Transcript операционные усилители, эффект Эрли и эффект Миллера

Схемотехника операционных
усилителей
Ограничение на коэффициент
усиления, основной полюс
частотной характеристики
Коэфф. усиления "длиннохвостой"
пары (long-tailed pair)
I1
R
R
U1
E1
Vs
I2
U2
Q1
Q2
E2
Ue
0
Vs
I
• (I1 – I2)/I= {exp(E1/VT) - exp(E2/VT)} / {exp(E1/VT) + exp(E2/VT)},
в линейной области = (E1 - E2)/(2VT)
• Коэффициент усиления по напряжению пропорционален
сопротивлению нагрузки и току источника: (U1 - U2)/(E1 - E2) = IR/(2VT)
• Увеличение сопротивления нагрузки, как и рабочего тока, снижает
размах выходного напряжения
Активная нагрузка (Active Load)
+V
Q1
Q3
Q2
Q4
½ I i1
VS
I1
i1 ½ I
I2
I2
O UT
Q6
i2 i3
Q5
E1
E2
RL
0
I1
0
I
-V
•
•
•
I2-I1
0
VS
I1
Ri
Q7
Q8
Q9
Q 10
По постоянному току плечи сбалансированы, в каждом плече течет по
половине суммарного тока эмиттеров транзисторов дифференциальной пары
(за вычетом токов баз)
Замена резистора в нагрузке на источник тока размыкает связь между
выходным падением напряжения и выходным током. Размах выходного
напряжения может достигать максимального значения при любом
коэффициенте усиления (теоретически).
Коэффициент усиления по напряжению больше, чем при пассивной нагрузке.
Кроме того, транзисторы занимают на кристалле меньше места, чем
резисторы.
Токовое зеркало (Current Mirror)
Wilson
Current
Mirror
•
•
•
•
•
Согласованная пара (matched pair): транзистор Q1 соответствует по параметрам транзистору
Q2
Копирует ток, протекающий через одну цепь, в другую цепь, управляя транзистором. Может
использоваться для создания источника, ток через который не зависит от падающего на нем
напряжения (источник тока)
IREF = IC (1 + 2/β); IOUT = IC
Коллекторные токи транзисторов при различных напряжениях коллектор-база отличаются
вследствие эффекта Эрли (Early effect), появляется зависимость от падающего напряжения,
источник тока становится неидеальным.
Выходное сопротивление транзистора ro = (VA + VCB)/IC ; это также выходное сопротивление
токового зеркала.
Early Effect
VBE
n++
VCB
p
n+
AE
W
dn/dx
VCB
VCB
In
In
• Количество диффундировавших в коллектор зарядов обратно
пропорционально толщине базы вследствие соотношения:
ток In = AEqDndnp/dx ≈ AEqDn/(-np(0)/W)
Early Effect (продолжение)
• Без учета эффекта Эрли
транзистор выглядит
i (i )
идеальным источником
i (i )
тока – коллекторный ток
i (I )
не зависит от VCB
VCC/RL
C B4
C B3
IС
C B
iC(iB1)
VCE
VCC
vCE
• С учетом эффекта,
ампер-вольтовые
характеристики в
активном режиме
растут. Будучи
(фиктивно) продолжены
в область отрицательных
падений напряжения,
они сходятся в одной
точке (VA , напряжение
Эрли)
• Типичное значение от VA
50В до 150В.
Эффект Эрли и токовое зеркало
• С учетом эффекта Эрли, ампер-вольтовая характеристика
транзистора имеет вид:
IC = IS {exp(vBE/vT) - 1}{1 + VCB/VA}
• Характеристики транзистора соответствуют идеальным, когда
напряжение Эрли бесконечно.
• Коэффициент усиления по току также зависит от VCB:
β = β0 (1 + VCB/VA)
• База первого транзистора в токовом зеркале соединена с
коллектором, для него β1 = β0 .
• Для второго транзистора β2 = β0 (1 + VCB,2/VA)
• Токовое зеркало перестает быть зеркалом.
• Оно также перестает быть идеальным источником тока –
выходное сопротивление становится конечным:
ro = (VA + VCB)/IC
Эффект Эрли и ограничение на максимальное
усиление входного каскада
Vcc
RS
B
C
IC
gmvπ
+
vin
Vin
vπ
rπ
—
IB
±
±
roQ
+
vout
—
roL
IE
E
–VEE
•
•
•
Заменяем для приближения слабого сигнала входной транзистор
экивалентной гибрид-пи схемой
Максимально возможный коэффициент усиления по напряжению есть
отношение транспроводимости к сумме выходной проводимости транзистора
нагрузки и выходного сопротивления транзистора дифференциального плеча:
Amax = gm/(goL + goQ) = (IC/vT)/(IC/VAL + IC/VAQ) = VA,eff/vT ;
где введено эффективное напряжение Эрли VA,eff = VALVAQ /(VAL+VAQ)
VA,eff существенно больше IRL, max
Эффект Миллера
• Входное сопротивление усилителя зависит
от цепи обратной связи
Z
A
•
•
•
•
•
•
•
•
Инвертирующий усилитель с бесконечным входным сопротивлением, но конечным коэффициентом
усиления A
На входе напряжение vin; на выходе vout = -Avin.
Импеданс в обратной связи Z.
В обратной связи течет ток (vout - vin)/Z = -(1+A)vin/Z
Из входной цепи должен втекать такой же ток Iin = (1+A)vin/Z (Kirchhoff Current Law)
Входной импеданс Zin = vin/Iin = Z/(1+A). Если обратная связь омическая, входное сопротивление меньше,
чем сопротивление обратной связи.
Если обратная связь емкостная, то входная цепь будет нагружена на емкость в (1+A) раз большую, чем (сама
по себе) емкость в цепи ООС.
Источник на входе "видит" суженную частотную характеристику по сравнению с оценкой без учета эффекта.
Эффект Миллера в схеме с общим
эмиттером
• Схема с общим эмиттером есть
инвертирующий усилитель напряжения.
Vcc
IC
RB
vS
VBB
±
+
IB VBE
RL
+
VCE
—
—
• Емкость перехода коллектор-база в этой схеме включения
действует как Миллеровская емкость, т.е., ее влияние на
частотную характеристику увеличивается в 1+A раз, где A –
коэффициент усиления каскада по напряжению. Типичное
значение емкости коллекторного перехода порядка
пикофарады.
Эффект Миллера и длиннохвостая
пара
• В "длиннохвостой" паре влияние
эффекта Миллера может быть
устранено. Компенсирующее
эффект напряжение подается с
противоположного плеча и поэтому
в противофазе. Разумеется, выходы
каскада должны быть
симметричными.
• Для 10-килоомных нагрузок и
рабочего тока I1= 1 мА, без
транзисторов Q3 и Q4 частота, на
которой коэффициент усиления
снижается на 3 дБ, равна 2.2 МГц.
Дополнительные транзисторы
повышают эту частоту до 9.6 МГц.
Эффект Миллера и операционный усилитель
•
•
•
Схема операционного усилителя 741 (μa741 Texas, LM741 National)
Транзисторы Q15, Q19 (Дарлингтоновская пара) и Q22 образуют усилитель класса A с высоким
коэффициентом усиления (нагрузка – токовое зеркало Q12, Q13). Q16 смещает напряжение
на 1В.
Конденсатор 30 пФ вводит в частотную характеристику доминантный полюс: Миллеровская
компенсация