Структурная и принципиальная схемы операционных усилителей

Ранее были сформулированы основные требования к операционным усилителям:

- высокий коэффициент усиления как и переменных так и постоянных напряжений;

- нулевые входное и выходное напряжения при отсутствии сигнала;

- малые коэффициенты дрейфа нуля;

- высокое входное и низкое выходное сопротивления;

- стандартная частотная характеристика.

Для того чтобы обеспечить высокий коэффициент усиления по напряжению, необходимо несколько каскадов усиления с гальванической и непосредственной связью между ними. Чтобы выходной потенциал остался равным нулю, необходимо, по крайней мере, в одном из каскадов осуществить отрицательный сдвиг уровня потенциала, например, при помощи стабилитрона или применением комплементарных транзисторов, позволяющим сопрягать любые потенциалы.

Оценим, как влияет напряжение смещения нуля в отдельных каскадах усиления на работу ОУ в целом. Для этого рассмотрим в качестве примера двухкаскадный усилитель. Если обозначить величины напряжения смещения нуля каждого каскада через и, то при U_ВХ = 0 получим следующее выражение для выходного напряжения:

В соответствии с этим выражением на выходное напряжение усилителя в значительно большей степени влияет дрейф напряжения смещения нуля первого каскада. Для того чтобы уменьшить величину этого дрейфа нулевой точки, в первом каскаде усиления всегда применяют схему дифференциального усилителя. Выход ОУ, как правило, несимметричный, должен иметь малое выходное сопротивление. Поэтому выходной каскад должен быть усилителем мощности, выполненный по схеме эмиттерного повторителя.

На рис. 4 показан вариант структурной схемы операционного усилителя общего применения.

Рис. 4. Структурная схема ОУ

Дифференциальный усилитель выполняет роль входного каскада. Он позволяет максимально уменьшить величину дрейфа нуля, обеспечить получение достаточно высокого входного сопротивления и максимально подавить действующие на входах синфазные составляющие, обусловленные изменениями температуры окружающей среды, изменением напряжения питания, старением элементов и т.п. Большого усиления от входного каскада не требуется, т.к. попытка повысить усиление ДУ приводит к снижению входного сопротивления усилителя.

Основное усиление по напряжению в ОУ обеспечивает усилитель напряжения (УН), который может состоять из нескольких каскадов. УН, кроме того, служит для согласования выходного сигнала ДУ с выходным каскадом ОУ как по уровню, так и по фазе.

Выходной каскад УМ, выполняемый, чаще всего, по двухтактной схеме, обеспечивает требуемое усиление сигнала по мощности и малое выходное сопротивление.

На рис. 5 приведена упрощённая электрическая схема ОУ универсального применения.

Рис. 5. Упрощённая принципиальная схема ОУ

Первый каскад устройства выполнен на дифференциальном усилителе (транзисторы VT1 и VT2), в котором для задания эмиттерного тока транзисторов использована схема «токового зеркала» на транзисторах VT3 и VT4. Резисторы R3 и R4 создают в каждом транзисторе ДУ местную ООС по току, увеличивая тем самым входное сопротивление усилителя.

Усилитель напряжения также выполнен с использованием дифференциального каскада (VT5 и VT6), на выходе которого каскад по схеме с общим эмиттером (VT7). Особенностями этого усилителя являются использование в дифференциальном каскаде транзисторов, проводимость которых противоположна проводимости транзисторов входного каскада и применение несимметричного выхода. Вследствие этого нагрузочный резистор в коллекторной цепи транзистора VT5 отсутствует.

Режим по постоянному току в каскадах на транзисторе VT7 стабилизируется последовательной ООС по току на резисторе R9 (эмиттерная стабилизация). Резистор R8 является нагрузочным для каскада на этом транзисторе.

В выходном каскаде ОУ использована схема двухтактного усилителя мощности, работающего в режиме класса АВ. Необходимое для этого начальное смещение задаётся диодами VD1 и VD2. Эти же диоды обеспечивают температурную стабилизацию режима покоя усилителя мощности. Эмиттерные резисторы R10 и R11 обеспечивают согласование параметров комплементарной пары транзисторов VT8 и VT9 и ограничивают их максимальные токи.

Схема имеет три вывода для подключения двухполярного источника питания, выходной вывод, два входных вывода и вывод для подключения внешней коррекции. Цепь внешней коррекции позволяет требуемым образом изменять частотную характеристику усилителя, что важно при введении в него различных цепей обратной связи.

На рис. 5 показана схема двухкаскадного ОУ типа К544УД1.

Рис. 5 Схема двухкаскадного ОУ

Входной каскад усилителя выполнен по дифференциальной схеме на n-канальных полевых транзисторах VT2 и VT5 с управляющим p-n-переходом. В качестве нагрузки использована схема «токового зеркала» на транзисторах VT1, VT3 и VT4, а ток истоков стабилизирован генератором тока на транзисторах VT6, VT7. Использование полевых транзисторов позволяет получить высокое входное сопротивление ОУ, а активная нагрузка обеспечивает необходимый коэффициент усиления K_Uo.

Выходной каскад образует предварительный усилитель на VT8 и усилитель мощности на VT10 и VT11. Транзистор VT8 включён по схеме с ОЭ и охвачен цепью последовательной ООС по току (R6). Использование в этом усилителе динамической нагрузки на VT9 позволяет повысить его коэффициент усиления. На комплементарной паре VT10, VT11

собран двухтактный усилитель мощности, работающий в режиме класса АВ. Диоды VD1 и VD2 создают необходимое начальное смещение на базах этих транзисторов. Частотные свойства выходного каскада корректируются внутренним конденсатором С _КОР, шунтирующим коллекторный переход транзистора VT8. Путём подачи необходимого напряжения на выводы «Баланс» компенсируется напряжением смещения нуля U_СМо.

Дата добавления: 2014-01-20