§ 5.5. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ С УЛУЧШЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

В ОУ с непосредственными связями между каскадами имеются температурный и временной дрейфы выходного напряжения, что затрудняет создание высокочастотных УПТ. Поэтому при проектировании прецизионных устройств для работы с медленно изменяющимися сигналами широко используют усилители с дополнительным преобразованием входного напряжения. У таких ОУ входной сигнал постоянного тока преобразуется (модулируется) в сигнал переменного тока, который затем усиливается усилителем переменного тока и с помощью демодулятора и фильтра низких частот снова преобразуется в медленно изменяющийся сигнал (рис. 5.13).

Дрейфы выходного сигнала в подобных структурах полностью определяются стабильностью параметров модулятора М, так как приведенные ко входу дрейфы демодулятора обычно достаточно малы.

Рис. 5.13. Структура УПТ-МДМ: М - модулятор; - усилитель; ДМ — демодулятор; ФНЧ — фильтр низких частот, Г — генератор, напряжение которого управляет модулятором и демодулятором

В качестве модуляторов в УПТ применяют контактные вибропреобразователи, динамические конденсаторы (варикапы), оптроны и полевые транзисторы. В интегральных ОУ применяют только МОП-транзисторы в связи с громоздкостью, сложностью и высокой стоимостью других технических решений. Причем их используют только в ключевых режимах, в которых температурные изменения параметров оказывают малое влияние на результирующие характеристики.

В качестве демодуляторов также применяют ключи на МОП-транзисторах.

Упрощенная схема ОУ с МДМ приведена на рис. 5.14, а, схемы его модулятора и демодулятора — на рис. 5.14, б, в, сигналы, управляющие ими, — на рис. .

Модулятор и демодулятор работают синхронно и поэтому управляются от источника одного управляющего напряжения.

Как видно из рис. 5.1 , входное постоянное напряжение, подаваемое на вход дифференциального входного каскада на МОП-транзисторах, периодически изменяет свою полярность. Следовательно, на вход дифференциального усилителя подан дифференциальный сигнал прямоугольной формы (рис. 5.15, б), который усиливается усилителем в раз. На выходе усилителя переменного тока установлен разделительный конденсатор С. Одна из его обкладок с помощью демодулятора периодически замыкается на землю. Вследствие малого сопротивления ключа и постоянной времени заряда конденсатора С напряжение на нем установится равным — за короткий промежуток времени. При смене полярности выходного напряжения усилителя с — на ключ демодулятора размыкается.

Конденсатор становится источником напряжения суммируется с выходным напряжением усилителя. В итоге в точке а будет пульсирующее напряжение, имеющее размах пульсаций (рис. 5.15, в). В составе его имеется постоянная составляющая ивых. Фильтр низких частот сглаживает пульсации и позволяет выделить постоянную составляющую, пропорциональную входному сигналу. Для усилителя с такой структурой не страшны медленные изменения напряжения на выходе усилителя. Они приводят только к дополнительному заряду конденсатора С до напряжения — в один полупериод. Во время другого полупериода выходное напряжение равно и при суммировании выходное напряжение точки изменяется на величину .

Рис. 5.14. Упрощенная схема УПТ-МДМ (а); схема модулятора (6); схема демодулятора (в); диаграмма управляющих напряжений (г)

Рис. 5.15. Диаграмма напряжений на электродах ОУ МДМ (а, б, в, г)

Рис. 5.16. Схема включения ОУ (а); его ЛАЧХ (б); увеличение коэффициента усиления по напряжению (в)

Принципиальная схема модулятора, примененного в ОУ , показана на рис. 5.14, б. Это мостовая цепь, выполненная на МОП-транзисторах с индуцированным каналом и управляемая двумя последовательностями прямоугольных импульсов, сдвинутых между собой по фазе на 180° (см. рис. 5.14, г). При подаче импульса одной последовательности открываются транзисторы , что аналогично работе модулятора (см. рис. 5.14, а).

Полоса рабочих частот ОУ МДМ определяется частотой работы модулятора и демодулятора . Обычно считают, что верхняя рабочая частота сигнала должна быть не менее чем в десять раз меньше . При этом частотная погрешность усилителя порядка 1—3%. Из-за несовершенства существующих модуляторов частоту модулирующего напряжения обычно берут не более десятков — сотен , а хорошие характеристики удается получить при .

Лучшие образцы УПТ МДМ имеют дрейф порядка , т. е. в 30—100 раз меньше, чем дрейф у лучших УПТ без преобразования.

У интегрального ОУ типа дрейф нуля , коэффициент усиления .

Схема его включения приведена на рис. 5.16, а. Особенностью ОУ является наличие внутреннего автогенератора, обеспечивающего работу модулятора и демодулятора. Его частота может быть изменена навесным конденсатором . Амплитудно-частотная характеристика при определяется параметрами фильтра (рис. 5.16, а).

Недостатки ОУ, заключающиеся в малом коэффициенте усиления по напряжению и малом выходном напряжении (0,5 В), могут быть устранены при использовании дополнительного ОУ с непосредственными связями. Это возможно благодаря тому, что демодулятор имеет независимый вывод (вывод 5 рис. 5.16, а).

Если к выводу ОУ подключить дополнительный усилитель переменного напряжения на рис. 5.16, в) и цепь демодуляции сигнала установить на его выходе, то коэффициент усиления повысится в раз, где — коэффициент усиления по напряжению дополнительного усилителя. Соответственно увеличится и максимальное значение выходного напряжения, которое будет зависеть от параметров дополнительного усилителя. При этом может потребоваться установка дополнительного резистора Кдоп (рис. 5.16, в), который ограничит максимальное значение тока демодулятора, увеличившееся вследствие увеличения выходного напряжения.

Такой подход позволяет получить большие коэффициенты усиления на постоянном токе, ограниченные только шумами ОУ. Однако при этом частотный диапазон усиливаемых сигналов остается узким.

Для получения широкой полосы пропускания и хороших характеристик на постоянном токе используют многоканальные структуры, состоящие из нескольких включенных параллельно усилителей, каждый из которых усиливает определенную полосу частот. Усиленные сигналы суммируются с помощью широкополосного сумматора. Идею работы двухканального усилителя поясняет рис. 5.17. В нем параллельно с ОУ МДМ VI включен высокочастотный ОУ II. В результате имеется два канала. Низкочастотный канал на ОУ МДМ усиливает низкие частоты, высокочастотный — высокие. В диапазоне средних частот усиление выполняется обоими каналами. Поэтому важны вопросы согласования частотных характеристик каналов.

В высокочастотном тракте обычно предусматривают установку фильтра высоких частот I, пропускающего только высокие частоты входного сигнала. В низкочастотном канале кроме фильтра VII необходимо исходя из принципа действия ОУ на входе иногда устанавливать дополнительный фильтр низких частот V. Он уменьшает амплитуду высокочастотных входных сигналов на входе ОУ МДМ и снижает значение низкочастотной составляющей на его выходе, появляющийся в случае, когда частота входного сигнала близка .

Рис. 5.17. Двухканальный усилитель (а); двухканальная структура с усилителем (б) и ее реализация (в)

Как известно из теории электронных цепей, любая модуляция это перемножение двух сигналов. В результате ею в спектре выходного сигнала появляются комбинационные час . При присутствуют низкочастотная составляющая , которая беспрепятственно пропускается фильтром VII и вносит дополнительные погрешности. Установка фильтра приводит к уменьшению их значений.

Выходные сигналы обоих усилителей суммируются в широкополосном сумматоре III. Если необходимо получить определенную выходную мощность, то после сумматора сигналы подаются на широкополосный усилитель мощности IV. Так как на сумматор и усилитель мощности подаются сигналы, усиленные и раз, то его дрейфы сигнала, приведенные к входу усилителя, соответственно уменьшаются в раз. Поэтому их влияние на характеристики преобразования сравни невелико.

Частотая характеристики двухканального усилителя определяется частотными характеристиками обоих каналов.

Если считать, что сумматор и усилитель мощности близки к идеальным, имеют коэффициент преобразования, равный , и не вносят частотных искажений, то выходное напряжение

где — коэффициенты усиления усилителей высоких и низких частот.

Из (5.36) найдем передаточную функцию:

Из (5.37) видно, что частотная характеристика двухканального усилителя во многом зависит от параметров фильтров, включенных на входе каждого канала. Подбором их можно обеспечить требуемый вид характеристики в диапазоне низких и средних частот. В диапазоне высоких частот частотная характеристика определяется параметрами усилителя высоких частот , а также параметрами сумматора и усилителя мощности. Поэтому в передаточной функции для диапазона высоких частот должны быть заменены на их передаточные функции , которые зависят от внутренней структуры сумматора и усилителя мощности.

Таким образом, введение дополнительного преобразования входного сигнала позволяет существенно уменьшить дрейф выходного сигнала и создать высококачественные широкополосные УПТ и ОУ.

Для расширения полосы пропускания иногда вводят дополнительный третий канал. Однако при этом схема усилителя усложняется.

В ряде случаев один канал выполняют широкополосным, а второй — типа МДМ (рис. ). При этом подразумевают, что ОУ работает с достаточно глубокими отрицательными обратными связями, позволяющими подавить паразитные низкочастотные колебания. Практическая реализация такой структуры показана на рис. 5.17, в. В этом ОУ широкополосный ОУ выполнен на микросхеме , причем для суммирования использован вывод 1, предназначенный для подключения цепей балансировки нуля. УПТ МДМ выполнен на ОУ типа типа по схеме, аналогичной схеме рис. 5.16, в.

Фильтр низких частот выполнен активным на ОУ , причем его дрейфы нуля не играют существенной роли из-за того, что при приведении их к входу они имеют малое значение.

Приведенный пример показывает, что знание схемы ОУ необходимо в случае его нетрадиционного использования. В противном случае вместо использования вывода 1 у пришлось бы вводить дополнительный сумматор.

При применении рассмотренных подходов удается существенно улучшить параметры ОУ, что особенно важно при построении точных устройств.

В отдельных случаях двухканальные ОУ применяют для увеличения скорости нарастания выходного напряжения. При этом высокочастотный канал обычно имеет единичный коэффициент усиления по напряжению, а низкочастотный может быть выполнен с непосредственными связями.