2. Микросхемы серии к153

Микросхема К153УД1.Операционный усилитель К153УД1 (рис. 1.138) характеризуется большим коэффициентом усиления на­пряжения, малым напряжением смещения, большим входным сопро­тивлением (200 кОм) и малым выходным сопротивлением 200 Ом. Усилитель имеет частоту единичного усиления не менее 1 МГц. По сравнению с ОУ КИОУД1 интегральная микросхема К153УД1 имеет более высокий уровень шума.

Входной каскад выполнен на транзисторах VT4 иVT15, Рабо­чий ток каскада задается транзисторомVT6, а. для стабилизации его рабочей точки служит транзисторVTW. Нагрузкой входного каска­да являются резисторыR3 иR4, к которым подключен второй уси­лительный каскад на составных транзисторахVT2, VT3 и VT7, VT8.

Плечи второго диффе­ренциального каскада собраны по модернизи­рованной схеме Дарлинг­тона. С правого (по схе­ме) плеча второго ка­скада (VT7 иVT8) сиг­нал снимается на повто­ритель, собранный на транзисторах разного ти­па проводимостиVT11 иVT12. Схема сдвига уровня при переходе к выходному каскаду реализована на транзи­стореVT12. Третий (вы­ходной) каскад ОУ вы­полнен на транзистореVTJ3 по схеме с ОЭ. Составной эмиттерный повторитель на транзи­сторахVT14 иVT15 обес­печивает малое выход­ное сопротивление уси­лителя:

Таблица 1.3

Номер кривой	Kу. и, дБ	С1, пФ	С2. пФ	R1, кОм
1	60	10	3	0
2	40	100	3	1,5
3	20	500	20	1,5
4	0	5000	250	1,5

Частотная характеристика интегральной микросхемы без ОС для различных корректирующих элементов, включенных по схеме рис. 1.148, показана на рис. 1.139. Значения корректирующих элемен­тов приведены в табл. 1.3.

На рис. 1.140 показаны характеристики для интегральной микро­схемы с ОС при тех же корректирующих элементах. Частотная ха­рактеристика интегральной микросхемы в режиме максимального выходного сигнала, приведена на рис. 1.141. При стабилизации рабо­ты усилителя в широком диапазоне температур необходимо учиты­вать температурные изменения параметров микросхемы. Зависимость входного сопротивления от температуры показана на рис. 1.142. Из­менения от температуры входного тока, разности входных токов и напряжения смещения показаны на рис. 1.143 — 1.145. Влияние на­пряжения питания на коэффициент усиления микросхемы и на напря­жение смещения показано на рис. 1.146, 1.147.

Рис. 1.138

Частотная коррекция усилителя осуществляется с помощью цепочки R1, С1, подключенной между контактами 1,8 интегральной микросхемы, как показано на рис. 1.148. В этом случае скорость на-, растания импульсного сигнала может доходить до 0,2 В/мкс. При коррекции усилителя прямой связью с помощью конденсатораС1, включение ОУ возможно двумя способами в соответствии с рис. 1.149, 1.150. В схеме рис. 1.150 коэффициент усиления падает до единицы на частоте около 3 МГц, что обеспечивает скорость на­растания 5 В/мкс (рис. 1.151). Если в качестве корректирующих кон­денсаторов взять С1=100 пФ и С2=20 пФ, то K_у.u=80 дБ. Коэффи­циент усиления микросхемы равномерен в полосе до 10³Гц, далее он падает с крутизной 12 дБ/октава до тех пор, пока не достигнет единицы на частоте 3 МГц.

Для повышения крутизны фронтов импульсных сигналов в схему возможно введение диода, как показано на рис. 1.152. Поскольку ин­тегральная микросхема обладает большим коэффициентом усиления, то при ее монтаже следует уделять большое внимание паразитным связям. Она должна быть хорошо развязана от источников питания. При работе усилителя на емкостную нагрузку, при емкости больше 100 пФ, следует применить развязывающий резистор (рис. 1.153).

На рис. 1.154 — 1.166 показаны различные схемы включения ОУ. Инвертирующий усилитель на рис. 1.154 имеет входное сопротивле­ние, равное R1. Коэффициент усиления определяется отношением K_y.u= — R₂/R₁. Для неинвертирующего усилителя на рис. 1.155 коэф­фициент усиления равенK_y.u = (R₁+R₂)/R₁, а входное сопротивление определяется выражением R_вх=R_внКо/(1+R₂/R₁), гдеR_вн— сопро­тивление усилителя между контактами 2, 3, аКо — статический ко­эффициент усиления интегральной микросхемы.

Рис. 1.139 Рис. 1.140 Рис. 1.141 Рис. 1.142

Риc. 1.143 Рис. 1.144 Рис. 1.145 Рис. 1.146 Рис. 1.147

Рис. 1.148 Рис. 1.149 Рис. 1 150

Рис. 1.151 Рис. 1.152 Рис. 1.153

Рис. 1.154 Рис. 1.155 Рис. 1.156

Рис. 1.157 Рис. 1.1.58 Рис. 1.159

Рис. 1.160 Рис. 1.161 Рис. 1.162

Рис. 1.163 Рис. 1.164 Рис. 1.165

Рис. 1.166

Усилитель (рис. 1.156) имеет коэффициент усиления 40 дБ при 1 МГц, а усилитель на рис, 1.157 имеет граничную частоту 0,5 МГц. Повторители напряжения изображены на рис. 1.158 и 1.159. Включе­ние диода в схему на рис. 1.159 уменьшает нелинейные искажения. Для дифференцирования входного сигнала с частотами, ниже 20 Гц служит схема (рис. 1.160). Для сигналов с частотами более 2 кГц эта схема работает как интегратор. В качестве интегратора приме­няется схема рис. 1.161. Постоянная времени равна t=RlCl. Микро­схема может применяться в качестве компаратора (рис. 1.162). Чув­ствительность составляет 1 мВ. Для входного сигнала 10 мВ время нарастания выходного сигнала равно 5 мкс. Балансировка усилителя может осуществляться по схеме на рис. 1.163. Схемы рис. 1.164 — 1.166 позволяют балансировать усилитель без изменения режима входной цепи. Входное сопротивление этой схемы равно Rвх= =R_внKо/(1+R₂/R₁).

Микросхема К153УД2.В отличие от усилителя К153УД1 эта ин­тегральная микросхема (рис. 1.167) имеет дифференциальный кас­кад, построенный на эмиттерйых повторителях(VT5 иVT6). Наг­рузкой повторителей служат транзисторыVT7 иVT8, через которые протекает постоянный ток. Генератором тока является транзисторV77. Напряжение на базе этого транзистора определяется источни­ком опорного напряжения на транзисторахVT3 иVT4 и поступает через повторитель на транзистореVT2. Выходное напряжение пер­вого каскада снимается с коллектора транзистораVT11. Через пов­торитель на транзистореVT13 сигнал подается на каскад с динами­ческой нагрузкой, транзисторыVT14 иVT15. НагрузкойVT15 яв­ляется транзисторVT14. Далее сигнал проходит через составной эмиттерный повторитель на транзисторахVT19 иVT21. Для защиты от короткого замыкания служит резисторR14 и транзисторVT20.

Коррекция интегральной микросхемы осуществляется включени­ем конденсатора С=30 пФ между выводами 1, 8. Откорректирован­ный этим конденсатором ОУ имеет частотную характеристику, изоб­раженную на рис. 1.168. Спектральные плотности шумового напря­жения и тока ОУ показаны, на рис. 1.169, 1.170. Зависимость, изображенная на рис. 1.169, получена при сопротивлении генератора Rг=0, а зависимость рис. 1.170 — приR_Г=300 кОм.

Рис. 1.167 Рис. 1.168

Рис. 1.169 Рис. 1.170 Рис. 1.171

Рис. 1.172 Рис. 1.173 Рис. 1.174

Рис. 1.175 Рис. 1.176 Рис. 1.177 Рис. 1.178

Рис. 1.179 Рис. 1.180 Рис. 1.181 Рис. 1.182

Рис. 1.183

Зависимость напряжения смещения от напряжения питания при различных температурах приведена на рис. 1.171. Зависимость вход­ного тока и разности входных токов от напряжения питания при различных температурах показана на рис. 1.172, 1.173. На рис. 1.174 изображена зависимость коэффициента усиления интегральной мик­росхемы от сопротивления нагрузки.

Коррекцию ОУ можно осуществить тремя способами, включая коррекцию одним конденсатором, упомянутую выше. Однополюсная коррекция показана на рис. 1.175, прямая коррекция — на рис. 1.176, а двухполюсная — на рис. 1.177. Для однополюсной коррекции ем­кость конденсатора определяется из выражения C1>30R₁/(R₁+R2) пФ. Для двухполюсной коррекции емкость конденсатора С1 определяется аналогичным образом, что для однополюсной коррек­ции. Емкость конденсатораС2 определяется из выражения С₂= 10С₁. Коррекция прямой связью требует С1 = 150 пФ, а емкость конденса­тора.С2 определяется выражением С₂=1/2пR₂fо, гдеf₀=3 МГц. На рис. 1.178 представлены частотные характеристики для большого сиг­нала по трем способам коррекции: 1 — однополюсный,2 — двухпо­люсный,3 — коррекция прямой связью. Частотные характеристики интегральной микросхемы для трех способов компенсации без ОС приведены на рис. 1.179.

Балансировку выходного напряжения усилителя можно постро­ить способами, приведенными на рис. 1.180 и 1.181. При оптимизации усилителя по скорости переключения необходимо учитывать зависи­мость времени нарастания выходного напряжения от емкости коррек­тирующего конденсатора (рис. 1.182). При подаче на вход напряже­ния 30 мВ время нарастания выходного напряжения на 2 мВ меня­ется в зависимости от емкости и от коэффициента передачи цепи ООС в соответствии с графиком на рис. 1.183.

Микросхема К153УДЗ.Электрическая схема микросхемы К153УДЗ (рис. 1.184) незначительно отличается от схемы микросхе­мы К153УД1. Отличие заключается в предоконечном каскаде, где применен многоколлекторный транзистор. Это изменение позволило уменьшить напряжение смещения до 2 мВ. По этой же причине сред­ний температурный коэффициент изменения напряжения также уменьшается.

Частотная характеристика интегральной микросхемы с замкнутой обратной связью при различных корректирующих элементах показа­на на рис. 1.185. Номиналы корректирующих элементов показаны в табл. 1.4.

Для интегральной микросхемы с разомкнутой ОС частотные характе­ристики будут иметь вид, приведен­ный на рис. 1.186. Переключательные свойства микросхемы характеризу­ются зависимостью полной амплиту­ды выходного сигнала от частоты. Эта зависимость для различных кор­ректирующих элементов представле­на на рис. 1.187.

Для стабилизации режима рабо­ты интегральной микросхемы при из­менении температуры необходимо учитывать зависимость коэффициента усиления, входного тока и разности входных токов от температуры. Эти зависимости представ­лены на рис. 1.188 — 1.190.

Таблица 1.4

Номер кривой	R1, кОм	с1, пФ	С2. пФ
1	0	10	3
2	1,5	ио.	3
3	1,5	510	20
4	1,5	5100	200

Рис. 1.184 Рис. 1.186

Рис 1.187 Рис. 1.188 Рис. 1.189

Рис. 1.190 Рис. 1.191 Рис. 1.192

Схема включения интегральной микросхемы в режим повторите­ля показана на рис. 1.191. Балансировку микросхемы можно осуще­ствить с помощью потенциометра, подключенного к выводам 7 и 8 (рис. 1.192). Подключение потенциометра изменяет нагрузочное со­противление усилительного каскада на транзисторахVT7 иVT8.

Микросхема К153УД4.На входе микросхемы (рис. 1.193) стоит дифференциальный каскад с большими нагрузочными сопротивления­ми. Рабочий ток первого каскада задается генератором тока на транзистореVT3. Напряжение на его базе создается за счет падения напряжения на транзистореVT4 в диодном включении. Это же на­пряжение подается на базы других токозадающих транзисторовVT5, VT6 иVT9. Сигнал с первого каскада поступает на второй дифференциальный каскад на транзисторахVT13 иVT14, на входе которого находятся эмиттерные повторители на транзисторахVT12 иVT15. Эмиттерные повторители увеличивают входное сопротивление второго каскада. В коллектор транзистораVT14, с которого снимается сигнал на следующий каскад, включена динамическая на­грузка (транзисторVT8). Выходной каскад построен на транзисто­pax разного типа проводимости,VT25 иVT24. ТранзисторVT26 контролирует сквозной ток, протекающий через эти транзисторы.

Частотные характеристики усилителя без OG приведены на рис 1.194 при различных параметрах элементов корректирующих це­пей На рис. 1.195 изображены характеристики усилителя с различ­ными коэффициентами, усиления. При термостабилизации усилителя необходимо учитывать зависимость напряжения смещения от температуры (рис. 1.196). Включение корректирующих элементов (табл. 1.5) показано на рис. 1.197. На рис. 1.198 изображена схема балансировки ОУ.

Микросхема К153УД5.На входе ОУ (рис. 1.199) помещен диф­ференциальный каскад на транзисторахVT1 иVT2, в эмиттеры ко­торых включен генератор тока на транзистореVT3. Коллекторный ток этого генератора определяется опорным напряжением на тран­зистореVT4 в диодном включении. Это напряжение устанавливается схемой «токового зеркала», собранной на транзисторахVT5, VT6 и VT9. ТранзисторVT9 является генератором тока для второго диф­ференциального каскада, собранного на транзисторахVT10 иVT1J. В коллекторы этих транзисторов включен трансформатор тока, по­строенный наVT12 иVT13. Связь между первым и вторым диффе­ренциальными каскадами осуществляется через эмиттерные повто­рители(VT7 иVT15), нагрузкой которых служат генераторы тока на транзисторахVT8 иVT14.

Рис. 1.193 Рис. 1.194

Рис. 1.195 Рис. 1.196 Рис. 1.197 Рис. 1.198

Таблица 1.5

Номер кривой	Ку, и	RI, Ом	С1. нФ	R2, Ом	С2, нФ
1	104	104	0,05
2	103	470	1,0	—	—
3	102	47	10,0	—	—
4	10	27	47,0	270	1,5
5	1	10	47,0	39	22

Выходные противофазные сигналы второго дифференциального каскада поступают на выходной повторитель (VT24 иVT26) через два усилителя на транзисторахVT22 иVT19. Все остальные тран­зисторы предназначены для стабилизации постоянного рабочего то­ка выходных транзисторовVT24 иVT26. Переменный .сигнал вызы­вает одновременное открывание транзистораVT24 и закрывание транзистораVT26 или закрываниеVT24 и открываниеVT26. Реали­зация этого режима осуществляется установкой постоянного напря­жения на коллекторе транзистораVT16 и подачей рабочего сигнала через транзисторVT22. Противофазный рабочий сигнал проходит через транзисторVT19. Постоянное же напряжение устанавливается на эмиттере транзистораVTJ8. Оно отличается от постоянного на­пряжения предыдущего плеча на 1,4 В. Остальные транзисторы(VT20, VT21 иVT23) предназначены для стабилизации режима транзистораVT26 по постоянному току. ТранзисторVT25 защищает усилитель от перегрузок Для положительных полярностей рабочего сигнала.

Таким образом, ОУ имеет три усилительных каскада: два диффе­ренциальных и один яа транзисторе VT22. На рис. 1.200 приведена частотная характеристика усилителя. Для устранения самовозбуж­дения усилитель требует включения сложной внешней корректирую­щей цепи (рис. 1.201). Элементы этой цепи для различных коэффи­циентов передачи (рис. 1.202) выбираются из табл. 1.6.

Рис. 1.199

Рис. 1.200 Рис. 1.201 Рис. 1.202

Таблица 1.6

Номер кривой	R1, Ом	R3. Ом	С1, пФ	С2, пФ
1	104		50
2	470	—	100	—
3	47	—	10000	—
4	27	270	50000	1500
5	10	390	50000	20000

Микросхема К153УД6.Электрическая схема интегральной микро­схемы К153УД6 (рис. 1.203) во многом похожа на электрическую схему микросхемы К153УД2. Отличие заключается в применении по­левого транзистора в стабилизаторе базового напряжения источника тока первого дифференциального каскада. Это позволило значитель­но уменьшить входной ток микросхемы до 75 нА (вместо 500 нА). Кроме того, уменьшен средний температурный коэффициент измене­ния разности входных токов до 0,2 нА/град (вместо 2 нА/град). . Общность электрических схем микросхем К153УД2 и К153УД6 позволяет применить одинаковые цепи коррекции. Частотные харак­теристики интегральной микросхемы с разомкнутой ОС для различ­ных способов коррекции показаны на рис. 1.204 (кривая 1 — одно­полюсная коррекция при С1 = 0; кривая.1' — однополюсная коррек­ция при С1= 30 пФ; кривая2 — двухполюсная коррекция приС1 — =30 пФ и С2=300 пФ). Изменение максимальной амплитуды вы­ходного сигнала от частоты для различных способов коррекции по­казано на рис. 1.205, где кривая3 — коррекция прямой связью.

Рис. 1.203 Рис. 1.204

Рис. 1205 Рис. 1.206 Рис. 1.207

Рис. 1.208 Рис. 1.209 Рис. 1.210

Выходной ток микросхемы зависит от полярности выходного сигнала. На рис. 1.206 показаны кривые изменения выходного на­пряжения от тока в нагрузке при различных температурах. На рис. 1.207 показана зависимость фазы выходного сигнала от часто­ты: кривая 1 — С1 = 30 пФ; кривая 2 — С1 = 30 пФ, С2=300 пФ,R4=10 кОм; кривая3 — С1=150 пФ, С2=7 пФ,

Спектральная плотность шума показана на рис. 1.208.

Балансировку микросхемы можно осуществить по двум схемам, приведенным на рис. 1.209, 1.210. В первой схеме балансировка про­исходит за счет изменения тока, протекающего через транзисторы выходного дифференциального каскада, а во второй схеме вводится дополнительная ООС между каскадами.