9.2.3 Принципиальная схема

На рисунке 9.4 приведена принципиальная схема ОУ первого поколения типа К140УД1.

Первый усилительный каскад на транзисторах VT1, VT3 представляет собой симметричный дифференциальный каскад, на транзисторе VT2 выполнена динамическая нагрузка, транзистор VT5 в диодном включении предназначен для термостабилизации режима работы VT2. Сигналы с коллекторов VT1 и VT3 подаются на входы второго каскада, собранного на транзисторах VT4, VT6 - это несимметричный дифференциальный каскад. В несимметричном усилителе в коллекторной цепи одного из транзисторов отсутствует сопротивление, что позволяет снимать сигнал относительно общей шины. Для того, чтобы при отсутствии входного сигнала потенциал выхода и входов был одинаков, необходимо возросший потенциал коллектора VT6, который приложен к базе VT7, снизить до уровня потенциала на

Рисунок 9.4 - Принципиальная схема ОУ типа К140УД1

входе усилителя. Эта задача решается в третьем каскаде. Транзистор VT8 является источником тока (его коллекторный ток определяется неизменным потенциалом, поданным на базу с резистора R6), поэтому падение напряжения U_R9 от этого тока тоже величина постоянная. Достаточно подобрать сопротивление R₉, чтобы

U_эбVT7 + U_R9 + U_бэVT9 = _бVT7 - _9.10 = _KVT6 - _9.10

При этом потенциал выхода (вывод 5) будет равен потенциалу входов.

Кроме согласования уровней в третьем каскаде осуществляется усиление сигнала, причем в каскаде действует положительная обратная связь, которая вводится с помощью делителя напряжения на резисторах R₁₁, R₁₂. При положительном сигнале на неинвертирующем входе (вывод 10) на выходе (5) появляется положительное напряжение. Часть этого напряжения, снимаемая с резистора R₁₂, через R₁₀ поступает на эмиттер VT8, уменьшая разность потенциаловU_бэVT6 и тем самым подзапирая его относительно режима покоя. Уменьшение коллекторного тока VT8 уменьшит падение напряжения U_R9, а значит, повысит потенциал на базе VT9, что приведет к дальнейшему увеличению выходного напряжения. Выходной каскад на VT9 R₁₁, R₁₂ представляет собой эмиттерный повторитель. Он осуществляет усиление сигнала по мощности и снижение выходного сопротивления.

9.2.4 Характеристики и параметры оу

Параметры ОУ подразделяют на четыре группы: входные, выходные, передаточные и питания.

К последней группе относятся напряжения питания и их допустимые отклонения, а также ток, потребляемый ОУ в режиме покоя. К группе входных параметров относятся следующие: напряжение смещения, входные токи, входные сопротивления, коэффициент ослабления синфазного сигнала, допустимые синфазное и дифференциальное входные напряжения. Напряжение смещения (е см) - это постоянное напряжение, которое необходимо подать на вход, чтобы выходное напряжение ОУ было равно нулю. Появление выходного напряжения при закороченных входах обусловлено неидентичностью параметров элементов, входящих в дифференциальные каскады, а также технологическим разбросом параметров элементов, входящих в цепи компенсации постоянного напряжения.

Входные токи (I_вх1, I_вх2) обусловлены необходимостью обеспечить нормальный режим работы дифференциального каскада на биполярных транзисторах. Если входной каскад выполнен на полевых транзисторах, то входные токи - это токи всевозможных утечек. Если к обоим входам ОУ подключены источники сигналов с разными внутренними сопротивлениями, то входные токи даже в идеальном каскаде (оба входных тока одинаковы) создают разные падения напряжения на этих сопротивлениях. В этом случае между входами ОУ появится дифференциальное напряжение, изменяющее выходной сигнал. Для уменьшения этого напряжения сопротивления, подключенные к обеим входам, следует выбирать одинаковыми. В качестве параметра ОУ приводится и разность входных токов (I_вх = I_вх1 – I_вх2). Входные сопротивления в зависимости от характера подаваемого сигнала подразделяют на дифференциальное (для дифференциального сигнала) и синфазное (сопротивление общего вида). Входное дифференциальное (R_диф) сопротивление определяется как полное входное сопротивление со стороны любого входа, в то время как второй вход соединен с общей шиной, т.е. это сопротивление между двумя входными выводами. Синфазное сопротивление (R_сф) определяется как сопротивление между общей шиной и соединенными между собой входами. R_сф обычно на два порядка больше R_диф.

Допустимое дифференциальное напряжение (U_диф) - это максимальное напряжение между входами ОУ.

Допустимое синфазное напряжение (U_сф) - это максимальное напряжение между каждым входом и общей шиной.

Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений (К_ос.сф) характеризует способность ОУ подавлять сигналы приложенные к обоим входам одновременно. К_ос.сф определяется как отношение напряже­ния синфазного сигнала, поданного на оба входа, к дифференциальному входному напряжению, которое обеспечивает на выходе тот же сигнал, что и в случае синфазного напряжения:

К группе выходных параметров относятся выходное сопротивление, выходное напряжение, выходной ток. Выходное сопротивление (R_вых) - величина равная отношению приращения выходного напряжения к вызывающей его активной составляющей выходного тока. Выходное напряжение (U_вых) - это напряжение на выходе в режиме насыщения. U_вых приводится для области плюсовых и минусовых значений. Выходной ток (I_вых); ток нагрузки (I_н) - это предельно допустимое значение тока ОУ. Иногда взамен I_н приводится допустимое значение сопротивления нагрузки (R_н).

К группе передаточных параметров относятся коэффициент усиления по напряжению (К); частота единичного усиления (f₁); скорость нарастания выходного напряжения, время установления и восстановления. Коэффициент усиления определяется как и в обычных усилителях. Частота единичного усиления - это частота на которой коэффициент усиления ОУ равен единице. Иногда в технических условиях приводится полоса пропускания ОУ.

Кроме рассмотренных основных параметров, ОУ характеризуются довольно значительной группой специфических параметров, что обусловлено их применением в схемах самого разнообразного назначения.

Из характеристик наиболее важными являются амплитудная и АЧХ. Их вид приведен на рисунке 9.5.

Передаточная (амплитудная) характеристика приводится по каждому входу. Кривая 1 (рисунок 9.5а) для сигнала поданного на неинвертирующий вход, а кривая 2 - для инвертирующего входа. На участках а-б и а'-б' усилитель работает в линейном режиме; остальные области - это режим насыщения. Пунктирная линия соответствует наличию положительного напряжения смещения. Особенность АЧХ ОУ состоит в том, что он усиливает сигналы постоянного тока, т.е. _н = 0 (рисунок 9.5б).

а б

Рисунок 9.5 - Характеристики ОУ