения нулевого значения напряжения смещения необходимо, чтобы один из слагаемых выражения (3.9) компенсировал оставшиеся. Так как варьировать первым и третьим слагаемыми во многих случаях не представляется возможным, то очевидным путем компенсации напряжения Uсм является введение регулировки в цепь активной нагрузки. При этом должно выполняться соотношение:

. (3.10)

.

.

Рассмотрим подробнее составляющие напряжения Uсм для схемы рис.3-5. Первое слагаемое определяется выражением:

 

. (3.11)

Считая, что a ≈ 1 полагаем Iэ ≈ Iк, тогда,

(3.12)

где Кан==I2/I1 - коэффициент передачи активной нагрузки. Полагая

, (3.13)

где h21э.5 - коэффициент передачи тока многополюсника 5, получаем

. (3.14)

Рассмотрим случай построения перестраиваемых ОУ без регулировки напряжения смещения. Тогда на основании выражений (3.11) – (3.14) получаем выражение для максимального напряжения Uсм:

. (3.15)

На основании выражения (3. 15) построен график (рис.3.6) при условии h21э.5=100 и jтln(Is1/Is2)=2 мВ (что является типичными значениями параметров для транзисторов в интегральном исполнении). Нормированная характеристика (рис.3.6) отражает зависимость относительного коэффициента смещения Ксм =Uсм./Uсм1 от величины отношения задающих токов Iyi/Iy2 и коэффициента Kан2 ан1=1, Kан2=1,1, Кан2 =1,2). Во многих случаях реализации перестраиваемых ОУ целесообразно, чтобы максимальное значение коэффициента Ксм не превышало 5. Тогда из рассмотрения графика (рис.3.6) очевидно, что отношение токов Iу1/Iу2 не может быть меньше 0,1 (при Кан =1). С увеличением коэффициента Кан это отношение будет увеличиваться. Следует отметить, что принципиально невозможно обеспечить Ксм<5, если коэффициент Кан превышает значение 1,3. Таким образом, при каждом переключении токов Iу1 , Iу2 должны выполняться указанные выше рекомендации.

Рассмотрим случай, когда в перестраиваемом ОУ предусмотрена регулировка напряжения смещения. С учетом выражений (3.10), (3.11), (3-14) и (3.15) получаем:

. (3.16)

Выражение (3.16) удобно представить в виде

. (3.17)

Из соотношения (3.16) на первый взгляд следует, что любые значи­тельные составляющие Uсм1 и Uсм2 могут быть компенсированы составляющей Uсм2 и не нужно особенно заботиться о минимизации составляющей Uсм2. Но идти по этому пути - значит получить большой температурный дрейф напряжения смещения. Действительно, температурное изменение тока Iэ , как правило, велико (2 раза при изменении температуры на 100°С), что обусловлено увеличением параметра h21э.5 с ростом температуры. Поэтому даже при использовании в перестраиваемых ОУ регулировки напряжения смещения необходимо стремиться к минимизации составляющей Uсм2 (Uсм3<<Uсм1) и компенсировать технологическую составляющую Uсм1 асимметрией токов I1 и I2 .

Рассмотрим зависимость слагаемого Uсм2 в выражении (3.9) от статического режима входного каскада. Повторитель тока с резисторным смещением (рис.3.5,б) позволяет уменьшить до нуля напряжение U путем подстройки резисторов R1 и R2. Коэффициент передачи такого повторителя определяется выражением:

. (3.18)

На основании выражения (3.18) построен график на рис.3.7, при следующих значениях параметров элементов: R1 =R2 =1 кОм, I1 =Iy1 /2, β>>1, Is4/Is3 =0,92. График показывает изменение коэффициента Кан в зависимости от относительного уровня втекающего тока d=I1 /I1ан=1), где I1(К=1) - величина тока, при которой коэффициент равен единице. Анализируя соотношение (3.18)

и график (рис.3.7) можно сделать вывод, что коэффициент Кан_ при уменьшении тока Iy1 увеличивается и в пределе достигает значения Кан =Is3/Is4 при Iy1≈0.

Таким образом, работая при низких значениях тока Iy1 активная нагрузка вызывает появление дополнительного напряжения смещения. Для минимизации которого требуется выполнение условия:

. (3.19)

Для компенсации составляющей Uсм1 величины резисторов R1 и R2 выбираются неравными (положим R1 =1,1, R2, I3=0). Рассмотрим влияние уменьшения тока Iу1 на эффективность работы компенсационной регулировки. На основании соотношения (3.15) с учетом выражений (3.10), (3.17) и (3.18) построен график на рис.3.8. Он отражает зависимость коэффициента Ксм от относительного уровня тока g=Iy1/Iy1 (Uсм=0), где Iу1(Uсм=0) - величина тока Iу1 при котором Uсм =0. Очевидно, что эффективность компенсации при уменьшении тока Iу1 значительно снижается. При Iу1≈0 коэффициент Ксм =1+ Uсм2 / Uсм1 . Из анализа следует, что наибольшее влияние на величину напряжения Uсм оказывает значение соотношения токов Iy1/Iy2. При малых абсолютных значениях тока Iy1 снижается эффективность компенсации за счет изменения коэффициента Кан И в этом случае минимальное значение тока Iy1 не должно опускаться ниже величины, при которой коэффициент Кан изменяется на 5%. Минимально допустимую величину тока Iy1 можно уменьшить путем увеличения абсолютных значений сопротивлений резисторов R1 и R2.

.

Рассмотрим влияние изменения задающих токов Iy1 и Iy2 на коэффициент усиления входного каскада Ку и входное сопротивление Rвх типовой схемы (рис.3.5,а). Для случая, когда и коэффициент Кy и входное сопротивление определяются выражениями:

, (3.20)

где Rвых.ан, Rвых.дк - выходные сопротивления многополюсников 3 и 2 соответственно; h21.э - коэффициент передачи тока многополюсниками 1 и 2; гэ =2jт/ Iy1. Из выражений (3.20) видно, что с ростом величины тока Iy1 входное сопротивление Rвх падает, а коэффициент Ку возрастает. Это повышает общий коэффициент усиления ОУ, что улучшает точностные характеристики устройств, но может привести к снижению запаса устойчивости. Ослабить влияние переключения тока можно путем введения резисторов Rэ1, Rэ2 (на рис.3.5,а показаны пунктиром). В этом случае:

. (3.21)

При выполнении условия 2rэ<<(Rэ1+Rэ2) коэффициент Ку и сопротивление Rвх не будет зависеть от переключения тока Iy1, при этом также увеличится диапазон дифференциального входного напряжения. Но в этом случае коэффициент усиления будет ниже, чем в случае отсутствия резисторов и напряжение смещения может возрасти из-за технологического разброса относительных величин сопротивлений.

Входной ток Iвх типовой схемы (рис.3.5,а) определяется следующим выражением:

. (3.22)

Его величина прямопропорциональна величине тока Iу1. Для исключения влияния задающего тока предлагается использовать способ компенсации входного тока. Один из вариантов схемотехнической реализации этого способа представлен на рис.3.9. Данная схема имеет низкий входной ток в широком диапазоне изменения статического режима благодаря компенсации входных токов дифференциального каскада. Если Iвх1 = Iвх.2 = Iвх и Iк1 = Iк2 =Iк то указанная компенсация выполняется при Iк = Iб. При этом необходимо, чтобы I2 = I1 /2, тогда:

.

. (3.23)

Повторитель тока на транзисторах VT8-VT10, отражает указанный ток и возвращает его на входы дифференциального каскада, обеспечивая минимальный входной ток. Ошибку из-за ненулевых базовых токов транзисторов VT8-VT10 компенсирует устройство на транзисторах VT12, VT14-VT16. При этом если 1б8=1б9=1б10 =1б12=1б0, то I6ll=Iк0+4I0 и 1б16=1б0. Выбрав коэффициент передачи повторителя тока VT14, VT15 равным 4 получаем полную компенсацию базовых токов. При разбросе параметра h21э полная компенсация достигается путем подстройки резисторов R1, R2.

Рассмотрим рабочий диапазон синфазного входного напряжения. Для схемы (рис. 3.5, а) он ограничен максимальным (Uсф.макс) и минимальным (Uсф.мин) синфазными входными напряжениями , определяемыми из выражений:

, (3.24)

где U1 – минимальное рабочее напряжение источника тока Iy1. Тогда:

. (3.25)

Очевидно, что диапазон синфазного входных напряжений типового каск­ада низок и уменьшается с ростом тока Iу1 . Для его увеличения используется схемотехнический способ, который иллюстрируется схемой (рис.3.10). Данный способ позволяет функционировать ОУ при уровнях синфазного напряжения близких к напряжению питания и общей шине, за счет использования переключаемых дифференциальных усилителей. Максимальное и минимальное синфазное напряжения данной схемы определяются из выражений:

(3.26)

Из анализа выражений (3.25), (3.26) следует, что в случае, если падение напряжения на резисторах R1-R4 меньше, чем Uбэ , то рабочий диапазон синфазного входного напряжения превышает величину напряжения питания.

Таким образом, рекомендуется организация режима переключения токов I у1 и I у2 следующими способами:

  1. Ток I у1 не переключается, но во всем диапазоне переключения тока I у2 он не должен оказывать существенного влияния на напряжение смещения. В этом случае параметры ОУ определяются параметрами входного каскада и изменяются незначительно при каждом шаге переключения.
  2. Значения токов I у1, I у2 переключаются одновременно без изменения их соотношения. В этом случае для минимизации напряжения Uсм задающий ток дифференциального каскада не должен быть ниже величины, при которой значительно падает эффективность введения регулировки. Соотношение токов Iу1/Iу2 выбирают из условия минимизации составляющей Uсм3. При этом также целесообразно вводить в дифференциальный каскад цепи компенсации входного тока. Если требуется получение стабильных коэффициента Ку и сопротивления Rвх всем диапазоне переключения, то целесообразно вводить резисторы в эмиттерные цепи дифференциального каскада.

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074