Основы работы усилителя на постоянном токе

Аномалии входного каскада ОУ

Сигнал проходит через операционный усилитель, начиная с входного каскада. При выборе усилителя любой разработчик должен, в первую очередь, тщательно изучить параметры внешнего сигнала на входе ОУ. Полезно будет знать, например, каков предполагаемый диапазон напряжений входного сигнала. Если диапазон напряжения входного сигнала равен напряжению между шинами питания (от шины до шины) и допускается работа ОУ с положительным коэффициентом усиления, то для такой схемы вполне подойдет операционный усилитель с диапазоном входного напряжения от шины до шины. Если эти условия не выполняются, то разработчик может выбрать усилитель, не работающий с входными сигналами в диапазоне от шины до шины. В любом случае, разработчик должен знать, что при подаче на входы усилителя, работающего в режиме от шины до шины, сигнала с уровнем напряжения, равным максимальному значению синфазного сигнала, может измениться напряжение смещения ОУ. На Рис. 6.1 показан пример такого изменения для КМОП операционного усилителя, работающего с входными сигналами от шины до шины.

В операционных усилителях с диапазоном входного сигнала от шины до шины используются две пары дифференциальных транзисторов

Рис. 6.1. В операционных усилителях с диапазоном входного сигнала от шины до шины используются две пары дифференциальных транзисторов (комбинированный входной каскад, Рис. 6.2е). Изменение напряжения смещения на входе происходит из-за того, что входное синфазное напряжение проходит через области, в которых одна из двух дифференциальных пар включается или выключается. В данном случае усилитель имеет две переходные области, в которых изменяется напряжение смещения, хотя некоторые усилители с диапазоном входного сигнала от шины до шины имеют только одну переходную область.

Изменение напряжения смешения на входе усилителя с диапазоном входного сигнала от шины до шины обусловлено конфигурацией входного транзисторного каскада. Диапазон входных напряжений зависит больше от схемного решения входной цепи, чем от технологии изготовления кристалла. Входной каскад операционного усилителя может быть выполнен по биполярной или КМОП-техноло- гии. Во втором случае входной дифференциальный каскад реализуется на основе /7-канальных МОП-транзисторов (р-МОП, англ, рMOS), л-канальных МОП- транзисторов (л-МОП, англ. aMOS) или может быть комбинированным /7-МОП/л-МОП (/>MOSAjMOS).

Диапазон входных напряжений усилителя зависит от схемы входного каскада

Рис. 6.2. Диапазон входных напряжений усилителя зависит от схемы входного каскада. Дифференциальный каскад на входе усилителя может быть выполнен по />-МОП-технологии (я), допускающей размах напряжения на входе ниже отрицательного напряжения источника питания, или по п-МОГ1 -технологии (б), где допускается размах напряжения входного сигнала выше положительного значения источника питания. В комбинированном входном каскаде (в) применяются дифференциальные каскады p-МОП- и л-МОП-типа, поэтому размах входного напряжения может быть больше напряжения положительной шины и меньше напряжения отрицательной шины питания.

В схеме на Рис. 6.2 показаны варианты реализации КМОП-топологии, которые подойдут и для биполярных входных каскадов усилителей, если заменить д-МОП- и /?-МОП-приборы соответственно на п-р-п- и /?-я-/?-транзисторы. Проблемой биполярных входных каскадов по-прежнему остаётся разброс напряжения смешения на входе плюс дополнительная погрешность, вносимая входным током смещения (несколько наноампер) биполярных транзисторов, источниками которой являются втекающий ток базы я-/>-я-транзистора (коллектор я-типа, база /ьтипа и эмиттер я-типа) или вытекающий ток базы р-я-/ьтранзистора (коллектор р-типа, база я-типа и эмиттерр-типа).

В схеме на Рис. 6.2а в качестве входных используются />-МОП-транзисторы (Q и Q2). В этой схеме транзисторы выходят из активной области при подаче на их затворы напряжения, которое на 0.2...0.3 В ниже отрицательного напряжения источника питания. То же самое произойдет и при напряжении, которое на несколько сотен миливольт меньше напряжения положительного источника питания. Таким образом, уровень входного сигнала для усилителя с входным я-МОП- каскадом находится в диапазоне от Kss- 0.2 В до PDD —1.2 В.

Как видно из Рис. 6.26, при использовании дифференциального каскада на я- МОП-транзисторах входной сигнал ограничивается вблизи отрицательного значения источника питания. В этом случае верхнее значение входных напряжений будет на несколько десятых вольта выше напряжения положительной шины питания, а нижнее значение — только на 1.2 В выше напряжения отрицательной шины питания. Этот вариант для ОУ с однополярным питанием, в отличие от схемы на Рис. 6.2я, распространён не так широко, так как большинство аналоговых сигналов отсчитываются относительно потенциала земли, а не относительно положительного напряжения питания.

Ограничения для входных каскадов (Рис. 6.2я и Рис. 6.2б) обычно не являются проблемой, хотя вам и может показаться, что вы работаете с устройством с диапазоном входного сигнала от шины до шины. Коэффициент усиления при замкнутой цепи ОС большинства операционных усилителей, работающих в устройствах, больше или равняется двум, поэтому выходное напряжение усилителя достигнет значения положительного питания раньше, чем входное.

Усилители с диапазоном входного сигнала от шины до шины чаще всего применяются в качестве буферных или инструментальных усилителей. В комбинированном входном каскаде (Рис. 6.2е) используются />-МОП- и я-МОП-транзисто- ры, поэтому такой усилитель объединяет в себе преимущества обеих технологий и весьма эффективен при работе с входными сигналами, которые действительно имеют диапазон от шины до шины. Когда напряжение на входах приближается к уровню отрицательной шины питания, р-МОП -транзисторы полностью открываются, а я-МОП-транзисторы полностью закрываются. И наоборот, я-МОП- транзисторы работают, а />-МОП-транзисторы отключаются, когда напряжение на входе приближается к уровню положительной шины питания.

При таком варианте реализации входного каскада ОУ может работать с входными сигналами в диапазоне от шины до шины, но это влечёт за собой определённое ухудшение рабочих характеристик, например большой разброс напряжения смешения. Вблизи потенциала земли преобладают ошибки, связанные с напряжением смешения />-МОП дифференциального каскада. Что касается области вблизи положительного напряжения источника питания, то здесь ошибки, вызванные напряжением смешения, в значительной степени определяются дифференциальным каскадом на я-МОП-транзисторах.

Графики на Рис. 6.3 наглядно отображают эти рабочие характеристики. Они показывают, что при комбинированной топологии входного каскада напряжение сме

Рис. 6.3. Эти характеристики показывают зависимость напряжения смещения на входе от напряжения синфазного сигнала для трёх разных КМОП операционных усилителей при различных температурах и при однополярном источнике питания с напряжением 5.5 В. Все три усилителя могут работать с входными сигналами в диапазоне от шины до шины.

щения может существенно изменяться как по величине, так и по знаку, если напряжение синфазного сигнала на входах усилителя превышает допустимый уровень.

На Рис. 6.3 показаны рабочие характеристики трёх различных КМОП-усили- телей с одинаковой схемой входного каскада (комбинированный р-МОП/я-МОП дифференциальный каскад на Рис. 6.2е). Усилитель, характеристики которого показаны на Рис. 6.3а, — это быстродействующий (10 МГц) прецизионный ОУ. При низких входных напряжениях на его входе включается дифференциальный каскад на р-МОП-транзисторах и выключается я-МОП-каскад. При повышении входного напряжения приблизительно до 4.0 В включается дифференциальный каскад на я-МОП-транзисторах.

Усилитель на Рис. 6.36 представляет собой ОУ с полосой пропускания 1 МГц и с такой же схемой входного каскада, что и в предыдущем устройстве, но дифференциальный каскад на я-МОП-транзисторах включается при входном напряжении, превышающем 4.4 В. Наконец, усилитель, показанный на Рис. б.Зв, имеет две переходные области на рабочей характеристике, которые появляются по мере роста напряжения синфазного сигнала на входе. При очень низких напряжениях синфазного сигнала работает дифференциальный усилитель на р-МОП-транзисторах при отключённом каскаде на я-МОП-транзисторах; при возрастании синфазного входного напряжения происходит быстрое включение дифференциального каскада на я-МОП-транзисторах, а в диапазоне напряжений приблизительно от 0.5 до 4.6 В работают уже оба дифференциальных каскада. При дальнейшем повышении входного напряжения примерно до 4.75 В дифференциальный каскад на /?-МОП-транзисторах начинает отключаться, оставляя работать каскад на я-МОП-транзисторах.

Если подобные изменения напряжения смещения нежелательны, то разработчик может создать собственный вариант схемы инвертирующего усилителя. На Рис. 6.4б показан пример такой схемы.

Если входное напряжение изменяется от шины до шины, то буферный усилитель, или повторитель напряжения

Рис. 6.4. Если входное напряжение изменяется от шины до шины, то буферный усилитель, или повторитель напряжения (а) с однополярным питанием должен обеспечивать возможность работы с таким сигналом. Но если коэффициент усиления отрицательный (б), то напряжение синфазного сигнала на входе будет оставаться на уровне Eref-

Схема на Рис. 6.46 лучше всего подходит для работы в приложениях с однополярным источником питания, поскольку при отрицательном коэффициенте усиления напряжение усиленного сигнала складывается с положительным напряжением смешения. На рисунке приведено выражение для передаточной функции. В этой схеме напряжение синфазного сигнала на входе остаётся постоянным и равным

поэтому можно обойтись без усилителя, работающего с сигналами от шины до шины; единственное требование для ОУ в этой схеме — диапазон напряжений синфазного сигнала должен включать и значение EDD х R2/(R + R2).

Тем не менее, вас не должно пугать изменяющееся напряжение смещения, если всё-таки нужно работать с входными сигналами от шины до шины. Усилители с входом от шины до шины нужны в схемах с однополярным питанием при использовании буферного (Рис. 6.4а) или инструментального усилителя. Следует только убедиться, что если напряжение сигнала на любом из входов усилителя выходит за пределы указанного в технической документации диапазона, то на выходе усилителя установится напряжение питания одной из шин, не важно какой.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >