1tom183

7. ELEKTRONIKA

368

Wzmacniacz różnicowy (rys. 7.49) jest podstawowym układem większości wzmacniaczy operacyjnych WO (p. 7.3.4). Wzmacniacz różnicowy wzmacnia różnicę obu sygnałów wejściowych U_0l2 = Up = U₀₂ (wyjście symetryczne). Zasada działania wynika ze struktury mostkowej układu. Wzmacniacz może pracować z dwoma wejściami i jednym wyjściem asymetrycznym, lub też z wejściem asymetrycznym. Rezystor R_y zmniejsza wpływ składowej wspólnej U_w =^r l/2(l/_u + U_i2).

Rys. 7.50. Układ Darlingtona, tzw. „Super alfa”: a) tranzystory n-p-n w układzie WE; b) tranzystory komplementarne, układ złożony ma właściwości tranzystora n-p-n

Rys. 7.49. Podstawowy układ wzmacniacza różnicowego

W celu zwiększenia impedancji wejściowej układów bipolarnych szeroko jest stosowany jedno- lub dwustopniowy układ Darlingtona (rys. 7.50), zwany też układem „super alfa”, w różnych odmianach. Układ Darlingtona charakteryzuje się też dużym wzmocnieniem prądu: /? = IJIg, gdyż fi =

Wzmacniacze są zazwyczaj budowane jako wielostopniowe. Strukturę takiego wzmacniacza przedstawia rys. 7.51. Każdy stopień może być strukturą złożoną z wielu elementów czynnych i biernych. Przedwzmacniacz zapewnia dopasowanie wzmacniacza do źródła sygnału (dobór R,), a od jego współczynnika szumów zależą szumy na wyjściu. Stopień pośredni jest wzmacniaczem napięciowym, kształtującym w sposób determinujący charakterystykę częstotliwościową K(oS) całego wzmacniacza. Rolą stopnia wyjściowego jest dostarczenie mocy do obciążenia z możliwie dużą sprawnością. W tym celu m.in. jego impedancja wyjściowa Z₀ powinna być dopasowana do obciążenia Z_L.

Zasilanie

(R_i;F)    (*(»))    (Z₀)

Rys. 7.51. Struktura wzmacniacza wielostopniowego

Istotnym problemem są sprzężenia międzystopniowe. Wzmacniacze prądu stałego (f_d = 0) muszą być budowane ze sprzężeniami bezpośrednimi, czyli rezystancyjnymi. Są to sprzężenia uniwersalne przenoszące sygnały stało- i zmiennoprądowe, a charakterystyka częstotliwościowa zestawu jest dolnopasmowa. Wadą sprzężenia bezpośredniego jest przenoszenie zakłóceń i wzmacnianie ich w kolejnych stopniach, tak jak sygnałów. Najczęściej stosuje się na wejściu wzmacniacze różnicowe lub układy Darlingtona. Problemem jest zapewnienie stałej niezależnej polaryzacji każdego tranzystora. W układach scalonych buduje się także wzmacniacze prądu stałego z przetwarzaniem, tj. na wejściu przeprowadza się modulację fali nośnej (AM), wzmacnianej we wzmacniaczu prądu przemiennego, odcinającym dryft stopnia wejściowego; coraz częściej stosuje się modulatory z przerywaczem, w których kluczami są tranzystory unipolarne.

Wzmacniacze prądu przemiennego buduje się albo ze sprzężeniami bezpośrednimi stopni i filtrami, albo z separacją galwaniczną stopni realizowaną jako sprzężenie-, transformatorowe, pojemnościowe, transoptorowe. Wobec rozwoju technologii układów scalonych monolitycznych, w której nie opłaca się wytwarzanie elementów indukcyjnych i pojemnościowych, najpowszechniej stosuje się sprzężenia bezpośrednie oraz filtry RC dołączane do odpowiednich zacisków zewnętrznych. Na rysunku 7.52 przedstawiono

Rys. 7.52. Wzmacniacz dwustopniowy prądu przemiennego ze sprzężeniami bezpośrednimi oraz ze sprzężeniem zwrotnym przez R₆C₃

dwustopniowy wzmacniacz prądu przemiennego na tranzystorach komplementarnych p-n-p i n-p-n w układzie WĆ-WE, ze sprzężeniem stałoprądowym przez dzielnik Rd(R.4 + R₅) oraz z ujemnym sprzężeniem zwrotnym przemiennoprądowym, stabilizującym wypadkowe wzmocnienie napięciowe K'_u & 1 + R₅/(R₄|[R₆), gdyż przy większych częstotliwościach l/coC₃ w 0. Kondensatory C, i C₂ służą do sprzężenia odpowiednio z sygnałem i obciążeniem.

7.3.4. Wzmacniacze operacyjne

Najbardziej uniwersalnym układem analogowym jest wzmacniacz operacyjny WO. Jest to wielostopniowy wzmacniacz różnicowy o sprzężeniach bezpośrednich (wzmacniacz prądu stałego), którego cechy funkcjonalne są kształtowane przez odpowiednie zewnętrzne sprzężenie zwrotne [7.1; 7.5; 7.11; 7.16].

Do celów projektu wstępnego układu z WO wystarczy traktowanie go jako WO idealnego, którego głównymi cechami są: bardzo duże wzmocnienie napięciowe różnicowe A_vo->oo (w praktyce 10⁵-p10⁸ V/V), bardzo duża rezystancja wejściowa R_;-*-od (w praktyce 1 h- 100 MO), bardzo mała, w stosunku do R. rezystancja wyjściowa R_s, RjR, -» 0 (w praktyce R„ = 75—150 O), oraz bardzo szerokie pasmo B (w praktyce 0-kilku MHz).

Wzmacniacze operacyjne są budowane jako układy scalone monolityczne: bipolarne, unipolarne, mieszane BiMOS. Standardowym WO jest układ bipolarny ULY 7741N (CEMI). wzorowany na WO pA741 (Fairchilda) o A_uo = 200000 V/V. R. = 2 Mn. R„ = = 75 O, f_d = 0 Hz, f_g = 1 MHz, U, = ±15 V.

Na rysunku 7.53 przedstawiono schemat idealnego WO. Wejście 1 jest nieodwracające (nieinwertujące), wejście 2 — odwracające fazę sygnału, czyli inwertujące

V* ~ ^uo(Dii — U_i2) = A_uo U_iR Przy czym: U_iR — napięcie różnicowe; A_uo = AUJAUj.

Przykłady zastosowań WO z ujemnym sprzężeniem zwrotnym do realizacji kilku działań (operacji) arytmetycznych na sygnałach wejściowych podano na rys. 7.54. Przedstawione schematy i wyrażenia są przybliżone, gdyż założono, że WO jest członem idealnym. Zauważmy, że na skutek zastosowania ujemnego sprzężenia zwrotnego

Poradnik inżyniera elektryka tom 1