11.2 Типові структури та каскади операційних підсилювачів
Схемотехнічно напівпровідникові інтегральні ОП частіше будуються за схемою прямого підсилення з диференціальними, однаковими за електричними параметрами, входами і двополярним (за амплітудою сигналу) виходом. Якщо немає сигналів керування, входи і виходи такого ОП знаходяться під нульовим потенціалом, тому ОП можуть безпосередньо охоплюватись колами ЗЗ і з'єднуватись послідовно.
Структурна і електрична принципова схема типового ОП (К140УД1) подана на рис.11.4 – 11.6. Структурна схема ОП може мати деякі відхилення, наприклад, може бути 3 каскади підсилення, може не бути схем захисту виходу ОП від КЗ.
Перший диференціальний каскад(ДК) з генератором стабільного струму (ГСС) має невеликий робочий струм, для збільшення вхідного опору. Струм другого ДК (схема переходу до несиметричного виходу) не фіксується ГСС, цей каскад має великий коефіцієнт підсилення. Зміщенням наVT6 і резисторіR7, керується ГСС вхідного каскаду і ГСС схеми зміщення сталого рівня сигналуVT8. Зміщення створюється за рахунок падіння напруги на резисторіR9, через який протікає струм ГСС2 наVT8. Вихідний сигнал знімається з виходу емітерного повторювачаVT7. ДіодVD1, що знаходиться під зворотним зміщенням, виконує функцію коректувальна ємності.
Рисунок 11.4 – Типова структурна схема операційного підсилювача
ОП має два входи, які позначені + –, тобто неінвертувальний та інвертувальний. Джерело живлення, як правило, двополярне.
Рисунок 11.5 – Схема електрична принципова операційного підсилювача К140УД1
ОП К140УД1А випускається вже досить давно і тому його параметри суттєво гірші за параметри сучасних ОП, перш за все це стосується вхідного опору, коефіцієнта підсилення, споживаної потужності.
Підвищення вхідного опору в ОП досягається використанням у вхідних каскадах БТ з високим коефіцієнтом підсилення у мікрострумовому режимі чи МДН транзисторів.
Кращі показники має ОП К153УД1, табл. 11.1, його електричні характеристики дозволяють забезпечити використання у апаратурі різного призначення.
Вхідний диференціальний каскад VT1 – VT2 працює в режимі мікрострумів, що дозволяє забезпечити великий вхідний опір ОП, рис. 11.11.
Для забезпечення гарних показників вхідного ДК, схема другого каскаду також диференціальна, кожне плече реалізовано за модифікованою схемою Дарлінга з вхідним опором не менше 200 кОм, VT3, VT4, VT5, VT11.
Струм другого каскаду 0,6 мА створює на VT10 у діодному включенні падіння напруги, що нормує струм VT10. Другий каскад ОП симетрично навантажений на два емітерних повторювачі VT7 та VT8. Схема зміщення сталого рівня сигналу виконана на транзисторі VT7. Вихідний каскад це двотактний емітерний повторювач VT12, VT13, VT14, що працює у режимі класу В.
За допомогою ОП вдалося стандартизувати схеми багатьох пристроїв. Подальший розвиток ОП дозволив значно спростити методику їх застосування і підвищити точність встановлення передавальних функцій.
Для досягнення цієї мети було необхідним значно підвищити запас коефіцієнта підсилення і вхідний опір, звести до мінімуму кількість зовнішніх допоміжних елементів, покращити енергетичні показники ОП.
Для апаратури, що працює з батарейним живленням, економічність – параметр визначний. Для таких пристроїв випускаються мікропотужні ОП з цікавими властивостями: необхідне значення споживаного схемою струму, рівень вхідного опору і швидкодійність визначаються за програмою. Ці параметри залежать від номіналу зовнішнього резистора, який встановлює струм зміщення ОП (К153УД4, К710УД1). Мікропотужні ОП з параметрами, що вибираються за програмою, зручні у безкорпусному виконанні, коли кристал ОП монтується у мікрозборках. У таких випадках не завжди вдається гарантувати малий тепловий опір кристал–підкладки, тому їх потужність споживання не перевищує 1 – 10 мВт.
При розробці нових сучасних ОП слід звернути увагу на необхідність забезпечення деяких обмежень, що накладаються особливостями сучасної технології виготовлення ОП:
– невелике значення сумарного номіналу резисторів на підкладці;
– труднощі впровадження процесів підстроювання номіналів елементів;
погана абсолютна точність номіналів резисторів від підкладки до підкладки;
обмеження по тепловідведенні;
труднощі виготовлення на одній підкладці транзисторів p–n–p і n–p–n структури.
Рисунок 11.6 – Схема електрична принципова операційного підсилювача К153УД1