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 Т ₅и Т ₁₀ образуют источники неизменного тока, которые действуют как активные нагрузки соответственно для усилителя Т ₁с об­щим эмиттером и эмиттерного повторителя Т ₂. Транзистор Т ₅обеспечивает высокий коэффициент усиления для Т ₁,а Т ₁₀соз­дает смещение для Т ₂,требуемое для его работы в линейном режиме класса А. Транзистор Т ₄действует как эмиттерный повторитель для Т ₁ и обеспечивает развязку Т ₁от Т ₂. Транзистор Т ₄обеспечивает усиление по току для управления Т ₂; таким образом, Т ₁может 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 Т ₁подключается инвертирующий вход усилителя. Кон­денсатор обеспечивает частотную коррекцию. Транзистор Т ₃ и диод Д ₁образуют токовое зеркало для неинвертирующего входа. Транзистор Т ₃и диод Д ₁подобраны так, что ток I тран­зистора Т ₃ 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 Т ₅,и Т ₁₀. Падения напряжения на диодах Д ₂, Д ₃ и Д ₄образуют опорные напряжения. Напряжение на сопротивлении R ₁будет

U_{R 1} = U _Д3 + U _Д4 - U _{БЭ Т 8}.

Ток р – п – р -источников тока устанавливается равным U _БЭ / R ₁с помощью Т ₆,ток коллектора которого равен току кол­лектора Т ₈. Транзистор Т ₇обеспечивает при фиксированном по­тенциале дополнительный ток базы р – п – р -источника тока с целью уменьшения влияния нагрузки. Ток через диод Д ₅ равен

I _Д5= U_{R 2}/ R ₂ = (U _Д2 + U _Д3 + U _Д4– U _{БЭ Т 9}– U _Д5)/ R ₂.

Напряжение базы Т ₁₀равно напряжению на Д ₅. Так как характеристики Д ₅ аналогичны таковым для Т ₁₀,то I_{Т 10} = I _Д5.

Если, как это обычно бывает, I ₃неизменен, в то время как U _вхна инвертирующем входе возрастает, то ток базы Т ₁увели­чивается, вызывая уменьшение U _{К Т 1}и напряжения эмиттера Т ₂. Если U _вхпонижается, то ток базы Т ₁понижается, а U _выхвозрастает. Так осуществляется инвертирование входного сиг­нала.

Если ток инвертирующего входа удерживается постоянным, а ток неивертирующего входа понижается, то в результате I_{Т 3}понижается, вызывая увеличение I _{Б Т 1} = I _вх– I _{К Т 3}. Так как I _{Б Т 1}увеличивается, то выходное напряжение уменьшается.