Искусство схемотехники. Том 3 [Изд.4-е] - Пауль Хоровиц

Давайте начнем с попытки применить «пару с последовательной обратной связью», рассмотренную в разд. 4.27. (Сверить название с приведенным в 4.27.) На рис. 14.28 показана наша первая попытка, где мы задействовали пару супербета малошумящих транзисторов при комбинированных коллекторных токах в 5 мкА с расчетным коэффициентом передачи (R2/R3), равным 200 (46 дБ).

Рис. 14.28.

Структура цепи смещения не показана. Ток покоя транзистора Т1 устанавливается с помощью выбора падения напряжения UБЭ на резисторе R1, а резистор R2 задает коллекторное напряжение транзистора Т2, поскольку определяет его ток покоя. Сами внутренние эмиттерные сопротивления rэ достаточно большие и равны соответственно 12 кОм и 8 кОм, как плата за малые коллекторные токи.

Два таких каскада при их коэффициенте передачи 90 дБ и токе покоя 10 мкА, кажется, могли бы решить эту задачу, вероятно, потребовалось бы установить на выходе эмиттерный повторитель. Однако, как мы упомянули ранее, влияние емкости может быть разрушительным для схем с малыми токами и высокими значениями полного сопротивления. Давайте рассмотрим, что делает емкость с рабочими характеристиками этой схемы. Для оценки эффекта Миллера необходимо выяснить, как коэффициент усиления по напряжению распределяется между этими двумя транзисторами. Транзистор Т2 имеет сопротивление rэ = 8 кОм, так что его коэффициент усиления по напряжению составит приблизительно 85; первый каскад с эмиттерной обратной связью дает коэффициент усиления приблизительно 2,4. Во втором каскаде с высоким коэффициентом усиления эффект Миллера может преобладать и определять спад частотной характеристики усилителя. Действительно, для нашего случая транзистор 2N5087 имеет Скб = 6,5 пФ при напряжении (Uкб = 2 В, которая действует как входная емкость 550 пФ на землю в цепи базы. Реактивное сопротивление этой емкости Миллера равно значению сопротивления R1 на частоте 1 кГц и может вызвать на этой частоте спад частотной характеристики в 3 дБ при отсутствии общей отрицательной обратной связи. С обратной же связью спад частотной характеристики начинается выше приблизительно с частоты 4,4 кГц, что неудовлетворительно для усилителя звуковых частот, в идеальном случае она должна быть плоской до частоты 20 кГц.

Решение этой проблемы основано на том, чтобы понять, что здесь «убийцей» является емкость Скб (из-за эффекта Миллера) и использовать тогда транзистор с очень низким значением Скб. Сам p-n-p-транзистор 2N4957 представляет собой удачный выбор, малошумящий ОВЧ-усилитель с высоким коэффициентом усиления и с Скб = 0,6 пФ при напряжении 2 В. На рис. 14.29 показана итоговая схема с каскадным включением двух пар с последовательной обратной связью и выходным эмиттерным повторителем.

Рис. 14.29. Микромощный усилитель звуковых частот с высоким коэффициентом усиления. Ключи на полевых транзисторах позволяют вводить затухания, начиная с максимального усиления, как показано.

Вторая пара имеет большее значение резистора в цепи эмиттера для надлежащего смещения при связи по постоянному току с первым каскадом. Переключение коэффициента передачи сделано с помощью КМОП-матрицы ключей 4066В, которая имеет низкий уровень шума и хорошую внутреннюю изоляцию между ключами.

Развязка источника питания является хорошей идеей для схемы усилителя с высоким коэффициентом передачи, подобному этому. В том случае, когда все ключи замкнуты, этот усилитель имеет коэффициент передачи 90 дБ (переключаемый до 30 дБ при различных комбинациях в замыкании ключей), ширину полосы пропускания 27 кГц и приведенное ко входу напряжение шума 12 нВ/√Гц; при полном сопротивлении источника 50 кОм его шум-фактор составляет 1,1 дБ. Для сравнения стоит указать, что КМОП ОУ СА3440, который мы рассматривали вначале, имеет на 20 дБ больший уровень шума (еш = 110 нВ/√Гц); даже прекрасный биполярный ОУ фирмы PMI ОР-90 имеет еш = 40 нВ/√Гц при токе питания 20 мкА и произведение усиление — полоса пропускания 25 кГц (что обеспечивает скудное усиление только 2 дБ на частоте 20 кГц). Для этой прикладной задачи технические приемы проектирования на дискретных элементах являются обязательными.

Может показаться парадоксальным применение ОВЧ-транзисторов в диапазоне звуковых частот, но наш пример продемонстрировал, что это дает хороший эффект. В справочных пособиях по РЧ можно найти несколько таких «драгоценностей». Например, транзистор MRF9331 имеет Скб = 0,25 пФ при напряжении 0 В (!) и частоту fT = 5 ГГц при токе 1 мА. Эти приборы ориентированы для работы при низких значениях напряжений и токов и предназначены для питаемых от батарей систем связи. Например, при реальных измерениях транзистор MRF9331, который функционирует при UKЭ = 1,5 В, имеет h21Э = 30 при токе 10 нА и 60 — при 1 мкА.

Как и в обычных ситуациях, при разработке линейных устройств соблазнительно отказаться от дискретных маломощных транзисторов в пользу микромощных ОУ, предусматривая, что они могут обеспечить необходимые рабочие характеристики. Постоянный прогресс в технологии биполярных линейных ИС наряду с недавними улучшениями в производстве интегральных КМОП-схем привел к обоснованному выбору микромощных ОУ.

Имеется, однако, несколько серьезных компромиссов и конструкторских неудобств при использовании микромощных ОУ. Давайте рассмотрим некоторые из этих проблем. При всех остальных одинаковых характеристиках уменьшение рабочего тока ОУ вызывает соответствующее понижение частоты единичного усиления fT и максимальной скорости нарастания выходного напряжения, увеличение выходного полного сопротивления Zвых, появление искажений типа «ступенька» и возрастание входного шумового напряжения еш. В большинстве случаев имеется также тенденция к снижению имеющегося выходного тока возбуждения Iвых. Кроме этих нежелательных характеристик схемные ухищрения, необходимые при проектировании микромощных ОУ, могут привести к дополнительным патологиям, как например, вероятность низкочастотных возбуждений (рокот из-за самовозбуждения НЧ-каскадов), ключевой режим с фиксацией состояния или недостаточный диапазон схемы подстройки входного смещения.

Во многих случаях микромощное проектирование означает проектирование с батарейным питанием, зачастую с единственным (и вероятно, нестабилизированным) источником постоянного напряжения. Функционирование ОУ при наличии единственной низковольтной батареи приведет только к ограничению размаха выходного сигнала; для того чтобы сохранить хороший динамический диапазон и точность при этих малых сигналах, необходимо иметь меньшие значения Uсдв в сравнении с обычной схемой, использующей напряжения источников питания ±15 В. Например, ОУ, который может обеспечить размах выходного сигнала только на 2 В ниже максимальных перепадов источника питания, ограничен в обеспечении максимального двойного размаха напряжением 3 В, при питании его от единственной батареи с напряжением 9 В (которое падает до 7 В в конце срока службы), сравните с 26 В двойного размаха при запитывании от источника питания с напряжением +18 В. В этом примере вам потребовалось бы поддерживать входные смещения ОУ приблизительно в 10 раз меньше (при проектировании с батарейным питанием) с целью поддержания эквивалентной точности.

Программируемые и микромощные ОУ. Существуют две категории операционных усилителей, которые пригодны при проектировании микромощных устройств, а именно программируемые ОУ и маломощные ОУ.

Программируемые ОУ (разд. 4.13) аналогичны обычным ОУ, но имеют дополнительный контакт «программирования», который позволяет установить рабочие токи внутри самой ИС. Типично для программируемых ОУ использование токовых зеркал в различных модификациях с целью задания рабочих токов их внутренних каскадов таким образом, что сам общий рабочий ток покоя кратен этому программируемому току Iуст. Обычный способ задания тока Iп состоит в том, чтобы «прицепить» резистор между контактом программирования и одним из источников питания (обычно U_), поскольку контакт программирования непосредственно питает током токовое зеркало. Допустимы токи покоя, достигающие микроампера или меньше, хотя при соответствующем ухудшении динамических характеристик (например, при Iп = 1 мкА программируемый ОУ 4250 имеет SR = 0,005 В/мкс и fT = 0,01 МГц). Некоторые наиболее популярные программируемые ОУ — это LM346 и 4250 (оба биполярные) и КМОП ОУ СА3440.