4.2.2. Быстродействующие широкополосные операционные усилители
Они используются для преобразования быстроизменяющихся сигналов. Они характеризуются высокой скоростью нарастания выходного сигнала, малым временем установления, высокой частотой единичного усиления, а по остальным параметрам уступают ОУ общего применения. К сожалению для них не нормируется время восстановления после перегрузки.
Их основные параметры: скорость нарастания VU вых max ≥ 30 В/мкс; время установления tуст ≤ 1 мкс; частота единичного усиления f1 ≥ 10 МГц.
4.3. Лабораторные задания и методические указания по их выполнению
Согласно данным варианта лабораторного задания выполнить схемотехническое проектирование и моделирование схемы ОУ. Исходные данные представлены в табл.
4.3.1. Разработка электрической схемы операционного усилителя
Разработка электрической принципиальной схемы является самым сложным этапом проектирования операционного усилителя по субмикронной КМОП технологии, т.к. необходимо получить конкретные значения параметров, заданных на проектирование. Так же это обуславливается сложностью расчетов токов и напряжений во всех цепях и узлах ОУ. Эта задача упрощается при использовании средств моделирования. При этом нет необходимости проводить расчеты вручную, расчеты проводятся на ЭВМ, что позволяет сильно сократить этап разработки электрической схемы.
Для работы операционного усилителя требуется ток смещения, или напряжение смещения подаваемое на входной каскад. Для этого строится схема источника опорного тока. Для быстродействующего операционного усилителя выбирается опорный ток 10 мкА. схема опорного тока со схемой запуска представлена на рис. 6.
Источники опорного тока и источники опорного напряжения являются базовыми структурными единицами любой аналоговой микросхемы. От их стабильности зависит стабильность всех параметров микросхемы, а иногда и их полная функциональная пригодность.
Рис. 4.6. Электрическая схема источника опорного тока
Источник ток, представленные на рис. 4.7, имеет дополнительное устойчивое состояние, при котором выходной ток равен нулю. Для вывода источника тока из этого устойчивого состояния используется специальная система запуска. Схема запуска гарантирует отличное от нуля состояние источника тока. Схема запуска – это дополнительная цепь тока, которая выводит источник из нулевого состояния.
Данный ток может течь непрерывно или только тогда, когда цепь приближается к нулевому состоянию.
Последний режим предпочтителен по двум причинам:
- схема потребляет меньше мощности после вхождения в режим генерации тока;
- пусковой ток после вхождения в режим перестает влиять на выходной ток генератора.
Схема опорного тока и схема самого операционного усилителя выполняется в единой общей схеме.
4.3.2. Дифференциальный усилительный каскад
Одной из широко используемых в микросхемах и усилителях постоянного тока конфигураций является схемное построение типа дифференциальный усилительный каскад (ДК) или усилитель разности. Остановимся на общих свойствах дифференциального каскада и связанных с ним основных понятиях и определениях.
Дифференциальный усилитель - это усилитель с двумя входами, относительно которых коэффициенты передачи равны по величине и противоположны по знаку. Дифференциальный усилитель, у которого указанные условия выполняются, называется идеальным дифференциальным усилителем.
Дифференциальный каскад, выполненный по субмикронной технологии и применяемый в современных ИМС, имеет ряд существенных особенностей.
Во-первых, сохранение стабильности параметров электрических цепей требует использование в схемотехнике только активных компнентов с близким значением ТКС.
Во-вторых, низкое напряжение питания требует использования транзисторов с низким напряжением насыщения (Uнас 1 В), и ограничивает их число при каскодном включении.
В-третьих, современные ОУ в своем составе имеют один (реже два) источник стабильного тока, который посредством токовых зеркал с различными коэффициентами отражения питает все цепи, где требуется стабильный ток. Не исключением является истоковая цепь дифференциального каскада.
В-четвертых, транзисторы каскада должны иметь большой запас по току, т. е. работать в режиме малых токов. Это позволит получить больший коэффициент усиления и минимум шумов, что является определяющим для входного каскада любого усилителя.
Роль нагрузки каскада как правило играет токовое зеркало, которое позволяет снять разность стоковых токов, а, следовательно, получить от каскада максимальный коэффициент усиления. При этом выходное напряжение образуется на наклонной выходной характеристике токового зеркала. Чем большее выходное сопротивление имеет токовое зеркало, тем больший коэффициент усиления удастся получить от дифференциального каскада.
Дифференциальный каскад ОУ представлен на рис. 4.7.
Рис. 4.7. Схема дифференциального каскада ОУ