Операционные усилители

Материал из РадиоВики - энциклопедии радио и электроники
Перейти к: навигация, поиск
Выкупить рекламный блок

Особого внимания среди выпускаемых промышленностью ми­кросхем заслуживают операционные усилители (ОУ) серий К140, К153, К284, К544, К553, К710, К740 и др. Интегральные ОУ по­зволяют осуществить до сотни различных схем включения и исполь­зовать одну и ту же микросхему для создания усилителей ВЧ, ПЧ, НЧ, преобразователей, генераторов, детекторов, компарато­ров, активных фильтров и др.

Состав наиболее распространенных серий ОУ и основные па­раметры микросхем приведены в табл. 2.7.

Таблица 2.7

За последние годы значительно расширена номенклатура и повышено качество как ОУ общего применения, так и микромощ­ных, быстродействующих, прецизионных и других ОУ. Благодаря совершенствованию технологии и развитию схемотехники достигну­то повышение коэффициента усиления и коэффициента подавления синфазного сигнала, расширен частотный диапазон, повышено быстродействие и входное сопротивление, уменьшены входные токи и их разности, обеспечена защита выходных каскадов многих ОУ от перегрузки при коротком замыкании в нагрузке.

В современных ОУ широко применяют супер-|3-транзисторы (Р — несколько тысяч), двухэмиттерные транзисторы, полевые транзисторы, двухколлекторные боковые р-n-р транзисторы, яв­ляющиеся эквивалентами высокоомных генераторов стабильного тока с малыми токами эмиттера, и др.

Рис. 2.31. Варианты примене­ния микросхем ОУ:
а — источник опорного напряжения с плавной регулировкой выходного напряжения на микросхеме К544УД1;
б — микрофонный усили­тель на микросхеме К153УД1А;
в — усилитель мощности (50 Вт) на микросхеме К140УД7

На рис. 2.31 приведены некоторые варианты применения раз­личных ОУ.

Рассмотрение схемотехнических особенностей ОУ проведем на примере микросхем К140УД1 и К140УД7.

Микросхема К140УД1 представляет собой широкополосный операционный усилитель, принципиальная схема которого показана на рис. 2.32,а.

Рис. 2.32. Микросхемы ОУ К140УД1 (а) и К140УД7 (б)

Усилитель состоит из входного и промежуточного дифферен­циальных усилительных каскадов, каскада смещения уровня и вы­ходного каскада. Он имеет два входа (инвертирующий — вывод 9 и неинвертирующий — вывод 10) и один выход (вывод 5). Напря­жение питания подают на выводы 1 и 7 (соответственно — Еп и +Еп). Вывод 4 — общий, а остальные используют для контроля режима или подключения внешних элементов в зависимости от конкретного применения микросхемы.

Входной каскад выполнен по дифференциальной схеме на тран­зисторах Т1 и Т2, в общую эмиттерную цепь которых включен токостабилизирующий двухполюсник с большим внутренним сопро­тивлением на транзисторе Т3 с термокомпенсирующим диодом (транзистор Т6 в диодном включении) в цепи базы. Основное на­значение входного каскада операционного усилителя — большое усиление дифференциального сигнала при максимально возможном подавлении синфазной помехи.

Выходной сигнал первого дифференциального каскада микро­схемы снимается с дифференциального выхода (резисторы R1 и R2) и подается на второй дифференциальный каскад на транзисто­рах Т4 и Т5. Так как требования по подавлению синфазной помехи в этом каскаде ниже, чем в первом, вместо токостабилизирующего элемента в эмиттерной цепи использован резистор. Различие диф­ференциальных каскадов заключается также в отсутствии резистивной нагрузки в цепи коллектора транзистора Т4, в которой нет необходимости при переходе от симметричного входа к несим­метричному выходу. Так как выходное напряжение каждого дифференциального каскада содержит не только полезный сигнал, но и постоянную составляющую напряжения коллектор-база транзистора, на коллекторе транзистора Т5 относительно «земли» имеется постоянное напряжение. Его необходимо нейтрализовать, сохранив передачу полезного сигнала, причем использование разделительного конденсатора недопустимо, поскольку ОУ является усилителем постоянного тока. Для решения этой задачи перед выходным каскадом помещен каскад смещения уровня на тран­зисторах Т7 и T8. Смещение уровня происходит на резисторе R9 вследствие протекания через него коллекторного тока транзистора Т8, который использован в качестве генератора стабильного тока. Так как резистор R9 и сопротивление коллекторного перехода транзистора Т8 образуют делитель с большим сопротивлением ниж­него (транзисторного) плеча, сигнал почти без затухания посту­пает на базу транзистора Т9 выходного каскада. Компенсацию температурного дрейфа тока кол­лектора транзистора Т8 обеспе­чивает транзистор Т9.

Выходной каскад ОУ на транзисторе Т9 выполнен по схе­ме эмиттерного повторителя. Он предназначен для усиления по мощности. Повышению усилении способствует положительная об­ратная связь за счет передачи части выходного напряжении с делителя R11-R12 на эмиттер транзистора T8. Часть сигнала синфазной помехи, которая про­сачивается на выход усилителя, по цепи обратной связи воздей­ствует на базу транзистора T3, ослабляя действие помехи. Вклю­ченный между базами транзисто­ров Т7 и Т9 диод Д1 предназна­чен для дополнительного отбора тока при коротком замыкании на выходе усилителя.

Устойчивость работы усили­теля достигается подключением корректирующей цепи между выводами 1 и 12. На НЧ в качестве корректирующей цепи целесообразно подключить к выводу 3 кон­денсатор емкостью 0,01 мкФ.

Микросхему К140УД1 выпускают в двух модификациях, раз­личие между которыми показано в табл. 2.7.

Микросхема К140УД7 (рис. 2.32,6) по числу каскадов, внося­щих основной вклад в обеспечение общего коэффициента усиления, относится к двухкаскадным ОУ. Входной каскад усилителя вы­полнен по сложной схеме на транзисторах Т8, Т9, Т11, Т12 с допол­няющими проводимостями. Плечи каскада построены по схеме ОК-ОБ. На транзисторах T2 и T20 выполнен стабилизатор раз­ности токов, что позволяет поддерживать постоянство токов вход­ного каскада. Смещение на базы этих транзисторов подано с тран­зисторов в диодном включении.

Выходное напряжение первого каскада усиливается вторым каскадом на транзисторах Т13, Т15. Каскад нагружен на параллель­но включенные внутреннее сопротивление генератора стабильного тока (на двухколлекторном транзисторе T4) и сопротивление двух-эмиттерного транзистора Т16.

Выходной каскад ОУ выполнен на транзисторах Т5 и Т22. Он работает в режиме АВ. Транзисторы Т6 и Т10 обеспечивают сме­щение рабочей точки транзисторов выходного каскада. Транзисторы Т7 и T17 предназначены для защиты выходного каскада от пере­грузки. Они открываются при недопустимом увеличении падения напряжения на резисторах R3 и R4. Транзисторы Т23 и Т16 (по цепи второго эмиттера) предназначены для линеаризации амплитудной характеристики ОУ.

Конденсатор С1 полностью корректирует АЧХ ОУ. Для повы­шения скорости нарастания выходного напряжения можно умень­шить степень коррекции, подключив к выводу 8 конденсатор емко­стью 150 пФ. Для балансировки ОУ рекомендуется включить пере­менный резистор между эмиттерами транзисторов T18 и Т19 (выводы 1 и 5).