6.5. Операційні підсилювачі окремого застосування

До інтегральних ОП окремого застосування відносять підсилю­вачі, які мають покращене значення одного з параметрів. Це ОП з підвищеним вхідним опором, прецизійні, мікропотужні, з дуже високим коефіцієнтом підсилення, з низьким рівнем дрейфу, з підви­щеною радіаційною стійкістю і т. д.

Інтегральні ОП з підвищеним вхідним опором. Підвищення вхідного опору ОП досягається двома способами: застосуванням у вхідному каскаді біполярних транзисторів з надвисоким коефіцієнтом передачі струму бази або використанням в тому ж каскаді польових транзисторів. Для підвищення вхідного опору диференційного підсилювача в його структурі використовують складені транзистори, які мають значно більший коефіцієнт передачі струму бази порівняно з одиночними транзисторами. При цьому вхідний опір підсилювача згідно з рівнянням (5.49) підвищується. Ди­ференційні каскади на складених транзисторах з цією метою використову­вались у ранніх випусках ОП. Але тепер за планарною технологією виго­товляють одиночні біполярні транзистори, які в режимі малих струмів мають дуже велике значення h_21Е, що досягає кількох тисяч. В таких транзисторах підвищення h_21Е за малих струмів досягається зменшенням товщини базового шару з відповідним підвищенням тривалості емітерної дифузії. Недоліком біполярних транзисторів з помірним і надвисоким h_21Е є зниження напруги пробою внаслідок малої товщини бази.

Рис. 6.9

Транзистори з надвисоким значенням h_21Е застосовують у вхідних дифе­ренційних каскадах ОП типу 140УД6 і 140УД14. Оскільки транзистори з надвисоким значенням h_21Е низьковольтні, то при компоновці схеми дифе­ренційного каскаду використовують каскадне ввімкнення цих транзисторів у парі з високовольтними, забезпечуючи близький до короткого зами­кання за змінним струмом режим роботи низьковольтних транзисторів.

Вхідний опір мікросхем 140УД6 і 140УД14 становить 2·10³ і 30·10³ Ом при дуже малих струмах (30 і 2 мкА) відповідно. Коефіцієнт підсилення К_пU =(50 ... 70)·10³ для мікросхемі: 140УД6 і К_пU = 50000 для мікросхеми 140УД14.

У схемі ОП типу 544УД1 (рис. 6.9) вхідний опір підвищений засто­суванням у вхідному диференційному каскаді польових транзисторівVТ2, VT5, активним навантаженням яких служать біполярні транзис­тори VТ1, VT4. Вхідний опір цього ОП приблизно 100 МОм, що зна­чно вище вхідного опору ОП на біполярних транзисторах у вхідному каскаді, а вхідний струм знижений до 150 нА. Транзистор и VT 1 і VT4 разом з емiтерним повторювачем на транзисторі VT3 одночасно перетворюють двофазний сигнал в однофазний, який через емітерний повторювач на транзисторі VT8 надходить на вхід каскаду проміжного підсилення на транзисторі VT9 з джерелом колекторного струму на УТІ0. Вихідний каскад виконаний на комплементарних транзисторах VT15, VT18, забезпечуючи малий вихідний опір ОП. Конденсатор ко­ригує внутрішню частотну характеристику ОП, звужуючи її, що запобі­гає самозбудженню підсилювача.

Рис. 6.10

Недоліком ОП 544УД1 є його чутливість до імпульсних завад. Тому необхідно застосовувати екрануючий пристрій або захищати входи польових транзисторів діодами. В останньому випадку струми витоку діодів зводять на ніщо всі переваги польових транзисторів у вхідному каскаді.

Інтегральні прецизійні ОП застосовують тоді, коли необхідна ви­сока стабільність характеристик, малі шуми і низький рівень дрейфу нуля. Схему прецизійного ОП 153УД5 подано на рис. 6.10. мікросхема має низьку напругу зміщення нуля (U_зм ≤ 1 мВ) з незначним дрейфом ΔU_зм /ΔT = 5 мкВ/°С), малий рівень шумів і високий коефіцієнт під­силення (К_пU ≥10⁶). Високоточні характеристики дістають своєрід­ним розміщенням хрест-навхрест транзисторів VТ1 і VT2 вхідного каскаду в кристалі, що суттєво знижує тепловий вплив з боку потужного вихідного каскаду. Крім того, навантаження цих транзисторiв чисто резистивне (резистори Rl, R2 i R4, R5), що дає мале відхилення вiд нуля вхідної напруги i зменшує рівень її дрейфу. Резистори створюють мостову схему установки нуля, i зовнішній потенціометр, який під’єднується до виводів 1, 8 (у діагональ моста), дозволяє робити це дуже плавно. Другий диференційний каскад на транзисторах VТ10, VТ13, добре розв'язаний вiд першого з допомогою емітерних повторю­вачів (транзистор и VT7, VT14), має динамічні навантаження (транзистори VT11, VT12). Це забезпечує високе підсилення ОП. Потужний вихідний каскад на тран­зисторах VT25, VT26 працює в режимі підсилення за схемою АВ.

Рис. 6.11

Високе підсилення ОП 153УД5 дозволяє вводити зовнішні кола глибокого не­гативного зворотного зв'язку, що додатково стабілізує характеристики підсилю­вача.

Мікропотужні ОП. До мікропотужних відносять ОП з мікроватним споживан­ням потужності. Це досягається зниженням напруги джерел живлення або зме­ншенням струмоспоживання. До мікропотужних ОП відносять мікросхеми 140УД12 і 153УД4, остання поступається за своїми характеристиками інтегральному ОП 140УД12.

Вхідний каскад цього ОП (рис. 6.11) являє собою диференційний підсилю­вач на повторювачах напруги (транзистори VT2 , VT5) і повторювачах струму(транзистори VT3, VT6), навантаженням яких нарівні з резисторами R1, R2 слу­жать транзистори VT 4, VT7. Останні також виконують функції перетворення дво­фазного сигналу в однофазний. Корисний сигнал передається через повторювач напруги VT13 на підсилювальний каскад VТ15 з динамічним навантаженням (транзистор VT16). Узгоджуючий підсилювальний каскад на транзисторі VТ20 в навантаженням R3 і VТ17 забезпечує розкачку двотактного вихідного каскаду на комплементарних транзисторах VT23, VT24, який працює в режимі підсилення АВ. Конденсатор С коригує внутрішню частотну характеристику підсилювача, забезпечуючи його стійку роботу.

При напрузі джерел живлення ± 3В і струмі зміщення 1,5 мкА ОП 140УД12 споживає потужність 150 мкВт. Коефіцієнт підсилення за напругою становить у цьому режимі 50000, а вхідний опір ­50 МОм.

Якщо збільшити напругу джерела живлення до ±15 В і струм змі­щення до 15 мкА, то при максимальній вихідній напрузі ± 10 В кое­фіцієнт підсилення зростає вдвоє, а вхідний опір зменшується на по­рядок.

Мікросхема 140УД12 працює в широкому діапазоні аміни напруги джерел живлення (від ± 1,2 В до ± 18 В). ДЛЯ такого режиму в даній ІМС передбачено регулювання струмів зміщення з допомогою зовніш­нього джерела, яке під'єднується до виводу 8. Якщо цим джере­лом змінювати струм колектора транзистора в діодному вмиканні VT12, то змінюються струми зміщення, які задаються джерелами стабільного струму на транзисторах VT8, VT9, VT10, VТ14, що взаємозв'я­зані через названий стабілізуючий транзистор VТ12. При цьому змі­нюються струми баз і колекторів транзисторів вхідного каскаду і кас­каду підсилення на транзисторі VТ15, що і зумовлює регулювання ос­новних параметрів ОП. Мікросхема 153УД4 може працювати при різ­них напругах джерел живлення, наприклад, при Е_к = ± 6 В струм споживання становить 0,7 мА.