Структурный синтез устройств с мультидифференциальными операционными усилителями (стр. 2 из 8)
Графики, приведенные на рис. 3, показывают, что частота единичного усиления при подаче сигнала на вход 2 (или 3) возрастает примерно в два раза, что определяется принятым соотношением К2 » 2К1. Естественно, такое расширение полосы возможно лишь при определенной коррекции частотной характеристики усилителя: коррекция ОУ осуществляется конденсатором СК (рис. 2) так, чтобы его передаточная функция соответствовала апериодическому звену второго порядка и постоянная времени промежуточного каскада была много меньше постоянной времени входного каскада.
Точностные характеристики такого ОУ (в частности, напряжение смещения, приведенное ко входу) хуже, чем у обычного, т.к. ошибки, возникающие в каждом дифференциальном каскаде, в общем случае складываются. В ОУ может быть предусмотрена балансировка напряжения смещения, например, за счет изменения коэффициента передачи повторителя тока на транзисторах VT5, VT6.
Динамический диапазон многовходового ОУ определятся, с одной стороны, динамическим диапазоном активной работы каждого дифференциального каскада, с другой – максимальным выходным напряжением, поскольку такой каскад осуществляет суммирование входных сигналов. Поэтому должно выполняться следующее условие:
.
Рис. 3. Амплитудно-частотные характеристики
многовходового ОУ при подаче сигнала на вход 1 (□),
вход 2 (◊) и разомкнутого усилителя (Ñ)
Другой вариант построения многовходового ОУ приведен на рис. 4а), а функциональная схема, ему соответствующая, – на рис. 4б). На рис. 4в приведена функциональная схема, к которой может быть преобразован ОУ, если поменять местами точки подключения коллектора транзистора VT4 и объединенных коллекторов транзисторов VT1 – VT3.
С учетом того, что ток эмиттера транзистора VT4 в три раза больше токов эмиттеров каждого из транзисторов VT1–VT3, а также в предположении, что коэффициент передачи повторителя тока на транзисторах VT5–VT6 близок к единице, по инвертирующим входам коэффициент передачи входного каскада составит:
, (9)где RВХ– входное сопротивление промежуточного каскада на транзисторе VT6; Ri – сопротивление резистора R1–R3; rЭ4 – дифференциальное сопротивление эмиттера транзистора VT4.
Для неинвертирующего входа, при условии, что сопротивления резисторов R1–R3 равны, коэффициент усиления можно записать как
. (10) 
Рис. 4. Упрощенная принципиальная схема мультидифференциального каскада (а) и возможные варианты его функциональных схем (б), (в)
Следовательно, по аналогии с выражением (7) для стандартного инвертирующего включения ОУ (при остальных заземленных входах) можно записать
,где КПК – коэффициент усиления промежуточного каскада.
По аналогии с (8) для коэффициента усиления по любому из неинвертирующих входов, на который не подана обратная связь, можно записать
.По неинвертирующему входу для рассматриваемого случая
.Следует отметить, что напряжение смещения, приведенное ко входу у усилителя, представленного на рис. 4а, практически совпадает с аналогичным параметром обычного ОУ с одиночным дифференциальным каскадом на входе, но при условии, что плотность токов эмиттеров транзисторов VT1–VT4 одинакова. Это достигается тем, что площадь эмиттера транзистора VT4 должна быть в три раза больше площади эмиттера транзисторов VT1–VT3. Как и в предыдущем случае, балансировку нуля по выходу ОУ можно осуществить изменением коэффициента передачи повторителя тока на транзисторах VT5–VT6.
При функциональном построении мультидифференциального ОУ по схеме рис. 4в коэффициент усиления при стандартном инвертирующем включении на низких частотах будет определяться по аналогии с выражением (2), а для неинвертирующего включения
, то есть в три раза меньше, чем для случая функциональной схемы рис. 4б.Естественно, частота единичного усиления в этом случае также уменьшается в три раза по сравнению с частотой единичного усиления разомкнутого усилителя.
При введении нескольких контуров ООС в МОУ происходит взаимное влияние цепей обратной связи на результирующий коэффициент передачи. При включении ОУ инвертирующего усилителя по обеим входам выражения для коэффициентов передачи по каждому входу в области низких частот будут выглядеть следующим образом:
(11) 
(12)где
; 
; Ki – коэффициент передачи соответствующего плеча дифференциального каскада (рис. 1б).При условии, что все Ki равны по абсолютной величине, что легко выполнимо, выражения (11) и (12) можно представить как
; (13) 
. (14)Для неинвертирующего включения мультидифференциального ОУ по каждому из неинвертирующих входов коэффициент передачи можно представить как
(15) 
(16)Из выражений (11)–(16) следует, что при использовании многоконтурных ООС глубина обратной связи возрастает, в частности, в классическом ОУ для неинвертирующего включения при
= 0,5 коэффициент усиления будет близок к двум, а в рассматриваемом случае при 1 = 2 = = 0,5 коэффициент усиления будет близок к единице.Очевидно, что при одновременном использовании инвертирующих и неинвертирующих входов выходное напряжение ОУ можно определить согласно принципу суперпозиции, если сопротивление источников сигналов будет много меньше входных сопротивлений соответствующих входов.
Поскольку коэффициенты Кi– комплексные и, в общем случае, постоянные времени высоких частот каждого дифференциального каскада различны, передаточная функция для случая неинвертирующего включения ОУ будет иметь вид:
(17)поэтому обеспечение устойчивости такого усилителя может оказаться сложной, но решаемой задачей.
Ток потребления стандартного ОУ складывается из следующих составляющих (если входной одиночный дифференциальный каскад выполнен аналогично рис. 2):
IОУ = IВК + I1 + 2I0» 2I1 + 2I0, (18)
где IВК, I1, 2I0– токи, потребляемые выходным, промежуточным и входным дифференциальным каскадами.
Для схем мультидифференциальных ОУ, представленных на рис. 2 и 4 соответственно
IОУ = IВК + 2I1 + 4I0, (19)
IОУ = IВК + 2I1 + 6I0, (20)
откуда следует, что ток МОУ возрастает весьма незначительно по сравнению с классическим.
3. Обобщенная структура и основные свойства электронных схем с мультидифференциальными ОУ
Увеличение числа входов дифференциальных каскадов, как это было показано ранее, приводит к снижению коэффициента ослабления синфазного сигнала, причем он может зависеть от требуемого количества входов. Кроме этого, необходим поиск особенностей функционально-топологиче-ских принципов введения в схему дополнительных (компенсирующих) обратных связей и, следовательно, анализ основных свойств электронных схем с МОУ.
Для решения поставленной задачи воспользуемся обобщенной структурой электронных схем с МОУ (рис. 5).
Рис. 5. Обобщенная структура с мультидифференциальными ОУ
Из векторного сигнального графа (рис. 6) этой структуры следует система векторно-матричных уравнений:
(21)Смысл векторов
следует из рис. 6. Векторы 
, 
размерностью N´1 описывают расщепитель входного сигнала x0 и связывают его с инвертирующим (-) и неинвертирующим (+) входами 
мультидифференциальных ОУ 
. Матрицы 
, 
образованы локальными пе-редаточными функциями пассивной подсхемы, обеспечивающей передачу и преобразование сигнала со входа i-го активного элемента на j-й инвертирующий или неинвертирующий входы l-го МОУ. Активные элементы описываются диагональными матрицами размера (N´N):