4.4. Интегральные операционные усилители (оу)

Наибольшее распространение среди интегральных усилительных схем получили операционные усилители (ОУ).Операционный усилитель является универсальным аналоговым элементом. В зависимости от конфигурации внешних (навесных) цепей обратной связи ОУ могут использоваться для выполнения большинства аналоговых функций, в первую очередь традиционных математических функций суммирования, вычитания, интегрирования, дифференцирования и логарифмирования. Кроме того, на ОУ реализуются всевозможные усилители постоянного и переменного тока, видеоусилители, усилители – ограничители, повторители (буферные каскады), активные фильтры, модуляторы и демодуляторы, генераторы гармонических и импульсных сигналов, генераторы линейно изменяющихся напряжений (ГЛИН), ЦАП, АЦП и др.

Широкое распространение в аппаратуре средней точнос­ти получили так называемые массовые ИС-ОУ (или ИС-ОУ широкого применения). Главное их достоинство –сравнительная дешевизна и доступность, обусловленные их миллионными тиражами. Значительно в меньших количествах выпускаются и так называемые высокоточные ИС-ОУ частного применения. Однако следует иметь в виду, что тех­нология производства непрерывно совершенствуется и по параметрам массовые ОУ "подтягиваются" к высокоточным. В качестве примера рассмотрим ОУмассового применения.

Состав ОУ.Операционный усилитель является многокаскадным, в его состав входят входной (первый) каскад 1ДУ, усилитель напря­жения (второй каскад) 2ДУ, третий каскад образуют выходной усилитель напряжения совместно с выходным усилителем мощности, генераторы стабильного тока, устройства сдвига уровня и др. Более совершенными (по условию устойчивости) являются двухкаскадные ОУ, включающие в себя сложный ДУ с большим коэффициентом усиления (первый каскад и выходной усилитель напряжения или тока) совместно с выходным усилителем мощности (второй каскад). На рис. 4.14 приведена структурная схема

трехкаскадного ОУ. Как входные усилители напряжения всегда используются рассмотренные ранее дифференциаль­ные усилители, качества которых целиком определяют качества ОУ. Как выходные усилители мощности используются либо одиноч­ные эмиттерные повторители на n-p-n-транзисторах, либо более сложные двухтактные схемы на базе n-p-n- и p-n-p-транзисто­ров. Каскады ОУ соединяются между собой специальными схемами сдвига уровня и перехода от дифференциальных выходов к оди­ночному. Ниже рассмотрены наиболее распространенные схемотехни­ческие решения ОУ (дополнительно к описанным ранее ДУ).

4.4.1. Схемы перехода от дифференциальных выходов ду к одиночному или схемы приведения полного дифференциального сигнала к одному выходу

Схемы перехода применяются для того, чтобы использовать полный диффе­ренциальный сигнал, образовавшийся между двумя выходами ДУ, при переходе к одиночному входу относительно земли. Выход ОУ одиноч­ный, значит, и вход выходного каскада ОУ тоже одиночный. Если на вход выходного каскада подать сигнал с одного выхода ДУ (см. рис. 4.7),то по отношению к земле сигнал этого выхода будет сос­тавлять только половину полного сигнала ДУ, развиваемого между его выходами. Во избежание потери половины сигнала и применяются схемы перехода с полной внутренней отрицательной обратной связью.

Схема перехода с эмиттерными повторителями. На рис.4.15приведена распространенная схе­ма перехода с эмиттерными повторителями (V5,V6). Повторитель наV5 используется в цепи отрицательной обратной связи 2ДУ (тран­зисторыVЗ,V4). Выходы каскада 1ДУ симметрично нагружаются входами 2ДУ. В левом плече 2ДУ (транзистор V3)образуется параллельная отрицательная обратная связь по напряжению по цепи коллекторV3 – эмиттерный повторительV5 –резистор R1.Коэффициент усиления этого плеча близок к единице. Сигнал с выхода эмиттерного повтори­теляV5 вводится на вход правого плеча 2ДУ (транзистор V4)и суммируется с сигналом правого выхода1ДУ (транзисторV2).На вхо­деV4 суммарный сигнал равен полному дифференциальному сигналу меж­ду коллекторами VIиV2.Фазировка сигналов показана на схеме условно импульсами.

Схема перехода в эмиттерно-связанных каскадах. На рис. 4.16 приведена другая схема преобразования, применяемая в ОУ первого поколения. Второй каскад (2ДУ) в этой схеме выполнен по типу эмиттерно-связанных каскадов (см. рис. 4.3,б). Сигнал с правого выхода 1ДУ (транзисторV2) через эмиттерный повторительV3,являющийся левым плечом 2ДУ, под­водится к эмиттеру транзистораV4 – правому плечу 2ДУ. К базеV4 подводится сигнал с выхода левого плеча 1ДУ (транзис­тор V1).Между базой и эмиттеромV4 действует полный дифференциальный сигнал, образующийся между выходами 1ДУ (между коллекто­рами VI,V2).

Схема перехода в ДУ с активной нагрузкой.В схеме с активной нагрузкой (см. рис. 4.13), кроме получения высокоомных активных

нагрузок – транзисторов V7,V8, полный дифференциальный выходной сигнал (между коллекторами V4, V5)приведен к одному (несимметричному) выходу (коллектора V5). Для этого нагрузочныетранзисторы V7, V8 включены по схеме токового зеркала, в котором V7является ведущим (токI_к7 – эквивалентом токаI₁ в схеме на рис. 4.6), аV8– ведомым, зеркально повторяющим ток коллектораV7. КоллекторV7 в отличие от схемы на рис.4.6 соединен с базами через прямосмещенный переход база-эмиттер V6, т.е.транзистор V7 работает не в диодном режиме. Для задания токов базV7, V8 из цепи коллектораV7отбирается токI_б6, в (1 + ) раз мень-ший, чем в схеме на рис. 4.6. Такую схему называют двойным токовым зеркалом [8]. В режиме покоя токи плеч ДУ одинаковы и равны I₀/2. Такова же величина токов нагрузочныхтранзисторовV7, V8. Ток выхода равен нулю (I_н = 0).

Пусть под воздействием входного сигнала U_дтоки базтранзисторовV2, V3(токи входов) изменяются на величинуI_б, как указано стрелками на рис. 4.13. Изменяются и токи коллекторов на величинуI_к (ΔI_к = βΔI_б) транзисторов V4, V5 (токи выходов). Ток коллектора I_к4 уменьшается, а ток I_к5 увеличивается:

I_к4 = I₀/2ΔI_к, I_к5 = I₀/2+ ΔI_к . (4.25)

Выходной ток цепи ΔI_н равен разности токов I_к5, I_к8:

ΔI_н = I_к5 - I_к8 = I_к5 - I_к4 = 2ΔI_к, (4.26)

т.к. I_к8 = I_к7 (зеркальное отражение), а I_к7 = I_к4.

Выходное напряжение

ΔU_вых = ΔI_н R΄_экв= ΔI_н R_н = 2ΔI_к R_н, (4.27)

где . ΔU_вых равно полному дифференциальному сигналу.