2.4 Интегральные и операционные усилители

2.4.1 Операционные усилители

Операционным усилителем называют усилитель постоянного тока, предназначенный для выполнения различного рода операций над аналоговыми сигнала при работе в схемах с отрицательной обратной связью.

Операционные усилители обладают большим и стабильным коэффициентом усиления напряжения, имеют дифференциальный вход с высоким входным сопротивлением и несимметричный выход с низким выходным сопротивлением, малым дрейфом нуля. То есть под операционным усилителем понимают высококачественный универсальный усилитель.

Условные обозначения операционных усилителей приведены на рисунке 2.4.1.1

Рисунок 2.4.1.1 Условные обозначения операционных усилителей

Один из входов, обозначенный знаком «+» называют неинвертирующим (прямым), так как сигнал на выходе и сигнал на этом входе имеют одинаковую полярность. Второй вход, обозначенный знаком «–», (его также обозначают знаком инверсии «o») называют инвертирующим, так как сигнал на выходе по отношению к сигналу на этом входе имеет противоположную полярность. Помимо трех сигнальных контактов (двух входных и одного выходного) операционный усилитель содержит дополнительные контакты (обычно число контактов составляет 14 или 16).

2.4.2 Интегральные усилители

Интегральным усилителем принято называть усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, имеющий симметричный вход и несимметричный выход. Термин операционный усилитель (ОУ) первоначально относился к классам усилителей, способных выполнять различные математические операции за счет использования отрицательной обратной связи с соответствующими передаточными характеристиками. В настоящее время ОУ выполняется, как правило, в виде монолитных интегральных микросхем и по своим размерам и цене практически не отличаются от отдельно взятого транзистора. Благодаря практически идеальным характеристикам ОУ, реализация различных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Чтобы определить, какой тип ОУ подходит для конкретного случая его применения, необходимо знать его основные характеристики, а для некоторых случаев необходимо и знание внутренней структуры. Для полного описания прибора необходимо знать более 30 электрических параметров. Однако для упрощения расчета и анализа схем пользуются понятием «идеального» ОУ. Идеальный ОУ имеет следующие свойства: собственные значения коэффициента усиления и входного сопротивления стремятся к бесконечности, выходное сопротивление стремится к нулю, высокочастотный спад амплитудно-частотной характеристики имеет скорость не более 20 дб/дек. Отметим важные правила, которые определяют поведение ОУ, охваченного петлей обратной связи. 1. Выход ОУ стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю. Это правило не означает, что ОУ действительно изменяет напряжение на своих входах. Это невозможно. ОУ «оценивает» состояние входов и с помощью внешней схемы обратной связи передает напряжение с выхода на вход, так что в результате разность напряжений между входами стремится к нулю. Второе правило, которое широко используется при анализе схем на ОУ, связано с малым потреблением входного тока (например, ОУ К140УД7 имеет входной ток 0,08 мкА, а ОУ с полевыми транзисторами на входе имеют входные токи утечки единицы пикоампер).

2. Входы ОУ не потребляют ток в цепи источника сигнала. Эти правила справедливы для любого ОУ при условии, что входы не перегружены. При проектировании усилительных устройств на ОУ необходимо помнить, что обратная связь должна быть всегда отрицательной (т. е. нельзя путать инвертирующий и не инвертирующий входы), причем в схеме ОУ обязательно должна быть предусмотрена цепь обратной связи по постоянному току. В противном случае ОУ обязательно попадает в режим насыщения. Интегральные ОУ представляют собой схему с двумя входами и несимметричным выходом. Кроме информационных выводов интегральные ОУ обычно имеют специальные выводы для подключения напряжения источника питания, цепей балансировки и коррекции амплитудно-частотной характеристики

Первые ОУ (например, К140УД1, К140УД5, К153УД1 и т. д.) для получения высокого коэффициента усиления имели три каскада усиления, в которых в качестве нагрузки применялись резисторы. Применение p-n-p транзисторов в качестве активной нагрузки позволило не только получить большой коэффициент усиления, но и существенно упростить схему ОУ Двухкаскадные схемы ОУ работают с меньшими токами питания, имеют повышенный коэффициент усиления, малые входные токи, могут устойчиво работать как при малых (±ЗВ), так и при больших (±15В) напряжениях питания, сохраняя при этом высокий коэффициент усиления и амплитуду выходного сигнала, пропорциональную питающим напряжениям. Двухкаскадная структура ОУ требует применения лишь одного конденсатора для коррекции АЧХ, что дает возможность осуществлять внутреннюю коррекцию. Необходимый коэффициент усиления при разомкнутой обратной связи в этой схеме обеспечивается двумя усилительными каскадами. Для получения более высокого коэффициента усиления на каскад в качестве нагрузки в обоих каскадах используются не резисторы, а схемы источников тока.

В первом каскаде транзисторы VT1, VT2 и VT6, VT7 образуют дифференциальный каскад, в котором транзисторы VT1 и VT6 включены по схеме ОК, а транзисторы VT2 и VT7 по схеме ОБ. Транзисторы VT3, VT8 являются высокоомной динамической нагрузкой для транзисторов VT2 и VT7. Входные транзисторы VT1 и VT6 все время работают при одном и том же напряжении на коллекторе, что приводит к отсутствию влияния модуляции ширины базы на напряжение смещения.

На транзисторы VT2 и VT7 р-n-р типа смещение подается с ГСТ на транзисторе VT10. Если предположить, что напряжения U_эб транзисторов VT1, VT6, VT8, VT9 хорошо согласованы, то их коллекторные токи будут приблизительно равными. Эмиттерный повторитель на транзисторе VT5 задает уровень смещения на транзисторы VT3 и VT8 и преобразует напряжение на коллекторе транзистора VT3 в базовое напряжение, управляющее транзистором VT8. Таким образом, дифференциальный выход первого каскада усиления преобразуется в одиночный выход с коллектора транзистора VT8. Для стабилизации рабочей точки транзисторов VT2, VT7, смещение которой вызвано несогласованностью характеристик этих транзисторов, в первом каскаде предусмотрена цепь обратной связи, выполненная на транзисторах VT9 и VT4, причем транзистор VT4 используется в диодном включении. Транзистор VT4 определяет уровни токов, протекающих через транзисторы VT1 и VT6. Он также определяет величину тока через транзистор VT9, который в свою очередь регулирует базовые токи транзисторов VT2 и VT7 путем сложения или вычитания токов транзистора VT9 и ГСТ на транзисторе VT10. В дифференциальном каскаде такая ОС, кроме того, улучшает стабильность уровня смещения и подавление синфазных сигналов, без изменения его коэффициента усиления.

Балансировка ОУ производится в первом каскаде с помощью потенциометра сопротивлением 10 кОм, включенным между выводами эмиттеров транзисторов VT3 и VT8. Средняя точка потенциометра подключается к отрицательной шине питания — Е2. Сложный дифференциальный усилитель, включенный на входе ОУ, имеет коэффициент усиления по напряжению более 60 дб. Включение транзисторов VT1, VT6 и VT2, VT7 по схеме OK–ОБ позволило повысить входное сопротивление усилителя до значения 400 кОм и выше. Транзисторы VT9, VT10 образуют ГСТ для первого каскада, причем базы этих транзисторов получают смещение от транзисторов VT11, VT 12, имеющих диодное включение.

Второй каскад усиления построен на транзисторах VT13, VT16, включенных по схеме составного транзистора, многоколлекторном транзисторе VT15, который служит в качестве активной нагрузки каскада. Транзистор VT15 имеет эмиттерный ток, равный току через его диод смещения (транзистор VT11). Эмиттерный ток транзистора VT15 делится поровну между двумя его коллекторами. Второй каскад имеет коэффициент усиления по напряжению около 45 дб.

С выхода второго каскада усиления напряжение поступает на базу двухэмиттерного транзистора VT20, который регулирует работу выходных эмиттерных повторителей. Изменение напряжения на базе транзистора VT20 либо шунтирует через схему сдвига уровня (транзисторы VT17, VT19) выходной транзистор VT23, отбирая у него базовый ток, открывая в то же время транзистор VT24, и наоборот.

Выходной каскад, работающий в режиме АВ, построен на транзисторах разного тина проводимости VT23 и VT24, причем последний является транзистором р-n-р типа, в котором подложка используется в качестве коллекторной области. Транзисторы VT21 и VT22 с резисторами R10 и R11 образуют схему защиты выходных цепей от короткого замыкания. Эти транзисторы открываются падением напряжения на резисторах R10, R11, если импульс выходного тока превышает 25 мА. Если эти транзисторы открываются (поочередно при смене полуволн тока короткого замыкания), то выходные транзисторы становятся генераторами предельного выходного тока, величина которого

I_{к пред} = U_бэ /R10 = 0,65В/30 Ом ? 27 мА.

Транзистор VT14 и цепь второго эмиттера транзистора VT18 предназначена для защиты выходного каскада от насыщения. ОУ имеет внутреннюю коррекцию амплитудно-частотной характеристики с помощью конденсатора С .

Задания для самостоятельной работы