Глава первая

ОСНОВЫ СХЕМОТЕХНИКИ ОУ

Прежде чем рассмотреть полные принципиальные схемы ОУ, кратко ознакомимся с простыми элементами входных и выходных каскадов, а также дадим определение основным параметрам ОУ. В схемах ОУ первого поколения использовались простые дифференциальные усилители с малым коэффициентом усиления. Современные ОУ п.меют сложные входные и выходные каскады. Усовершенствования коснулись минимизации входных токов, обеспечения работоспособности ОУ при больших изменениях питающего напряжения, повышения амплитуды выходного напряжения, защиты ОУ от перегрузок, упрощения коррекции частотных характеристик и т. д. Следует отметить, что, несмотря на усложнение принципиальных схем, современные ОУ, как правило, имеют два усилительных каскада. Это упрощает включение ОУ в аппаратуру, так как для частотной коррекции требуется один конденсатор.

1. Источник тока

Источник тока (ИТ) позволяет устанавливать фиксированный ток смещения дифференциального каскада. Обладая высоким динамическим сопротивлением, источник тока часто используется как динамическая нагрузка в усилительном каскаде, заменяя высокоомный резистор.

В схеме на рис. 1,а при идентичных транзисторах ток h связан с током Ii логарифмической зависимостью [11]:

где фт - термический потенциал, равный 26 мВ при нормальной температуре.

При постоянном токе h путем изменения номинала резистора Rz можно менять значение тока h в пределах двух-трех декад. Если /?2 = 0, транзистор Гг является зеркальным отображением для тока /], т. е. hh. Для обеспечения малого тока /2 при /?2 = 0 требуется Ri около нескольких сотен килоом. Реализация такого значения сопротивления технологически затруднительна. Сравнительно небольшое значение резистора R2 позволяет получить большое отношение токов, так как R2 пропорционально логарифму отношения то-

Рис, 1. Схемы входных каскадов ОУ.

п мгючиик тока; б - дифференциальный каскад; в, г - дифференциальные каскады с источником тока; а - входной каскад ОУ типа 140УД7.

Так, при /i = l мА и /2=10 мкА достаточно /?2 = 12 кОм. Дополни kvii,ным преимуществом является то, что ток /2 относительно слабо i.iiiiKirr от изменений напряжений питания.

2. Входные каскады

OciKiiMiit любого ОУ является каскад дифференциального усили-1с1ч (И,У), нрннцтш.ип.пая схема которого приведена на рис. 1,6. Nl iLMimMii. (.(KiKiir nt лмф()С1)1111и1ального каскада иа транзисторах 7, и Тг с паг[)узоч111.1мп рсмпсторамн R>. Сигналы подаются на два пчода. Разность напряжений между двумя входами называется л11()()ерсициальным входным напряжением. Дифференциальный угплитель имеет два выхода. Выходной сигнал можно снимать с каждого выхода относительно земли или между выходами. Если оба 1х(да имеют одинаковый потенциал относительно земли, дифференциальное выходное напряжение равно нулю. Свойство усилителя ослаблять синфазный сигнал (сигнал, который имеется на обоих иходах), тем сильнее выражено, чем больше сопротивление резнс-•юра Ri. Однако выполнение резистора большого номинала при-иодит к значительному расходу площади подложки интегральной микросхемы.

Кроме того, синфазные сигналы приводили бы к изменению напряжения на эмиттерах транзисторов 7"i и Т и подавлялись бы в меньшей степени. Более совершенной является схема с источником тока (рис. 1, в).

Отметим, что введение в схему ДУ источника тока позволило, кроме того, значительно расширить возможности линейных и нелинейных преобразований сигналов с помощью ДУ. В [49] показано, что ряд функциональных узлов, построенных на основе ДУ, имеет более простые схемные решения, чем при использовании других микросхем.

Для повышения входного сопротивления включают дополнительные транзисторы, присоединенные по схеме Дарлингтона (рис. \,г). Каждый из составных транзисторов по усилению эквивалентен одному с эффективным коэффициентом усиления, равным произведению коэффициентов усиления по току двух транзисторов. Однако базовые токи и падения напряжения база-эмиттер в ДУ на составных транзисторах оказываются хуже согласованными, чем в ДУ на одиночных транзисторах. Дифференциальные усилители с полевыми транзисторами на входе обладают очень высоким входным сопротивлением, но имеют сравнительно большие напряжение смещения и его температурный дрейф. Вопросы улучшения параметров составных ДУ и ДУ на полевых транзисторах освещены в [40].

На рис. \,д изображена схема входного каскада ОУ типа 140УД7, основные элементы которой используются во многих современных схемах ОУ.

Входной сигнал подается на базы эмиттерных повторителей на Ti и Ге, с эмиттеров которых сигнал поступает на эмиттеры транзисторов Гг, Гт, включенных по схеме с общей базой. Ток, поступающий в базы транзисторов Гг, Г?, представляет собой разность токов двух ИТ. Ток источника h является задающим. Верхний на схеме источник тока (транзистор Гэ и транзистор Тъ, включенный диодом) не содержит резистора в эмиттерной цепи транзистора Тд. Поэтому суммарный коллекторный ток транзисторов Ti и Ге, управляющий этим источником тока, равен току h. Всегда выполняется соотношение I\ = h + h. С учетом того, что h-h, имеем: /i« h, т. е. ток ИТ определяет коллекторные токи транзисторов Т\, Та.

Транзисторы Гз и Га являются активными коллекторными нагрузками транзисторов Га и T и представляют собой каскады с общим эмиттером. Транзистор Гд задает уровень смещения каскадов, а также преобразует напряжение на коллекторе транзистора Гз в базовое напряжение, управляющее транзистором Ге. Таким образом, на выходе-коллекторе Гд выделяется полный дифференциальный сигнал.

Резисторы Ri и Rz включены для повышения внутреннего сопротивлепия динамических нагрузок. К ним подключается внешний резистор для балансировки ОУ, Такой метод балансировки практически очень удобен.

Рис. 2. Схемы выходных каскадов ОУ.

а-140УД1; б-153УД1;> в - 140УД7; г - композитный транзистор.

Uc подается в базу транзистора Ге. Для понижения потенциала базы транзистора Гэ (сдвига уровня) используется ИТ, собранный на транзисторе T и транзисторе Ге, включенном диодом.

Выходные каскады должны отдавать в нагрузку значительную мощность, иметь большой размах выходного напряжения в обе стороны от нуля и малый ток покоя. Желательна также защита I хемы ОУ от короткого замыкания нагрузки и перенапряжений иа иходе.

В первых схемах ОУ (140УД1, 140УД5) в качестве выходного каскада используется эмиттерный повторитель (рис. 2, а). Сигнал

Выходной каскад имеет коэффициент усиления больше единицы за счет действия положительной обратной связи по току, действующей через резисторный делитель Rio-Riz и транзистор Tj, включенный для сигнала по схеме с общей базой. Это увеличивает входной сигнал на базе транзистора Гэ.

Более экономичными являются выходные каскады классов В и АВ. На рис. 2,6 изображена схема оконечного каскада ОУ типа 153УД1.

Сдвиг уровня напряжения происходит за счет тока, протекающего по резистору Ru от эмиттера транзистора Гд. Сигнал с эмиттерного повторителя Та подается через цепь сдвига уровня на транзистор Тд, включенный по схеме с общей базой, и усилитель напряжения (транзистор Г12, резистор Rn и два эмиттерных повторителя на транзисторах Г13 и Тц разного типа проводимости).

Из-за нелинейности входных характеристик транзисторов искажения выходного напряжения за счет зоны нечувствительности при нулевом сигнале уменьшены в результате действия отрицательной обратной связи и напряжения смещения, воздействующего через резистор Ri3 на ток транзистора Тц. Коэффициент усиления выходного каскада определяется отношением R[3/R\\.

На рис. 2, в изображена более совершенная схема выходного каскада, используемого в ОУ типа 140УД7. Сигнал Uc подается на транзистор Tie, имеющий динамическую нагрузку в виде источника тока (на транзисторах Jis и Гц). С коллектора транзистора

сигнал поступает на эмиттерный повторитель на транзисторе Tie, имеющий в качестве нагрузки такой же источник тока, и эмит-терные повторители на транзисторах Тгз, Гп- Разделение токов обеспечивается наличием двух коллекторов у транзистора т15. Выходной каскад выведен в режим класса АВ с помощью цепочки начального смещения (транзисторы Тп, Tig, резистор Rs).

Транзисторы Т21, Т22 являются элементами защиты схемы при коротком замыкании нагрузки. Если ток через резистор Re или Rio превысит 25 мА, на этом резисторе появляется напряжение, превышающее 0,7 В. В результате откроется транзистор Г21 {Т22) и основная часть базового тока транзистора Газ (Ti-) 1тведется в нагрузку. При устранении короткого замыкания схема возвращается в рабочий режим.

В некоторых случаях вместо мощного р-п-р-транзистора используется композитный транзистор (рис. 2, г), состоящий из р-п-/7-трапзистора и обычного мощного п-/?-«-транзистора. В результате получается эквивалентный мощный р-п-р-транзистор с большим коэффициентом усиления.

Многие характеристики схем на ОУ с внешними обратными связями определяются параметрами ОУ.

Термины, определения, буквенные обозначения и методы измерения параметров ОУ содерж:агся в ГОСТ 18421-73, 19480-74, 19799-74 и справочнике [50].

Остановимся на определениях основных параметров.

Коэффициент усиления К - отношение приращения значения выходного напряжения к вызвавшему это приращение значению входного напряжения.

Измерение производится на переменном токе, чтобы отличить сигнал от смещения ОУ по постоянному напряжению. Этот коэффициент очень велик, поэтому необходимо тщательное экранирование, чтобы избежать помех, которые могут быть больше входного сигнала.

Входное сопротизяение Rax-величина, равная отношению при-1)ащсния входного напряжения к приращению активной составляющей входного тока при заданном значении частоты сигнала.

Это сопротивление часто называют входным сопротивлением для дифференциального сигнала, чтобы отличить его от входного сопротивления для синфазного сигнала Rcф. Последнее на два порядка и более превышает значение Rnx.

Замеряют Rx со стороны одного из входов при заземленном другом.

Синфазными входными напряжениями С/сф называются напряжения между каждым из входов ОУ и землей, а.мплптуды и фазы K(jTopi.ix совпадают. В частном случае, при закорачивании входов ОУ дифференциальное входное панряжеиие t/дф равно нулю, а синфазное входное напряжение равно напряжению между входами ОУ и землей.

Выходное сопротивление Rbmx - величина, равная отношению приращения выходного напряжения к вызывающей его активной составляющей выходного тока при заданном значении частоты сигнала.

Частота единичного усиления fi - частота, на которой коэффициент усиления равен единице.

Из-за ограниченной скорости нарастания выходного напряжения на частоте /1 возможна передача сигнала только малой амплитуды.

Для уменьшения влияния шумов значение определяют в схеме с ОС. При коэффициенте передачи, значительно большем единицы, цепь ОС практически не оказывает влияния на определение частоты fi.