ОПЕРАЦІЙНІ ПІДСИЛЮВАЧІ ЗАГАЛЬНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ

Широкий розвиток схемотехніки інтегральних підсилювачів почався з розробки інтегральних ОП загального призначення, технічні і експлуатаційні характеристики яких постійно удосконалюються. до ОП загального призначення відносять універсальні і багатофункціональні підсилювачі, які застосовуються в аналоговій техніці як розв'язуючі підсилювачі для виконання різних математичних операцій, а також як повторювачі напруг, логарифмічні і антилогарифмічні підсилювачі, компаратори, прецизійні підсилювачі та ін. На основі ОП загального призначення будують різні види підсилювачів спеціального призначення (імпульсні, широкосмугові, вибіркові та ін.), автогенератори гармонічних коливань і коливань імпульсної форми (прямокутної, трикутної, експоненційної та ін.), регулятори, перетворювачі і стабілізатори напруги і т. д.

Першим інтегральним ОП, що виготовлявся серійно, став 140УД1А, Б (американський аналог фірми ''Ферчайлд'' – мікросхема μА702), який має добру швидкодію, хоча і невисокий вхідний опір і коефіцієнт Підсилення напруги. Схема 140УДl показана на рис. 6.5, а, його схема ввімкнення - на рис. 6.5, б. Даний ОП відповідає трикаскадній структурній схемі, показаній на рис. 6.4, а.

Конструктивно ОП 140УДl виконаний на кремнієвій пластині розміром 1,1 1,1 мм. Перший підсилювальний каскад на транзисторах VТl і VT2 з джерелом стабільного струму І₀ на транзисторі VТЗ і ланкою температурної стабілізації на транзисторі в діодному ввімкненні VT5 повніС1Ю аналогічний схемі простого диференційного підсилювача з резистивним навантаженням (див. рис. 5.12, а). Оскільки перший каскад ОП працює в режимі мікроамперних струмів (І₀ = 150...250 мкА), його коефіцієнт підсилення за напругою К_пU= (І₀/2φ_т) R_С невеликий (біля 10). Але внаслідок цього вдасться підвищити вхідний опір ОП.

Рис. 6.5

Вихідна напруга вхідного підсилювального каскаду передається на другий каскад на транзисторах VT4 і VT6, який також виконаний за схемою диференційного підсилювача, але з несиметричним виходом. В цьому каскаді двофазний сигнал перетворюється в однофазний із схеми видно, що струм другого каскаду не фіксується джерелом стабільного струму в колі емітерів транзисторів, оскільки від цього каскаду не вимагається ослаблення синфазного сигналу, загального вигляду, який практично відсутній на виході першого диференційного підсилювача. Внаслідок цього другий каскад ОП працює в режимі з міліамперними струмами, забезпечуючи підсилення напруги порядку кількох сотень.

Вихідний каскад ОП, виконаний на транзисторах VT7-УТ9, є однотактним підсилювачем, що працює в режимі підсилення А. Транзистор VT7, увімкнений за схемою емітерного повторювача, спричинює зсув рівня. Для зменшення вихідного опору ОП використовують емітерний повторювач на транзисторі VT9, який через транзистор VT8 охоплений позитивним зворотним зв'язком за струмом. Оскільки напруга зворотного зв'язку для бази транзистора VT9 вмикається паралельно, то вхідний опір всього кінцевого каскаду ОП підвищується, вихідний опір зменшується, а коефіцієнт підсилення досягає 5. Зарядна ємність діода VD1 діє як прискорюючий конденсатор, зменшуючи спотворення крутих перепадів сигналу.

Підсилювач 140УДl забезпечує коефіцієнт підсилення за напругою в декілька тисяч в діапазоні частот до 5 мГц. Для запобігання самозбудженню ОП можна вводити коригуючу RС-ланку, під'єднану до виводу 12, але це звужує смугу пропускання підсилювача. Опір R_вх для ОП 140УДl становить 4 кОм..

Підсилювач 153УД1 є більш високочастотним по відношенню до ОП 140УДl. В схемі цього ОП (рис. 6,6, а)вперше застосовані два інтегральні р-n-p-транзистори VТl2 і VТ15. Це дозволило значно спростити схему ОП, покращити його технічні показники. Підсилювач 153УД1 за три каскадною структурною схемою виявився класичним і його параметри стали орієнтиром при розробці нових ОП. З допомогою цього підсилювача вдалося стандартизувати сотні схем високоточних радіоелектронних блоків і підготувати схемотехнічну базу для застосування другого покоління інтегральних ОП. Розводку мікросхеми 153УД1 (рис. 6.6, б)мають зараз більшість інтегральних ОП, що важливо в стандартизації радіоелектронної апаратури.

Як і ОП 140УД1, мікросхема 153УД1 має два симетричні диференційні каскади з резистивним навантаженням. Перший каскад на транзисторах VТ1 і VТ2 з джерелом стабільного струму І₀ на транзисторі VT3 за схемою не відрізняється від першого каскаду ОП типу 140УД1 (рис. 6.5, а). Але колекторні струми транзисторів VТ1 і VT2 приблизно на порядок менші (І₀≈ 40 мкА). Тому диференційний коефіцієнт підсилення цього каскаду (R_С₁= R₁ = R₂) К_пU = І₀R_С_l /2тφ_т =40·10^-6·26·10³/2·1,5·26·10^-3= 12,5 малий, але вхідний диференційний опір каскаду, який зумовлює вхідний опір всього ОП, великий і при h_21Е = 30, φ_т= 26 мВ, т = 1,5 становить R_вх.д = [4т φ_т(h_21Е+1)1/І₀ =4·1,5·26·10^-3 ·(30+1)/40 = 120 кОм.

Другий каскад ОП виконаний за модифікованою схемою Дарлiнгтона на складених транзисторах VT5, VТ6 і VT8, VT9. Така схема забезпечує вхідний опір другого каскаду не менше 200 кОм. Сумарний емітерний струм транзисторів VT6 і VТ9 І₀ = 0,6 мА. Цей струм, протікаючи через транзистор VT7 в діодному ввімкненні, спричинює спад напруги на ньому, яка прикладається до ділянки база - емітер транзистора VТЗ і забезпечує колекторний струм І₀ = 40 мкА. Оскільки емітерний струм будь-якого з транзисторів VT6 і VT9 І_Е = І₀/2 = 0,3 мА, то коефіцієнт підсилення другого каскаду з урахуванням того, що R_С₂= R₅= R₆, К_пU = (І_Е /φ_т)R_С₂= (0,3·10^-3/26·10^-3 ·10 ·10³ = 115. Транзистор VТ10 в діодному ввімкненні стабілізує роботу складених транзисторів другого каскаду при зміні температури. Два виходи другого каскаду підсилення під'єднані до емітерних повторювачів на транзисторах VТ4 і VТ11. Емітерний повторювач на транзисторі VТ4 (інвертор з коефіцієнтом підсилення, що дорівнює одиниці) підсумовує сигнали, які виділяються на резисторах R₁і R₂. Внаслідок цього повністю використовується диференційний вихідний сигнал першого каскаду підсилення. Емітерний повторювач на транзисторі VT11 передає підсилений сигнал на вихідний каскад ОП.

Транзистор VT12 забезпечує необхідний зсув рівня сигналу. Власне вихідний каскад ОП містить емітерний повторювач на транзисторі VT13 і кінцевий каскад за схемою ЗК на комплементарних транзисторах VT14, VT15, які працюють в режимі підсилення В. При такому режимі потужність від джерела живлення невелика. Вихідний каскад охоплений глибоким негативним зворотним зв'язком за напругою. Напруга зворотного зв'язку (частина вихідної напруги) через подільник R11, R12, повторювач струму VT2 надходить на емітерний повторювач на транзисторі VT13. Такий зворотний зв'язок значною мірою ста6ілізуе характеристики вихідного каскаду, так що його коефіцієнт підсилення визначається відношенням опору резисторів R11, R12в колі зворотного зв'язку

К_п= R₁₂/R₁₁= 30.

Комплементарна пара транзисторів VT14, VT15 передає в навантаження сигнали як позитивної, так і негативної полярності.

Рис. 6.6

Загальний коефіцієнт підсилення за напругою ОП типу І53УД1 при напрузі джерела живлення Е_С = ±15 В

К_пU = К_пU1 ·К_пU2 ·К_пU3 = 12,5·115·30 = 43125.

Цей коефіцієнт значною мірою залежить від точності технологічного процесу виготовлення мікросхеми.

Рис. 6.7

У паспортних даних показано максимально можливі значення цього коефіцієнта.

Трикаскадний ОП 153УД1 має частотну характеристику, яка при відсутності зовнішнього зворотного зв'язку визначається трьома сталими часу. В загальному випадку для корекції частотної характеристики потрібні дві коригуючі RС-ланки, які приєднують до спеціально передбачених для цього виводів 1, 5, 8. Тоді корекцію частотної характеристики другого каскаду виконує фазозміщуюче коло R1, С2, яке приєднуються до виводів 1 і 8, а третього каскаду - конденсатор Сl в колі негативного зворотного зв'язку між виводами 5 і 6 (рис. (6.7, а).

Амплітудно-частотна характеристика ОП 153УД1 в режимі великого сигналу показана на рис. 6.7, б. Крива 2 відповідає великим сталим часу RС-ланок: R,= 1500...2000 Ом, приблизно таке саме значення має і ємність конденсатора С2, ємність конденсатора Сl на порядок менша.

В мікросхемі 153УД1 можна подати на обидва входи синфазний сигнал з амплітудою не більше ± 8 В, а диференційна напруга між входами не повинна перевищувати ± 5 В (за умови максимально) напруги джерел живлення ( = = ± 15 В). При великих вхідних напругах відбувається пробій ділянок емітер - база транзисторів VТ1, VT2 . На рис. 6.7, в показана схема захисту входів ОП від пробою на основі стабілітронів VD1 і VD2, напруга пробою яких не повинна перевищувати 5 В. Резистор R₃=100... 200 Ом передбачений для захисту виходу ОП від короткого замикання з боку навантаження.

Рис. 6.8

Оскільки вхідний струм ОП великий (0,6-20 мкА), застосування схем балансу нуля обов'язкове. Дуже зручний спосіб балансу по другому каскаду (рис. 6.7, г), за якого входи підсилювача вільні від додаткових ланок, що знижує рівень шумів та завад.

Для зниження струмів потенціометричного подільника напруги опори резисторів R1, R2, R_балвибираються порядку сотень кілоом.

Мікросхеми 153УД2, 153УД6 удосконалені. Вони мають підвищений коефіцієнт підсилення К_пU= 40000...100000 і великий вхідний опір R_вх= 300...800 кОм.

На рис. 6.8 показано схему ОП загального призначення типу 140У Д7. Це ОП другого покоління, він має два каскади підсилення і відповідає структурній схемі, поданій на рис. 6.4, б. Необхідно відзначити, що розробка і промисловий випуск двокаскадних ОП ознаменувало початок нового схемотехнічного етапу розвитку високочастотним, лінійних інтегральних мікросхем.

Перший каскад ОП 140УД7 - це складний диференційний підсилювач на транзисторах УТ1-УТЗ і VT6-УТ8, схема якого повністю відповідає схемі, поданій на рис. 5.14, б. Джерелами стабільного струму є транзистори VT9 та VT10.

Підсилений корисний сигнал, який знімається з одиночного виходу диференційного каскаду, через емітерний повторювач на транзисторі VT14 надходить у підсилювальний каскад на транзисторі VT16. Навантаженням цього каскаду є джерело стабільного струму на транзисторі VT15 і вхідний опір кінцевого каскаду двотактного типу. Оскільки транзистор VT16 за схемою вмикання ЗЕ узгоджений зі своїм навантаженням емiтерним повторювачем на транзисторі VТ18, його еквівалентний опір навантаження має десятки кілоом, а підсилення - приблизно 200.

Вихідний каскад ОП 140УД7 виконаний на комплементарних транзисторах. Він працює в режимі підсилення АВ, оскільки на нього подається невелика напруга зміщення з низьковольтного опорного елемента на транзисторах VT17, VT19. Транзистори VT21, VT22 забезпечують захист транзисторів вихідного каскаду від короткого замикання з боку навантаження ОП.

Методика корекції частотної характеристики в двокаскадних ОП спрощується, оскільки немає третьої сталої часу. До того ж часткова внутрішня корекція про водиться за рахунок інтегрального конденсатора С. Тому ОП 140УД7 необхідний один навісний конденсатор корекції, який приєднується до зовнішнього виводу 8, і один зовнішній резистор (десятки кілоом) балансування нуля (див. рис. 5.14, б)і не потрібні навісні елементи захисту входу і виходу підсилювача від аномальних електричних режимів (у трикаскадних ОП першого покоління застосовують від 5 до 8 додаткових навісних елементів). Це суттєво спрощує компоновочні схеми радіоапаратури і покращує їх експлуатаційні показники. Перевагою двокаскадних ОП є підвищена швидкодія, а також знижене струмоспоживання.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
СTРУKTУРHІ СХЕМИ ОПЕРАЦІЙНИХ ПІДСИЛЮВАЧІВ	\|	ОПЕРАЦІЙНІ ПІДСИЛЮВАЧІ ОКРЕМОГО ЗАСТОСУВАННЯ

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.006 сек.