3.1.2 Несимметричный дифференциальный каскад

Если необходимо иметь общую точку для входного и выходного сигналов, то нагрузка подключается между одним из коллекторов и общей точкой (рис. 3.4, а). В коллекторной цепи второго транзистора сопротивление может отсутствовать, так как транзистор является источником тока. Напряжение покоя коллектора необходимо компенсировать напряжение смещения.

а) б)

Рис. 3.4 Несимметричный дифференциальный каскад:

а) – с активными сопротивлениями;

б) – с токовым зеркалом.

Транзистор VT1 обеспечивает стабильность режима покоя и передачу сигнала транзистору VT2. Коэффициенты усиления и выходное сопротивление снижаются вдвое, входное сопротивление остается прежним.

В микросхемном исполнении резисторы являются неудобными элементами, так как занимают много места на кристалле. Кроме того, замена резисторов транзисторами упрощает технологию изготовления микросхем.

В схеме рис. 3.4, б в качестве коллекторных нагрузок транзисторов VT1, VT2 применено токовое зеркало на транзисторах VT3, VT4. Транзистор VT3 в диодном включении распределяет токи между базой и коллектором согласно коэффициенту усиления по току. Транзисторы VT3 и VT4 должны быть абсолютно идентичны, тогда ток коллектора транзистора VT4 повторяет ток коллектора транзистора VT3 . Ток как бы отражается от источника питания, отсюда название этой схемы – токовое зеркало. Коэффициенты усиления по току всех транзисторов должны быть одинаковы.

Определим коэффициент усиления каскада по току:

, , отсюда

. (3.9)

Коэффициент усиления по напряжению

. (3.10)

Коэффициенты каскада с токовым зеркалом больше, чем у симметричного дифференциального каскада.

3.2 Операционные усилители, общие сведения

3.2.1 Назначение и параметры операционного усилителя

Операционным усилителем (ОУ) - называется усилитель постоянного тока с бесконечно большими коэффициентами усиления по току и напряжению. При конечных значениях выходных напряжения и тока входные ток и напряжение равны нулю, что является следствием бесконечных коэффициентов усиления. Основное применение ОУ - построение схем со стабильным коэффициентом усиления и точно синтезированной передаточной функцией. Являясь идеальным усилителем, ОУ используется для построения стабилизаторов напряжения, генераторов различных сигналов, активных фильтров, компараторов и т.д. ОУ может использоваться примерно в 700...1000 схемах включения.

Независимо от сложности принципиальной схемы ОУ состоит из входного дифференциального каскада, усилителя напряжения, схемы сдвига уровня сигнала и выходного усилителя мощности. ОУ имеет два входа (прямой и инверсный) и один выход. Реальный ОУ имеет конечные значения коэффициентов усиления и конечные значения входных токов.

При анализе работы схем операционный усилитель считается идеальным, так как реальный ОУ имеет входные токи много меньше токов внешних цепей, его коэффициент усиления много больше результирующего коэффициента усиления схемы.

3.2.2 Операционный усилитель к140уд1

Первым операционным усилителем микросхемного исполнения был усилитель К140УД1. Однако структура этого усилителя используется во всех современных операционных усилителях.

а) б)

Рис. 3.5 а) – принципиальная схема операционного усилителя К140УД1;

б) – диаграммы напряжений на элементах.

Усилитель состоит из двух дифференциальных каскадов, схемы смещения и усилителя мощности.

Первый каскад – симметричный дифференциальный каскад на транзисторах VT1, VT2 с источником тока в эмиттерной цепи. Источник тока выполнен на транзисторе VT5 с делителем R7, R8, эмиттерным сопротивлением R5 и термокомпенсирующим транзистором VT6. Транзисторы VT1, VT2 обладают большим коэффициентом усиления по току, но малым допустимым коллекторным напряжением. Для снижения напряжения питания первого каскада установлен резистор R3, падение на котором, из-за постоянства суммарного тока эмиттеров транзисторов VT1, VT2, постоянно. Напряжение покоя коллекторов транзисторов VT1, VT2 U_КП1,2 ближе к общей точке (см. рис. 3.5, б).

Второй каскад – несимметричный дифференциальный каскад на транзисторах VT3, VT4 с эмиттерным сопротивлением R6. Напряжение покоя коллекторов транзистора VT4 U_КП4 расположено в середине между напряжением U_КП1,2 и напряжением питания +Е_П.

Усиление по мощности осуществляется эмиттерными повторителями на транзисторах VT7 и VT9. Напряжение смещения коллекторного напряжения состоит из падения напряжения на резисторе R9 и переходах база-эмиттер транзисторов VT7, VT9

. (3.11)

Падение на резисторе R9 происходит за счет тока источника тока, выполненного на транзисторе VT8 с делителем напряжения R7, R8 и эмиттерными сопротивлениями R10, R12. В режиме покоя смещение обеспечивает нулевой выходной сигнал. При наличии выходного сигнала резистор R12 осуществляет положительную обратную связь, увеличивая (по модулю) выходное напряжение. Рассмотрим прохождение входного положительного напряжения, поданного на инвертирующий вход Вх- и нулевом напряжении на не инвертирующем входе Вх+

.

Отрицательное напряжение на выходе приводит к снижению падения напряжения на резисторе R12 и увеличению тока источника тока на транзисторе VT8, падение на резисторе R9 увеличивается, напряжение смещения увеличивается, выходное напряжение становится (по модулю) больше.

Напряжение U_K4 может меняться менее чем на половину напряжения питания. Введение положительной обратной связи позволяет выходному напряжению меняться практически на величину напряжения питания.

В табл. 3.1 приведены параметры некоторых операционных усилителей.

Таблица 3.1 Параметры операционных усилителей

Параметры \ Тип	К140УД1	КР140УД7	КР140УД8	КР140УД13
Коэффициент усиления по напр. КU	2000	50 000	50 000	200
Напряжение смещения нуля UCM, мВ	7	4	20	0,07
Дрейф напряжения смещения, мкВ/град	20	6	50	--
Входные токи IВХ, нА	8 000	200	0,2	4
Частота единичного усиления, МГц	5	0,8	1
Скорость нарастания выходного напряжения, В/мкс	0,5	10	5
Максимальный выходной ток, мА	3	20	20	10
Напряжение питания, В	12,6	15	15	15
Максимальное выходное напряжение, В	6	11,5	10	1
Максимальное входное напряжение, В	3	11	12	15
Наличие внутренней коррекции	нет	есть	есть	Нет
Наличие защиты от к.з.	нет	есть	есть	нет

Рис.3.6 Нумерация выводов операционных усилителей

типа КР140УД6, КР140УД7, КР140УД8

Операционный усилитель К140УД1, как усилитель ранней разработки, обладает сравнительно низкими параметрами. Усилитель КР140УД7 является типичным усилителем общего назначения со средними параметрами, Усилитель КР140УД8 отличается малыми входными токами (высоким входным сопротивлением), его первый каскад выполнен на полевых транзисторах. Усилитель КР140УД13 отличается сверхнизким напряжением смещения (напряжением дрейфа). Для снижения дрейфа в нем используется принцип модуляции-демодуляции сигнала.

Переменный резистор R1 предназначен для компенсации напряжения дрейфа, однако такая схема используется сравнительно редко, так как требует установки на всех входах усилителя нулевых сигналов, что в реальной работающей схеме сделать затруднительно.

Условное обозначение операционных усилителей.