Токоразностный усилитель

Токоразностный усилитель, называемый также усилителем Нортона, в отличие от обычных операционных усилителей уси­ливает разность входных токов, а не разность входных напря­жений. Главное преимущество токоразностных усилителей за­ключается в том, что они работают с одним источником пита­ния. Обычные операционные усилители могут также работать с одним источником питания, но иногда теряют работоспособ­ность.

Рис. 46 Условные обозначения токоразностного усилителя.

Этого не случается с токоразностными усилителями, при­чем точность их работы такая же, как и обычных интегральных операционных усилителей. На рис. 46 приведены два наибо­лее распространенных условных обозначения токоразностных усилителей. Наиболее популярное условное обозначение содер­жит источник тока между инвертирующим и неинвертирующим.

В качестве примера рассмотрим счетверенный токоразностный усилитель в интегральном исполнении МС3401 фирмы Motorola. Счетверенный токоразностный интегральный операционный усилитель МС3401 требует источника питания от 5 до 18 В. Он имеет внутреннюю частотную коррекцию, и для него типично А = 2000. Типичное значение тока смещения составляет 50 нА, входное сопротивление 1 МОм, и выходной ток изменяется ли­нейно в пределах 1 мА.

Схемы токоразностных усилителей существенно отличаются от таковых для обычных ОУ (рис. 47, а). Транзисторы Т₅и Т₁₀ образуют источники неизменного тока, которые действуют как активные нагрузки соответственно для усилителя Т₁с об­щим эмиттером и эмиттерного повторителя Т₂. Транзистор Т₅обеспечивает высокий коэффициент усиления для Т₁,а Т₁₀соз­дает смещение для Т₂,требуемое для его работы в линейном режиме класса А. Транзистор Т₄действует как эмиттерный повторитель для Т₁ и обеспечивает развязку Т₁от Т₂. Транзистор Т₄обеспечивает усиление по току для управления Т₂; таким образом, Т₁может работать при низком коллекторном токе и поэтому будет требовать меньше входного тока.

Рис. 47. Токоразностный операционный усилитель фирмы Motorola MC3401: а – схема усилителя; б – схема получения напряжения смещения.

К базе транзи­стора Т₁подключается инвертирующий вход усилителя. Кон­денсатор обеспечивает частотную коррекцию. Транзистор Т₃ и диод Д₁образуют токовое зеркало для неинвертирующего входа. Транзистор Т₃и диод Д₁подобраны так, что ток I тран­зистора Т₃ равен току неинвертирующего входа. Ток неинвер­тирующего входа называется зеркальным током I_З.

Схема, приведенная на рис. 47, б, обеспечивает опорные напряжения для источников неизменного тока Т₅,и Т₁₀. Падения напряжения на диодах Д₂, Д₃ и Д₄образуют опорные напряжения. Напряжение на сопротивлении R₁будет

U_R1 = U_Д3 + U_Д4 - U_БЭТ8.

Ток р– п– р-источников тока устанавливается равным U_БЭ /R₁с помощью Т₆,ток коллектора которого равен току кол­лектора Т₈. Транзистор Т₇обеспечивает при фиксированном по­тенциале дополнительный ток базы р–п–р-источника тока с целью уменьшения влияния нагрузки. Ток через диод Д₅ равен

I_Д5= U_R2/R₂ =(U_Д2 + U_Д3 + U_Д4– U_БЭТ9– U_Д5)/R₂.

Напряжение базы Т₁₀равно напряжению на Д₅. Так как характеристики Д₅ аналогичны таковым для Т₁₀,то I_Т10 = I_Д5.

Если, как это обычно бывает, I₃неизменен, в то время как U_вхна инвертирующем входе возрастает, то ток базы Т₁увели­чивается, вызывая уменьшение U_КТ1и напряжения эмиттера Т₂. Если U_вхпонижается, то ток базы Т₁понижается, а U_выхвозрастает. Так осуществляется инвертирование входного сиг­нала.

Если ток инвертирующего входа удерживается постоянным, а ток неивертирующего входа понижается, то в результате I_Т3понижается, вызывая увеличение I_БТ1 = I_вх– I_КТ3. Так как I_БТ1увеличивается, то выходное напряжение уменьшается.