Источники тока. 
Основы физики полупроводниковых диодов

В качестве источника тока в электронике обычно используются токовые зеркала.

Транзисторы должны быть с одинаковыми параметрами.

Входные каскады работают в режиме микротоков.

Токовые зеркала используются в ЦАП:

Используются двоично взвешенные токи, формируемые токовыми зеркалами.

Эта схема имеет симметричный выход. Зеркало с VT5, VT6 включается для увеличения.

Операционные усилители: характеристики и параметры

Под операционным усилителем в микроэлектронике понимают реализованный в виде микросхемы усилитель постоянного тока, имеющий:

• · высокий коэффициент усиления по напряжению
• · высокое входное сопротивление;
• · низкое выходное сопротивление.

Операционный усилитель имеет дифференциальный вход и несимметричный выход (рис. 1). Входные и выходные сигналы отсчитываются относительно общего провода, который на схемах иногда не показывают. Операционные усилители предназначены для работы с глубокой отрицательной обратной связью и вначале применялись в аналоговых ЭВМ, где в зависимости от цепей обратной связи они выполняли разнообразные математические операции (сложение, вычитание, умножение, деление, логарифмирование, дифференцирование, интегрирование и т. д.), откуда и произошел термин «операционный усилитель» .

Первые операционные усилители были ламповыми и представляли собой весьма громоздкие и дорогие устройства. В настоящее время высококачественные операционные усилители выпускают в виде микросхем, цена которых соизмерима с ценой отдельного транзистора, что существенно расширило их область применения. Сочетание высоких электрических параметров с малыми габаритами, высокой надежностью и низкой ценой сделало операционный усилитель основным активным элементом аналоговой схемотехники.

Операционные усилители содержат обычно два или три каскада усиления (рис. 2). Первый каскад (ДУ) обязательно собран по схеме дифференциального усилителя, чем обеспечивается подавление синфазной помехи и уменьшение дрейфа нуля. С целью повышения входного сопротивления во входном каскаде используют режим микротоков, составные транзисторы (схема Дарлингтона), супербетатранзисторы со статическим коэффициентом передачи тока базы в=103ч104, полевые транзисторы. Входной каскад, как правило, содержит цепи балансировки усилителя, предназначенные для устранения смещения нуля. Второй каскад (УН) обеспечивает основное усиление по напряжению и представляет собой обычно дифференциальный усилитель с несимметричным вы ходом. Усилитель мощности (УМ) чаще всего содержит схему сдвига уровня напряжения и выходной каскад, собранный по двухтактной бестрансформаторной схеме. Недостатком трехкаскадных операционных усилителей является склонность к самовозбуждению и невысокая скорость нарастания выходного сигнала.

Операционные усилители более поздних разработок, как правило, выполнены по двухкаскадной схеме (отсутствует усилитель напряжения УН). Для увеличения коэффициента усиления во входном каскаде используется динамическая нагрузка в виде токового зеркала, а в выходном — каскад сдвига уровня напряжения, в котором транзистор включен по схеме с общим эмиттером.

Рассмотрим передаточную характеристику операционного усилителя (рис. 3), которая представляет собой зависимость выходного напряжения UВЫХ от входного напряжения UВХ при несимметричном входе. В зависимости от того, какой вход соединяется с общим проводом, а на какой вход подается входное напряжение, различают передаточную характеристику при инвертирующем включении операционного усилителя и передаточную характеристику при неинвертирующем включении операционного усилителя.

При малых входных напряжениях UBX передаточные характеристики линейны, затем рост выходного напряжения UВЫХ замедляется, а потом и вовсе прекращается. Максимальное положительное напряжение +UВЫХ.МАКС и максимальное отрицательное напряжениеUВЫХ. МАКС обычно несколько меньше соответствующих напряжений питания (E1, и E2).

Напряжения +UВЫХ.МАКС иUВЫХ. МАКС зависят от сопротивления нагрузки операционного усилителя: чем меньше сопротивление нагрузки, тем ниже будут указанные напряжения. Передаточные характеристики проходят через начало координат, если операционный усилитель сбалансирован (см. рис. 3). Если балансировка не проводилась, то передаточные характеристики будут пересекаться при ненулевом напряжении на выходе (рис. 4).

Основные параметры операционных усилителей:

*коэффициент усиления по напряжению КU.

Определяется наклоном линейного участка передаточной характеристики и равен отношению приращения выходного напряжения к вызвавшему это приращение входному напряжению. На практике Ки лежит в пределах от нескольких тысяч до нескольких миллионов;

* напряжение смещения UCMнапряжение, которое необходимо подать на вход операционного усилителя, чтобы его выходное напряжение стало равным нулю (рис. 4). На практике UСМ лежит в пределах от нескольких микровольт до десятков милливольт;

максимальное выходное напряжение UВЫХ. МАКС — Различают максимальное положительное напряжение +UВЫХ.МАКС и максимальное отрицательное напряжениеUВЫХ. МАКС, которые в общем случае не равны (см. рис.3). Напряжения + UВЫХ. МАКС и — UВЫХ. МАКС нормируются при оговоренных значениях напряжения питания, сопротивлении нагрузки и входного напряжения;

коэффициент ослабления синфазного сигнала KОС. СФ — отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту передачи синфазного сигнала. Обычно выражается в децибелах;

входной ток IВХ — для дифференциального операционного усилителя определяется как среднее арифметическое значение токов инвертирующего входа IВХ. И и неинвертирующего входа IВХ. Н;

разность входных токов? IВХ = IВН. Н — IВХ. И;

предельный выходной ток IВЫХ. МАКС — максимальное значение выходного тока при оговоренном выходном напряжении, не вызывающее необратимых изменений в операционном усилителе;

предельное входное напряжение UВХ. МАКС — максимальное значение входного напряжения, не вызывающее необратимых изменений в операционном усилителе;

предельное синфазное входное напряжение UВХ.СФ.МАКС — максимальное значение синфазного входного напряжения, не вызывающее необратимых изменений в операционном усилителе;

частота единичного усиления f1 — частота, на которой модуль коэффициента усиления операционного усилителя падает до единицы. Частота единичного усиления f1 характеризует быстродействие операционного усилителя в режиме малого сигнала;

скорость нарастания выходного напряжения VUвых. макс — отношение изменения выходного напряжения UВЫХ от 10 до 90% от установившегося значения ко времени, за которое это изменение произошло. Характеризует быстродействие операционного усилителя в режиме большого сигнала. Измеряется при отрицательной обратной связи с общим коэффициентом усиления по напряжению от 1 до 10.

При анализе схем реальные операционные усилители заменяют их идеализированными моделями, в частности, идеальным операционным усилителем, под которым понимают усилитель, отвечающий следующим требованиям:

коэффициент усиления по напряжению KU = ?;

входное сопротивление rВХ = ?;

выходное сопротивление rВЫХ = 0;

напряжение смещения UСМ = 0;

коэффициент ослабления синфазного сигнала KОС. СФ = ?;

входные токи IВХ = 0;

коэффициент усиления по напряжению не зависит от частоты, т. е. полоса пропускания простирается от 0 до ?;

времена задержки, нарастания и спада равны нулю;

диапазон входных напряжений неограничен;

диапазон выходных напряжений неограничен;

выходной ток неограничен;

нелинейные искажения отсутствуют;

внутри усилителя нет источников шума.