Микроэлектроника.-2

360

ность инвертирующего и неинвертирующего усиления, что упрощает введение отрицательных обратных связей при практическом применении ОУ. Выходной каскад строят по одной из схем, приведенных на рис. 7.4. Сигнал с однотактного выхода ДК поступает на второй каскад усиления, а затем на вход выходного каскада.

В ОУ применяют также схему смещения уровня усиленного сигнала. Ее назначение — смещение уровня постоянной составляющей сигнала, необходимого для получения в исходном состоянии (U1 = U 2 = 0 ) на выходе ОУ напряжения, близкого к нулю. Электрическая схема конкретного ОУ содержит кроме указанных каскадов большое количество вспомогательных элементов, обеспечивающих требуемое усиление, снижение шумов, температурную стабильность и т. д.

Параметры ОУ. Операционные усилители описывают совокупностью электрических параметров, характеризующих усилительные, интерфейсные, динамические, частотные, точностные и энергетические свойства. Рассмотрим основные из них.

KU = U вых / U вх . В общем случае коэффициент КU ОУ по посто-

янному току равен произведению коэффициентов усиления всех его каскадов и для двух-трехкаскадной схемы составляет более 106 (без схемы ООС).

Значение КU падает с увеличением частоты входного сигнала. Количественно спад КU оценивается по логарифмической ам- плитудно-частотной характеристике (ЛАЧХ) ОУ, представляющей собой сумму элементарных ЛАЧХ отдельных каскадов. Поскольку каждый каскад ОУ на достаточно высоких частотах вносит фазовый сдвиг, близкий к 90°, а для создания ООС требуется инверсия (поворот фазы на 90°), в многокаскадных ОУ возможно самовозбуждение. Во избежание этого стабилизируют ЛАЧХ каждого каскада путем коррекции их собственных АЧХ и ФЧХ. Для этого в схему ОУ вводят корректирующие нагрузочные конденсаторы, изменяющие скорость спада элементарных АЧХ, и ограничивают количество каскадов (не более трех).

361

Частота, значение которой на скорректированной ЛАЧХ соответствует KU = 1, называется частотой единичного усиления f1 ; она характеризует максимально реализуемую для данного ОУ полосу усиления.

Входное Rвх и выходное Rвых сопротивления характеризуют

интерфейсные свойства ОУ. Различают две составляющие входного сопротивления ОУ: входное сопротивление по сигналу, т.

е. наблюдаемое между инвертирующим и неинвертирующим дифференциальными входами ОУ(дифференциальное входное сопротивление Rвх.диф , и входное сопротивление синфазному

сигналу Rвх.сф (сопротивление утечки между входом и«зем-

лей»).

Для ОУ на биполярных транзисторах входное дифференциальное сопротивление зависит от уровня входного тока и температуры:

Rвх.диф = DU вх / DIвх ,

2jТ / Uвх » 2jТ / Iб ,

где DU вх - изменение напряжения между входами ОУ; DIвх -

изменение входного тока; jТ = 0,026 В - температурный потен-

циал при Т = 300 К; I вх - входной ток смещения ОУ;. I б - ток

базы входного транзистора.

Входное сопротивление синфазному сигналу определяется как изменение входного тока под воздействием входного синфазного напряжения:

Rвх.cф = DU вх.сф / DI вх

где DU вх.сф — приращение входного синфазного напряжения

вход - «земля».

Для ИМС ОУ на биполярных транзисторах Rвх.диф =10 ¸103 кОм, Rвх.cф ³100 МОм.

362

Выходное сопротивление ограничивает амплитуду выходного сигнала. В зависимости от схемотехнического решения выходного каскада ОУ его Rвых = 20 ¸ 2000 Ом.

Динамические свойства ОУ описывают максимальными (по мо-

что обеспечивается специальной схемой защиты.

Импульсные характеристики ОУ оценивают скоростью нарастания выходного напряжения vU вых и временем его установле-

ния tуст.

Скорость нарастания - отношение изменения Uвых от 10 до 90% номинального значения ко времени, за которое произошло это изменение, если на вход подан идеальный скачок напряжения. В общем случае

vU вых = dU вых (t) = 2p f0 KU , dt

где f0 - частота, соответствующая полной компенсации ОУ.

Время установления tуст – интервал времени, в течение которого Uвых входит в зону наперед заданной ошибки(например, 0,1%) относительно напряжения шкалы (например, 10 В).

Точностные свойства ОУ характеризуются напряжением смещения нуля Uсм, разностью входных токов DIвх и коэффициен-

том ослабления входного сигнала.

Напряжение смещения нуляUсм - напряжение, приложенное между входами ОУ, чтобы на выходе ОУ установился нулевой уровень в отсутствие сигнала на входе. Появление постоянного напряжения сдвига нуля на выходе в отсутствие сигнала на входе обусловлено разностью падений напряженийUбэ входных

363

транзисторов ДК и разбросом номиналов их нагрузок. Его появлению способствуют также входные токиIвх ОУ, которые обусловлены базовыми токами смещения входных биполярных транзисторов и токами утечки затворов МДП-транзисторов входного каскада ОУ. Реально токи входов ОУ отличаются друг от друга на 10 ¸ 20%. Для компенсации разности входных то-

влияние на точность функции, реализуемой ОУ, оказывают температурные дрейфы Uсм и DIвх .

Важным параметром ОУ является предельное значение выходно-

Энергетические свойства ОУ оцениваются напряжением -ис точника питания U И .П и током потребления Iпот.

Группы и типы ОУ. В результате постоянного совершенствования схемотехники и технологии отечественной промышленностью разработано и выпускается большое количество типов ИМС ОУ различных серий. Классифицируют ИМС ОУ по группам: общего применения, прецизионные, быстродействующие, микромощные, мощные и высоковольтные.

ИМС ОУ общего применения предназначены для построения узлов аппаратуры, имеющих суммарную погрешность не более

364

1%. Это наиболее широко распространенные ОУ, выпускаемые в большом количестве и различных типов. ИМС таких ОУ разрабатывают на основе биполярных и МДП-транзисторов, а также на основе их совместного применения. При этом наряду с биполярными транзисторами типа n-р-n применяют транзисторы типа р-n-р, которые используют как в режиме усиления, так и в режиме активной нагрузки. Тем самым обеспечивается устойчивая работа ОУ при малых и больших напряжениях питания с сохранением высокого коэффициента усиления.

В качестве примера рассмотрим ИМС ОУ типа К140УД7, электрическая схема которой приведена на рис. 7.5.

Рис. 7.5. Электрическая схема ИМС ОУ типа К140УД7

Для данной ИМС характерно применение сложного ДК на комплементарных транзисторах Т1, T2, Т6 и Т8, включенных по схеме ОК – ОБ, что обеспечивает значение входного сопротивления, равное

Rвх = 4mjТ bТ1 /(bТ2 +1)I0 » 400 Ом,

где m - фактор, характеризующий отличие реального тока от идеального; I0 - ток смещения в базы транзисторов Т2 и Т6.

365

В ИМС предусмотрена балансировка ДК, для чего в эмиттеры транзисторов Т3, Т7 включены резисторы R1, R3 и предусмотрены выводы 1, 5 для подключения внешнего потенциометра,

средний вывод которого подключается к шине отрицатель- +Uи.п ного питания ОУ (вывод 4)

Для поддержания режима усиления по постоянному току применена схема стабилизации на транзисторах Т9 —Т12 с задающей частью в виде цепи Т12 — R5 — Т11, ток Ic в которой зависит от питающих напряжений:

Ic = (U И . П - 2U ЭБ ) / R5

При этом от напряженияUЭБ транзистора T12 зависит ток коллектора транзистора Т10 и все токи питания первого усилительного каскада. Аналогично от напряженияUЭБ транзистора T12 зависят все токи питания выходного каскада. Тем самым обеспечивается работоспособность ОУ при изменении питающих напряжений от ±3 до ±15 В.

Выходное изменение тока первого каскада усиливается вторым каскадом на транзисторах Т14 и Т15, режим по постоянному току которого определяется транзистором Т15. С выхода второго каскада напряжение поступает в базу двухэмиттерного транзистора Т18, регулирующего работу выходного каскада, реализованного в виде эмиттерного повторителя на транзисторахТ23 и Т24. Схема сдвига (Т17, Т18) обеспечивает шунтирование одного и откры-

тие другого транзистора выходного эмиттерного повторителя (Т23, Т24) в зависимости от изменения напряжения на базе транзистора Т18. Транзисторы Т21, Т22 образуют схему защиты от короткого замыкания (они открываются падением напряжения на резисторах R10, R11, если импульс выходного тока превышает 25 мА).

Для защиты выходного каскада от насыщения предназначены транзистор Т13 и цепь второго эмиттера транзистораТ18. Для обеспечения полностью скорректированной ЛАЧХ в схеме ОУ,

имеется конденсатор С. В данной ИМС предусмотрено увели-

1

чение скорости нарастания выходного напряжения(опережающая коррекция), что достигается подключением к выводам 1 и 5 внешнего конденсатора.

366

Такому схемотехническому построению с теми или иными изменениями либо дополнениями соответствует большинство ИМС ОУ общего применения.

В табл. 7.1 приведены параметры ИМС ОУ общего применения, выпускаемых отечественной промышленностью.

ИМС прецизионных ОУ характеризуются большим коэффициентом усиления (более 105), малым напряжением смещения нуля (менее 0,5 мВ), малыми уровнями дрейфов и шумов, большим входным сопротивлением. Они предназначены для -по строения узлов измерительных устройств, обеспечивающих усиление без искажения слабых электрических сигналов, сопровождаемы значительным уровнем синфазных и температурных помех. Узлы, например масштабные усилители, реализованные на прецизионных ОУ, должны иметь суммарную погрешность не более 1%

Таблица 7.1. Параметры ИМС прецизионных ОУ

367

368

*Предусилитель.

**Минимальное значение сопротивления нагрузки, кОм

Микромощные ОУ характеризуются малой мощностью потребления и предназначены для применения в аппаратуре, работающей в режиме ожидания(в большинстве случаев с батарейным источником питания). Разработаны ИМС микромощных ОУ, параметры которых приведены в табл. 7.2. В основу их построения положены двухкаскадная схема усиления и комплементарные биполярные транзисторы, причем транзисторы типаp-n-p формируются с вертикальными p-n-переходами.

Таблица 7.2 Параметры ИМС микромощных ОУ

369