Принципы построения операционного усилителя

Рассмотрим основополагающие принципы, используемые при построении ОУ на ИС для получения малого дрейфа нуля, большого коэффициента усиления в широкой полосе частот, высокого входного и низкого выходного сопротивлений.

Дрейф нуля. Операционные усилители относятся к усилителям постоянного тока (УПТ), способным усиливать сигналы со сколь угодно медленными изменениями во времени. В УПТ используется гальваническая связь между отдельными каскадами и нагрузкой. Поэтому значение выходного напряжения из-за влияния различных дестабилизирующих факторов (изменение температуры, питающих напряжений, старение и др.) не остается постоянным. При отсутствии входного сигнала напряжение на выходе не будет равным нулю. Нестабильность нулевого значения выходного напряжения (или тока) называется дрейфом пуля. Уменьшение дрейфа повышает чувствительность У ИТ, т. е. его способность воспринимать слабые сигналы. Наиболее эффективной мерой борьбы с дрейфом является использование на входе УПТ дифференциальных усилительных каскадов. При идентичности плеч ДК не воспринимает синфазные сигналы, т. е. оказывается нечувствительным к дрейфу нуля. В реальных условиях полной идентичности плеч ДК добиться невозможно, и синфазные сигналы будут проникать на выход, создавая напряжение ошибки, или дрейф.

Способы ослабления синфазного сигнала. Для оценки эффективности способа используют коэффициент ослабления синфазного сигнала (К_осл), представляющий собой отношение коэффициентов усиления синфазного и полезного сигналов. Один из способов ослабления синфазного сигнала состоит в использовании генератора стабильного тока (ГСТ). Его эффективность составляет примерно 10 ³ (1000 раз или -60 дБ).

Для большего ослабления можно использовать отрицательную обратную связь по синфазному сигналу. Схема, приведенная на рис. 7.4 для иллюстрации этого способа, содержит два дифференциальных усилителя, один из которых выполнен на транзисторах VT, VT., с ГСТ на VT- и VT₆, другой — на транзисторах VT_v V’I без ГСТ.

Рис. 7.4. Схема ослабления синфазного сигнала.

Пусть синфазная составляющая напряжения на входе первого ДК увеличилась на AU_C. Тогда при асимметрии плеч ДК на коллекторах транзисторов VT, VT., появятся приращения напряжений At/, 5^й ДU₂, вызывающие дрейф нуля At/ = | At/, — AU₂. Так как во втором ДК отсутствует ГСТ, синфазные напряженияAU_i и -All., на базах VT₃, VT_i приведут к уменьшению эмиттерного тока на величинуА 1₂. Эмиттерный ток второго ДК управляет током /, ГСТ первого ДК. Поэтому /₍ начнет уменьшаться (-Д/,) и уменьшит абсолютные значения синфазных составляющих | At/, |, | AU₂ и дрейф нуля, А Н. Петля обратной связи работает только по синфазному сигналу. По дифференциальному сигналу обратная связь не действует, так как не изменяет эмиттерного тока /, второго ДК.

Способы повышения усиления ДК. Основной недостаток дифференциальных усилителей с использованием резисторов в качестве коллекторной нагрузки — небольшой коэффициент усиления при малых токах ГСТ. Использование такого каскада в качестве первого каскада многокаскадного усилителя ограничивает его частотные свойства, ухудшает дрейфовые параметры и шумовые характеристики. Для повышения коэффициента усиления дифференциального усилителя в монолитных ИС используют динамическую нагрузку. В качестве примера усилителя с динамической нагрузкой рассмотрим схему, изображенную на рис. 7.5, а. В этой схеме токопитающий каскад выполнен на р-п-/^-транзисторе VT₀. В качестве нагрузки усилительных р-м-р-транзисторов Vl, VT₂ дифференци;

Рис. 7.5. Иллюстрация работы ДК с динамической нагрузкой при отсутствии входного сигнала (а), при +17 (б) и при — U (в).

ального каскада служит ГСТ в виде «токового» зеркала на п-р-п- транзисторах VT₃, VT_A.

Рассмотрим принцип работы усилителя в трех режимах.

При нулевом напряжении на базах транзисторов VT_v VT₂ (см. рис. 7.5, а) ток /₀ токопитающего каскада поровну распределяется между транзисторами. В силу свойств «токового» зеркала коллекторный ток транзистора VT_A должен повторять ток транзистора VT₃. По этой причине ток через нагрузку R_a не протекает.

При подаче на базу /?-я-/?-транзистора VT₂ запирающего положительного напряжения +U весь ток /₍₎ токопитающего каскада протекает через VT, (рис. 7.5, б). Транзистор VT₂ заперт. В силу свойств «токового» зеркала ток /₍₎ протекает через VT_A и, следовательно, через нагрузку по цепи: общая точка схемы —? R_u —? VT_A —> Е.

При подаче на базу транзистора VT₂ отрицательного напряженияU весь ток /₀ токопитающего каскада протекает через VT₂ (рис. 7.5, в). Транзистор VT_X заперт. Поэтому ток через VT₃ и VT_A не протекает. Ток 7₀ протекает через нагрузку, но цени: +Е —? VT₀ —⁵? VT₂ —³? —* R_a —? общая точка схемы.

Способы повышения входного сопротивления. Наиболее простое решение, позволяющее повысить входное сопротивление ОУ, состоит в введении дополнительных сопротивлений R₃ и R_A в эмиттерные цепи транзисторов VT_X и VT₂ (рис. 7.6, а). Его недостаток состоит в том, что уменьшается коэффициент усиления. Для повышения входного сопротивления без потери усиления схему ДК дополняют двумя транзисторами, используя два способа их включения:

• при включении VT₅, VT₆ по схеме с общим коллектором (рис. 7.6, б) увеличение входного сопротивления достигается благодаря отрицательной обратной связи по напряжению, т. е. обеспечивается свойствами эмиттерного повторителя. При этом усилительные свойства сохраняются, так как его коэффициент передачи близок к единице;

Рис. 7.6. Способы повышения входного сопротивления ДК с использованием обратных связей (а), эмиттерных повторителей (б) и составных транзисторов (в).

• при включении дополнительных транзисторов VT₅, VT₆ с основными VT_P VT₂ по схеме Дарлингтона (рис. 7.6, в) обеспечивается большой коэффициент усиления тока. Благодаря этому можно уменьшить входной ток дифференциального каскада, что эквивалентно увеличению его входного сопротивления.

Еще один известный способ повышения входного сопротивления операционного усилителя состоит в использовании полевых транзисторов.

Схемы перехода к несимметричному (однофазному) выходу.

Как указывалось выше, для получения однофазного напряжения достаточно снимать сигнал с одного из выходов ДК. Однако при этом в два раза уменьшается коэффициент усиления, а также коэффициент ослабления синфазного сигнала. Для сохранения усилительных свойств ДК используется сложение сигналов двух трактов с одинаковым по модулю коэффициентом усиления К_и, при этом один из трактов должен иметь на одну инверсию сигнала больше (рис. 7.7, а). Для иллюстрации принципа рассмотрим схему усилителя (рис. 7.7, б), в которой переход к однофазному выходу осуще;

Рис. 7.7. Принцип перехода к несимметричному выходу (а) и его микросхемная реализация (б)

ствляется с помощью каскада на транзисторах VT₄, VT₅, позволяющих организовать два усилительных тракта. Усилительный тракт со стороны входа Вх, содержит каскады на транзисторах VT, VT₄, VT₅, построенные по схемам ОЭ—ОК—ОБ. Усилительный тракт со стороны входа Вх₂ построен на транзисторах VT₂, VT₅, включенных по схеме ОЭ—ОЭ. Каждый из трактов имеет одинаковое усиление, однако первый тракт имеет одну инверсию сигнала, второй тракт — две. Поэтому, как ясно из рис. 7.7, б, выходные сигналы, поступающие на вывод Вых усилителя со стороны входов Вх, и Вх₂, совпадают, но фазе.

Каскады сдвига уровня. При нулевом напряжении на входах ОУ напряжение на его выходе также должно быть равно нулю. Однако при использовании в усилителе нескольких последовательно соединенных каскадов с непосредственной связью, собранных на однотипных транзисторах, постоянное напряжение на выходе каждого последующего каскада повышается. Поэтому возникает необходимость в сдвиге уровня постоянного напряжения вниз. Такие схемы применяются в трехкаскадных ОУ. В схемах двухкаскадных ОУ с использованием разнотипных транзисторов выходное напряжение меньше нуля, поэтому требуется повысить его уровень. Чаще всего схемы сдвига уровня строятся на основе ГСТ. Такая схема, обеспечивающая понижение уровня постойного напряжения с сохранением коэффициента передачи для сигнала, приведена на рис. 7.8, а.

Входной сигнал поступает на вход эмиттерного повторителя (VT,), нагрузкой которого является делитель напряжения, состоящий из резистора R₂ и простейшего ГСТ на транзисторе VT₂. Коэффициент передачи делителя напряжения для переменного напряжения (сигнала) близок к единице, для постоянного — значительно меньше. Изменяя сопротивления R₂ и величину опорного напряжения U_on на базе транзистора VT₂, можно получить напряжение сдвига, при котором в отсутствие сигнала напряжение на.

Рис. 7.8. Схемы сдвига уровня постоянного напряжения:

а — без усиления сигнала; б — с усилением сигнала выходе U_BbiX = 0. Выходной каскад в транзисторе VT₃, включенном по схеме с ОК, имеет высокоомный вход и не влияет на работу каскада сдвига уровня. На рис. 7.8, 6 приведена схема сдвига уровня с усилением сигнала, представляющая собой каскад на составном р-я-р-транзисторе по схеме с общим эмиттером.