7.2. Простейшие схемы операционных усилителей

В предыдущем разделе были рассмотрены общие требования к структуре операционных усилителей. Из этих требований следует, что в схеме операционного усилителя на входе желательно иметь каскад дифференциального усиления, а на выходе-эмиттерный повторитель. Именно такой структурой обладает представленная на рис 7.2 простейшая схема операционного усилителя.

Рис 7.2 Простой операционный усилитель

Для того чтобы транзистор T₂ уже при малых величинах входного сигнала не заходил в область насыщения или отсечки, потенциал на его коллекторе при отсутствии сигнала должен быть приближенно равен ¹/₂V⁺ Величина же выходного потенциала при отсутствии сигнала должна равняться нулю. Для сдвига уровней, обеспечивающего гальваническую связь каскадов, используется стабилитрон В приведенной схеме напряжение стабилизации стабилитрона должно составлять ^l/₂V⁺ — 0,6 В. Если величина синфазного сигнала на входах усилителя равна нулю, то при правильно выбранных параметрах схемы потенциал коллектора транзистора T₂ может изменяться от нуля до V⁺. Диапазон изменений выходного напряжения усилителя составит при этом ± ^l/₂V⁺. При наличии положительного синфазного сигнала на входах усилителя диапазон изменения выходного напряжения уменьшается на соответствующую этому сигналу величину в отрицательной области.

Операционный усилитель с одним каскадом усиления напряжения практически пригоден только для использования в качестве следящего усилителя, схема которого изображена на рис. 7.3.

Рис 7.3 Следящий усилитель

Коэффициент усиления цепи, охваченной отрицательной обратной связью А = 1, получается при достаточном коэффициенте петлевого усиления. Для такого узкоспециального применения в схему усилителя введены некоторые изменения, показанные на рис. 7.3. Для повышения петлевого усиления и нагрузочной способности усилителя оба резистора rc и re заменены источниками постоянного тока.

Потенциал эмиттеров каскада дифференциального усиления составляет U_e- 0,6 В. Так как благодаря действию обратной связи U_a = U_e, потенциал базы транзистора T₃ равен U_e + 0,6 В Таким образом, напряжение коллектор-эмиттер для транзистора Т₁ составляет 0,6 В, а для транзистора T₂ равняется 1,2 В. Эти величины не зависят от приложенного входного напряжения, так что схема с таким распределением потенциалов вполне работоспособна. Это позволило исключить из нее стабилитрон, который в схеме на рис. 7.2 использовался для смещения выходного напряжения. Поскольку все потенциалы электродов транзистора T₁ повторяют изменения входного напряжения, такая схема обладает высоким входным сопротивлением и малой входной емкостью. Следящие усилители, работающие как указано выше, выпускаются промышленностью в монолитном интегральном исполнении (например, усилитель LМ 310 фирмы National).

7.3. СТАНДАРТНАЯ СХЕМА ИНТЕГРАЛЬНОГО ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Операционные усилители универсального применения должны обеспечивать значительно больший дифференциальный коэффициент усиления, чем усилители с одним каскадом усиления напряжения Одна из наиболее распространенных схем операционного усилителя типа 741 представлена на рис 7.4

Рис 7.4 Принципиальная схема интегрального операционного усилителя A 741

Входной каскад выполнен по схеме дифференциального усилителя на р-n-р-транзисторах T₁ и T₂. Источник тока T₄ служит в качестве сопротивления нагрузки транзистора T₂. Ток этого стабилизированного источника, однако, не является неизменным, так как транзистор T₄ совместно с транзистором T₃ образует по отношению к коллекторному току транзистора T₁ так называемую схему тонового зеркала Для выходного тока входного каскада можно, таким образом, записать следующее соотношение

I_k = I_C1 – I_C2

Благодаря тому что выходным сигналом дифференциального каскада является разностный ток, синфазные изменения коллекторных токов входных транзисторов взаимно компенсируются, что значительно ослабляет синфазные входные сигналы.

Эмиттеры транзисторов T₃ и T₄ подключены к внешним выводам интегральной микросхемы, которые служат для установки нулевой точки. При помощи внешних потенциометров, подключаемых к этим выводам, можно изменять соотношение между токами коллекторов транзисторов T₁ и T₂.

Второй каскад усиления образует составной транзистор T₅, T₆ Он включен по схеме с общим эмиттером и имеет в качестве нагрузочного сопротивления источник тока Конденсатор С_k предназначен для коррекции частотной характеристики Расчет параметров цепей частотной коррекции будет подробно рассмотрен в следующем разделе.

Выходной каскад образуют транзисторы T₇, T₈. Они включены по схеме комплементарного эмиттерного повторителя с малым током покоя (двухтактное включение в режиме АВ) Такое включение транзисторов подробно рассматривается, в гл 15.

Теперь оценим дифференциальное усиление такой схемы. Для обеспечения малых входных токов транзисторы входного каскада работают с коллекторным током ~ 10 мкА Их крутизна S при таком токе составляет приблизительно 0,4 мА/В Крутизна всего дифференциального каскада, как было показано в разд. 4.7 1, составляет половину этой величины Так как каждый из входных транзисторов состоит в действительности из двух идентичных транзисторов, эта величина еще уменьшится вдвое. Правда, благодаря наличию схемы «токового зеркала» на транзисторах T₃, T₄ она снова удваивается. Таким образом, для входного каскада результирующее значение крутизны равно

Для определения суммарного коэффициента усиления по напряжению для входного каскада необходимо по аналогии со схемой на рис 4.11 рассчитать величину эквивалентного сопротивления нагрузки. В соответствии со схемой замещения, изображенной на рис. 7.5, для приведенных значении токов покоя оно составит r_общ = 2 МОм. Отсюда получается, что коэффициент усиления входного каскада равен 400.

Рис 7.5 Низкочастотная схема замещения входного каскада для режима малого сигнала

Крутизна каскада усиления S' на составном транзисторе при I’_C ⁼ 300 мкА в соответствии с расчетом, проведенным в разд 4.6, составит около 6 мА/В. При выходном нагрузочном сопротивлении R_L = 2 кОм расчет по схеме замещения в режиме малого сигнала, представленной на рис. 7.6, дает для этого каскада величину коэффициента усиления около 450.

Рис 7.6. Низкочастотная схема замещения выходного каскада для режима малого сигнала

Коэффициент усиления всего операционного усилителя, таким образом, составит

A_D = 400 450 = 1,8 10⁵

В действительности величина измеренного коэффициента усиления оказывается несколько ниже Различие фактического и расчетного значений объясняется неучтенной паразитной отрицательной обратной связью между выходными и входными цепями [7.1]

Как можно видеть из рис 7.6, выходной эмиттерный повторитель управляется высокоомным источником сигнала, внутреннее сопротивление которого равно выходному сопротивлению второго каскада усиления напряжения. В соответствии с рис 7.6 оно составляет 120 кОм; если коэффициент усиления по току выходных транзисторов достигает 100, выходное сопротивление операционного усилителя не превысит 1,2 кОм