|
СХЕМЫ---->
Полезная схемотехника. статьи № 1-50
Низкочастотные усилители на интегральных микросхемах. Создание низкочастотных усилительных устройств на интегральных операционных усилителях (ОУ)
Б. Успенский
За последние годы область применения линейных интегральных микросхем радиолюбителями значительно расширилась. Практически любое электронное устройство, в котором ранее применялись дискретные транзисторы, теперь можно построить с использованием микроэлектронных узлов, причем доступность их такова, что даже начинающему радиолюбителю теперь проще смонтировать устройство на одной-двух интегральных схемах, чем на многих дискретных элементах.
В этой статье будет уделено внимание вопросам создания низкочастотных усилительных устройств на интегральных операционных усилителях (ОУ), являющихся наиболее распространенными и универсальными среди аналоговых микросхем. Статья подготовлена по материалам обзора «Линейные интегральные микросхемы», который по заявкам радиолюбителей распространяет Письменная радиотехническая консультация при ЦРК СССР имени Э. Т. Кренкеля (103012, Москва, ул. Куйбышева, 4/2, помещение 12).
Классификация и номенклатура операционных усилителей. Микроэлектронные ОУ выпускаются преимущественно сериями, причем обычным является объединение в одну серию ОУ, значительно отличающихся по принципу построения, назначению и функциональным параметрам. Примерами серий с широко развитой номенклатурой микросхем ОУ могут служить К140 и К153.
Операционные усилители можно разделить на следующие группы:
ОУ общего применения, составляющие наиболее многочисленную группу универсальных по применению ОУ со средними значениями параметров;
ОУ прецизионные, характеризуемые повышенной точностью установки передаточной функции благодаря более высокому входному сопротивлению, улучшенным параметрам смещения нулевого уровня и повышенному коэффициенту усиления;
ОУ быстродействующие (широкополосные), характеризуемые повышенной скоростью нарастания выходного напряжения и малым временем установления;
ОУ маломощные, характеризуемые наименьшей потребляемой от источников питания мощностью, а также возможностью, например для ОУ К140УД12, внешней регулировки тока смещения, а значит, быстродействия и потребляемой мощности (такие ОУ называют также программно-управляемыми).
В табл. 1 приведен перечень выпускаемых отечественной промышленностью интегральных микросхем операционных усилителей с кратким указанием отличительных особенностей и характерных параметров.
В дополнение к табл. 1 приведем сведения о трех ОУ, отличающихся своим внутренним строением от остальных усилителей.
Предусилитель К140УД13 характеризуется наименьшими значениями напряжения смещения нулевого уровня и его температурным коэффициентом. Этот предусилитель построен по схеме с преобразованием медленно меняющегося входного сигнала в переменное напряжение с последующим его усилением и демодуляцией.
Использованы ключевые модулятор и демодулятор на Полевых транзисторах, работающих на частоте 1...30 кГц.
Коэффициент усиления К140УД13 равен 10, выходное напряжение не превышает ±1 В, а диапазон частот ограничен сверху значением, равным 10...20 % от частоты модуляции. Для формирования сигнала с большей амплитудой необходим дополнительный ОУ, например К140УД7.
Особенностью реализации ОУ К140УД12 является наличие отдельного вывода для подключения цепи управляющего тока. Изменяя управляющий ток в пределах 1,5... 15 мкА, можно изменить при напряжении питания ±15 В потребляемую мощность от 0,9 до 6 мВт, коэффициент усиления от 5•10*4 до 2• 10*5, частоту единичного усиления от 0,01 до 0,1 МГц, скорость нарастания выходного напряжения от 0,1 до 0,8 В/мкс. Усилитель сохраняет работоспособность при изменении напряжения питания от ±1,2 В до ±15 В. Потребляемая мощность 150 мкВт при напряжении питания ±3 В. Такой усилитель особенно подходит для устройств с батарейным питанием. Аналогичными свойствами обладает усилитель КР1407УД2.
Выпускается счетверенный ОУ К1401УД1, который известен под названием «токораpностный усилитель» и отличается возможностью работы только с одкополярным источником питания. Особенностей этого типа ОУ здесь касаться не будем. Интересующихся отсылаем к книге Дж. Рутковски «Интегральные операционные усилители» (М., Мир, 1978), где дано много примеров использования токоразностого ОУ.
Усилители сигналов. Операционные усилители в большинстве применений работают с цепью отрицательной обратной связи, при которой выходной проинвертированный сигнал поступает на вход (рис. 1). При глубокой отрицательной обратной связи коэффициент передачи устройства в основном определяется цепями обратной связи, а влияние разброса и нестабильности параметров уменьшается. Например, уменьшаются искажения и нелинейность, происходит сглаживание неравномерной частотной характеристики, а также появляется возможность точно сформировать расчетную амплитудную или амплитудно-частотную характеристику в пределах полосы пропускания ОУ. Чем глубже отрицательная обратная связь, т. е. чем больше коэффициент усиления ОУ без обратной связи, тем меньше характеристики устройства зависят от разброса и нестабильности параметров микросхемы.
Схема дифференциального включения ОУ (рис. 2) является сочетанием инвертирующей и неинвертирующей схем.
Рис. 1. Усилитель с отрицательной обратной связью Рис. 2. Дифференциальное включение ОУ
Выходное напряжение Uвых= (U2—U1)*R2/R1 Задавшись величиной N=R2/R1, получим умножение разности двух сигналов на коэффициент N. Недостатком данной схемы является то, что при больших входных сигналах не обеспечивается достаточное ослабление по синфазному сигналу. Если использовать два ОУ, можно построить схему дифференциального усилителя без синфазных сигналов на входах (рис. 3), так как неинвертирующие входы ОУ заземлены.
Улучшенный дифференциальный усилитель. Масштабный усилитель. Регулировка усиления
Масштабный усилитель на ОУ с дискретной установкой коэффициента передачи следует строить так, чтобы при переключениях не нарушать режима входов ОУ. В схеме рис. 4 с помощью переключателя можно устанавливать три значения Кu
(Rl + R4 + R6)/R1; (R1 +R4 + R6)/(R1 + R4);
Резисторы R2, R5, R7 необходимы для выравнивания сопротивлений, подключаемых к входам.
Для плавной регулировки усиления рекомендуется устройство, схема которого представлена на рис. 5 (при условии R3<
В усилителях звуковых частот для регулировки усиления применяют потенциометры группы В с показательной зависимостью сопротивления от угла поворота. Хорошее приближение к такой нелинейности можно получить в усилителе с линейным потенциометром, схема которого приведена на рис. 6.
Если необходимо выполнить на ОУ усилитель переменного напряжения с единственным источником питания, можно использовать варианты дифференциального включения (рис. 7).
Рис. 6. Получение показательной функции. Рис. 7. Подача смещения на входы ОУ
Для сигнала Uc это инвертирующая схема с Ku=R2/Rl. Чтобы на выходе ОУ была половина + Еп, необходимо выполнить соотношение R4/R3==2Ku+1. Если Uc подать через разделительный конденсатор (как чаще всего поступают), следует принять R4 = R3 = 2*R2. Можно подать сигнал через разделительный конденсатор на неинвертирующий вход ОУ и заземлить левый вывод R1 через электролитический конденсатор; соблюдая равенство R4 = R3 = 2*R2, получим входное сопротивление усилителя RBx=R2.
Часто бывает необходимо повысить входное сопротивление усилителя без чрезмерного увеличения сопротивлений делителя. В усилителях с двуполярным питанием с помощью устройства на рис. 8 достигают повышения входного сопротивления по переменному напряжению за счет подключения R3 к средней точке
Pис 8. Усилитель переменного напряжения. Рис 9. Усилитель фототока
делителя обратной связи. Учитывая собственное входное сопротивление rвх и коэффициент усиления К микросхемы и принимая R3>>R1, можно записать
Если усиление велико (R2:R1>>1), то при rвх>> R3 получим Rвx=K*R3*Rl/R2. Изменение К с частотой приводит к изменению Rвх, однако на низких частотах оно значительно за счет большой избыточности усиления микросхемы.
На основе ОУ очень просто реализуются усилители тока (преобразователи ток — напряжение). Идеальный источник гока имеет бесконечное выходное сопротивление и его выходной ток не зависит от нагрузки. Нижний предел доступного измерению тока определяется током смещения ОУ, поэтому здесь используют ОУ на полевых транзисторах. На рис. 9 показан усилитель фототока с кремниевым фотодиодом.
Емкости конденсаторов C1, С2 выбираются из условия устойчивости ОУ и подавления возможных наводок.
Дифференциальный потенциометрический УПТ, представленный на рис. 10, очень часто применяется в устройствах преобразования потенциалов, поступающих как от заземленных, так и от незаземленных источников сигналов, в напряжение на иизкоомной заземленной нагрузке.
Усилители DA1.1, DA1.2 являются неинвертирующими, а DA2 включен по дифференциальной схеме с умножением разности входных сигналов. При условии R1=R4, R2=R5, R6 = R7 коэффициент усиления разности входных напряжений, в нашем случае составляет; Ku = (1+2R1/R3)*R6/R2 = 100
Этому УПТ свойственны следующие особенности:
усилители DA1.1, DA1.2 обеспечивают по обоим входам высокое входное сопротивление, определяемое лишь
утечками и изоляцией входных цепей (оно трудно поддается измерению);
усиление легко регулируется изменением сопротивления одного резистора R3, его можно сделать переменным;
различие в сопротивлениях резисторов Rl, R4 изменяет коэффициент усиления, но не влияет на подавление синфазного сигнала;
для большего подавления синфазного сигнала следует точно подобрать или попарно отрегулировать R2, R5 и R6, R7;
сопротивления резисторов R1—R5 не влияют на входное сопротивление, поэтому их можно выбрать небольшими для уменьшения влияния токов смещения;
поскольку выходное напряжение пропорционально разности напряжений смещения усилителей DА1.1 и DA1.2, для температурной компенсации сдвига уровня напряжения следует применить сдвоенные ОУ (К157УД2, КР140УД20 и др.);
входной ток усилителя создает на внутреннем сопротивлении генератора падение напряжения, воспринимаемое как сдвиг нулевого уровня, который зависит от температуры и не компенсируется.
Устройство на рис. 11 представляет собой высококачественный двухканальныи предварительный усилитель для электромагнитного звукоснимателя стереопроигрывателя. Усилитель выполнен на одной микросхеме.
Рис. 11. Предусилитель для стереофонического звукоснимателя
Питание от источника +30 В. Сложная цепь отрицательной обратной связи предназначена для формирования необходимой частотной характеристики предусилителя по существующим нормам, Типичные параметры усилителя таковы:
усиление 40 дБ на частоте 1 кГц;
пиковая перегрузка входов до 80 мВ эфф.
уровень шума, приведенный к входу, 2 мкВ;
отношение сигнал — шум 74 дБ при мощности 10 мВт;
разделение каналов 80 дБ на частоте 1 кГц.
Усилители мощности. Стандартные микросхемы ОУ выдают напряжение ±10 В на нагрузку не менее 1 кОм, т. е. пиковая мощность не превышает 100 мВт, а эффективная для синусоидального сигнала — 50 мВт. Повышение выходной мощности возможно в случае выполнения следующих условий:
увеличения выходного тока с сохранением амплитуды напряжения на нагрузке;
увеличения амплитуды выходного напряжения;
увеличения выходного напряжения свыше ±10 В при одновременном увеличении тока нагрузки.
Рассмотрим эти приемы с использованием стандартных ОУ.
Два усилителя могут работать на одну нагрузку параллельно (рис. 12), если уравнять их выходные токи с помощью резисторов R3.
Рис. 12. Параллельное включение ОУ Рис. 13. Усилитель тока с каскодными парами Рис. 14. Удвоение выходного напряжения
Ориентировочно падения напряжения на R3 составляют 0,2...0,5 В при максимальном, токе ОУ. В нагрузку при этом поступает удвоенный ток.
Аналогичную функцию усиления тока выполняет устройство, схема которого приведена на рис. 13.
Раскачка на транзисторы оконечного каскада в этой схеме подается с выводов питания ОУ. При этом транзисторы VT1, VT2 образуют две дополнительные пары усиления напряжения вместе с выходными эмиттерными повторителями ОУ. При малых токах нагрузки транзисторы VT1, VT2 заперты, весь выходной ток протекает через ОУ. При больших сигналах транзисторы VT1, VT2 открываются и основная часть выходного тока проходит через них, а выходной ток ОУ ограничен значением, разным 0,65В/R1. Существенное преимущество этой схемы состоит в том, что благодаря наличию тока покоя ОУ на переходах база — змиттер транзисторов выходного каскада присутствует начальное напряжение смещения около 400...500 мВ, зависящее от сопротивления резистора R1. При этом ток покоя в выходном каскаде на кремниевых транзисторах еще будет отсутствовать, в результате нет необходимости принимать дополнительные меры для его стабилизации.
Если нагрузка ОУ может быть не связана с землей (например, обмотка реле пли трансформатора), то увеличить выходное напряжение вдвое можно с помощью устройства, собранного по схеме рис. 14.
Инвертор DA2 подводит к нагрузке противофазное напряжение.
Существенное увеличение амплитуды напряжения на нагрузке можно обеспечить путем подключения к ОУ выходного каскада с отдельными повышенными питающими напряжениями. Схема такого широкополосного устройства приведена на рис. 15.
Рис. 15. Широкополосный усилитель мощности
Рассмотрим ее подробно.
Для получения максимальной полосы частот сигнал раскачки подается на эмиттеры VT1, VT2, которые образуют каскодные схемы VT1, VT3 и VT2, VT4 на транзисторах разной прозодимости.
Чтобы полоса усиливаемых частот не ограничивалась ОУ, входной сигнал подается на два тракта: низкочастотный и высокочастотный. Этот усилитель обладает хорошей стабильностью нулевого уровня из-за наличия ОУ и оптимальными частотными свойствами. Быстродействие ограничено лишь частотными свойствами выходного каскада. Все устройство ведет себя как инвертирующий усилитель с отрицательной обратной связью и коэффициентом усиления, равным R2/R1. Его не следует выбирать более 10, что достаточно для получения выходных сигналов до ±100 В при входных ±10 В.
Для расчета усилителя сначала следует задать коллекторные токи VT1—VT4. Выбираем их по 10 мА. Тогда через R12 и R13 должен протекать ток 20 мА. Используем в качестве VD1, VD2 светодиоды с красным свечением (они понадобятся для сигнализации включения питания), прямое напряжение которых составляет 1,6 В За вычетом напряжения база — эмиттер VT3, VT4 падения напряжения на R12, R13 будут по 1 В. Следовательно, R12 = R13 = 50 Ом (1 В/20мА).
При отсутствии сигнала ток через равные резисторы R5, R6 примерно равен 0,6В/R6. На эту величину ток, протекающий через R7 и R8, должен превышать коллекторный ток транзисторов VT1, VT2.
Для максимального использования источников тока на транзисторах VT3, VT4 их коллекторные токи должны изменяться от среднего значения 10 мА в обе стороны до 0 и до 20 мA. На основании этого определим R5 = R6= 10 В/10мA =1 кОм. Значит, в состоянии покоя ток через R5, R6 ранен 0,6 В/1 кОм = 0,6мА, а через R7 и R8 — (10+ 0,6) мA. Следовательно, R7 = R8 =
15B/10,6 мА = 1,4 кОм; принимаем 1,3 кОм. На этом расчет сопряжения ОУ с оконечным каскадом заканчивается; далее необходим расчет выходных транзисторов.
Целесообразно дли защиты выходных транзисторов от перегрузки использовать устройства ограничения максимальной силы выходного тока. В схеме по рис. 15 ограничение тока достигается с помощью транзисторов VT5, VT6, базовые цепи которых подключены к датчикам тока R18, R19.
Транзистор VT5 или VT6 откроется и зашунтирует переход база — эмиттер выходного транзистора, когда потенциал его базы превысит Uбэ=0,6 В, Ток ограничения на выходе составит
В рабочем режиме этот ток возрастает одновременно с увеличением тока нагрузки, когда выходное напряжение стремится к номиналу Eп. Если выполнить условие R14*R18/R16=Rн ток ограничения при любых положительных Uвых для транзистора VT7 и отрицательных Uвых для транзистора VT8 будет превышать ток нагрузки на одну и ту же величину
можно определить R18 при известных Eп, Rн. Здесь следует использовать минимальное значение если нагрузка изменяется. Далее, выбирая R16= (200...800) Ом, подсчитывают Р14= = Rн * R16/R18 Для симметричной схемы R14 = R15, R16=R17, R18=R19.
С такой схемой защиты максимальная мощность, рассеиваемая на низких частотах в рабочем режиме каждым из транзисторов VT7, VT8:, составляет:
Интересно отметить, что в аварийном режиме при замыкании выхода на землю рассеиваемая мощность не превысит 0,1...0,2 от произведения Iмакс*Eп, а при замыкании выхода на источник питания выходные транзисторы вообще закрываются. Причем это наступает с того момента, когда Iогр = 0, т. е. когда
Uвых=Eп-Uбэ*Rн/R18
При реальных соотношениях номиналов VT7 запирается, когда Uвых становится менее —(2...4) В, а VT8 — при Uвых>> (2...4) В. Сравнивая эти соотношения со свойствами схемы защиты без делителей R14—R17, видим, что в ней рассеиваемая мощность при замыкании выхода на землю составляет (1,1...1,2)*Iмакс*Eп, т. е. увеличена в 6...11 раз, а при замыкании на источник питания еще вдвое больше. Преимущество предложенной схемы защиты очевидно.
Применяя ОУ на звуковых частотах, не следует забывать об увеличении гармонических искажений с ростом частоты сигнала, когда запас усиления ОУ уменьшается и отрицательная обратная связь не уменьшает погрешности. На рис. 16 показана частотная зависимость искажений различных ОУ, причем кривая 1 соответствует стандартной коррекции распространенных микросхем К553УД1, К553УД2, К140УД7, а кривая 3 — К574УД2. Имея это в виду, от схемы рис. 15 следует потребовать, чтобы высокочастотный тракт начинал работать раньше, чем станут заметными искажения сигнала низкочастотного тракта на ОУ.
Рис. 16. Частотная зависимость уровня гармонических искажений усилителей:
1— скорость нарастания выходного напряжения 0.5 В/мкс, частота единичного усиления 1 МГц: 2 — 1 В/мкс, 3 МГц; 3 — 13 В/мкс, 3 МГц
Для фильтра нижних частот R3C2 на входе ОУ целесообразно выбрать граничную частоту около 10 кГц (ориентировочно 16 кОм, 1000 пФ). Граничную частоту фильтра высоких частот R4C1 следует выбрать не более 1 кГц (20 кОм, 10 нФ), Коэффициент усиления разомкнутого высокочастотного тракт может быть установлен с помощью резисторов R9, R10. Наряду с выбором емкости конденсаторов С8, С4 его следует устанавливать так, чтобы обеспечивался желаемый вид переходных процессов всего усилителя с замкнутой обратной связью. Дли ОУ достаточно стандартной частотной коррекции. Чтобы подавить генерацию на высоких частотах, при необходимости можно ввести в базовые цепи некоторых транзисторов небольшие дополнительные резисторы, включить параллельно нагрузке последовательную RC-цепь, если нагрузка носит индуктивный характер на высоких частотах, а также шунтировать R2 небольшой емкостью с последовательным резистором сопротивлением около 0,1 R2.
Во всех рассмотренных выше устройствах выходные транзисторы могут быть составными, что дает возможность достичь силы тока нагрузки усилителя мощности до нескольких ампер.
Литература
Т и т ц е У., Ш е н к К. Полупроводниковая схемотехника— М.: Мир, 1982, с. 512.
Шило В. Л. Линейные интегральные схемы,— М. ; Сов. радио, 1979, с. 368.
|
