Микросхемы и схемы их включения

В настоящее время операционные усилители (ОУ) получи­ли наиболее широкое распространение среди аналоговых интеграль­ных схем. Это обусловлено возможностью реализации на их основе самых различных линейных и нелинейных аналоговых и аналого-цифровых устройств. Различные способы преобразования аналоговых сигналов выдвигают самые разнообразные требования к ОУ. Удов­летворить все эти требования в ОУ одного типа практически невоз­можно. По этой причине промышленностью выпускаются ОУ несколь­ких типов, каждый из которых удовлетворяет ограниченному числу.требований. Все вместе они перекрывают широкий диапазон требо­ваний.

Операционные усилители строятся на основе трех- или двухкас-кадных структурных схем. Трехкаскадная схема содержит каскады входного дифференциального усилителя, усилителя напряжения и усилителя амплитуды сигнала, объединяющего схемы сдвига уровня и формирования выходного сигнала. Выходные эмиттерные повтори-тели, осуществляющие переход к низкоомной нагрузке, в формирова­нии коэффициента усиления- ОУ не участвуют. В двухкаскадных ОУ входной каскад объединяет функции дифференциального усилителя и усилителя напряжения.

Большое количество различных типов ОУ, выпускаемых серийно, можно разбить на две большие группы по их элементной базе. Пер­вая из этих групп, в которую входят в основном ОУ первого поко­ления, характеризуется использованием главным образом транзисто­ров типа n -р-n и большого количества резисторов, в то время как интегральные ОУ второй группы отличаются применением компле­ментарных структур (совокупностью транзисторов типов n -р-n и р-n-р) и резким уменьшением количества резисторов. К первой груп­пе относятся трехкаскадные ОУ типа К153УД1, а ко второй — двух-каскадные типа К140УД7. Параметры ОУ второй группы значитель­но лучше. Так, у ОУ типа К140УД7 более широкий диапазон измене­ния входного дифференциального напряжения, простая схема ком­пенсации смещения, встроенный МОП-конденсатор емкостью около 30 пФ, обеспечивающий устойчивость ОУ для любой конфигурации и параметров цепи обратной связи (ОС). Кроме того, предусмотрена защита ОУ от коротких замыканий по выходу.

Возможности использования современных ОУ можно расширить еще больше, если создать условия для изменения некоторых из его параметров под воздействием внешних управляющих сигналов. Опе­рационные усилители такого типа обычно называют программируе­мыми. Программируемым ОУ является микросхема К.140УД12.

Основные метрологические характеристики ОУ определяются па­раметрами его входного дифференциального каскада. Простейшая схема этого каскада представлена на рис. 1.1. Вольт-амперную ха­рактеристику эмиттерного диода транзистора с достаточной степенью точности можно описать выражением вида

I_э=I_эвоexp U_БЭ/Фт. (1)

где фт — температурный потенциал (для Т =300 К ф_т = 26 мВ); I_ЭБО — обратный ток эмиттера; U_БЭ — управляющее переходом ба­за — эмиттер напряжение. Это выражение справедливо при U_БЭ >фт. По формуле (1) можно вычислить практически все входные пара­метры дифференциального каскада. Так, входное дифференциальное сопротивление ОУ равно R_вх.д = 2h_11Б, а коэффициент усиления на­пряжения

Ky.u = U_K1/U_D = U_K2/U_D, где U_D = U_l—U₂. (2)

Таким образом, коэффициент усиления напряжения практически ра-. вен половине коэффициента усиления каскада с общим эмиттером (ОЭ), т.е. выражение (2) можно привести к виду K_и.и = h_21ЕR_к/2h_11Е. Сюда входит входное сопротивление h_11В каскада с общим эмитте­ром, которое зависит от эмиттерного тока транзистора или от номи­нала источника тока дифференциального каскада I₀. Если коэффици­ент передачи тока транзистора h_21Е>1, то h_21Е=h_21Еф_т/Iэ = 2h_21Еф_т/I₀. Тогда получим R_вх.д = 4h_21Еф_т/Iо и K_у.и=R_кIо/4ф_т. Эти выражения показывают, что регулировкой источника тока I₀ вход­ного дифференциального каскада можно изменять такие параметры ОУ, как коэффициент усиления напряжения и -входное дифферен­циальное сопротивление.

На рис. 1.2 представлены графические зависимости R_вх._д=f(Iо) и Kу_м=f(I₀) для h_21Е=100 и R_к=3,5 кОм. Однако эмиттерный ток входного каскада I₀ влияет не только на эти параметры, но и на такие не менее важные характеристики, как входной ток ОУ, ско­рость.нарастания выходного напряжения я потребляемая мощность.

Широко распространенной разновидностью,ОУ являются так называемые ОУ с переменной крутизной, наиболее характерным параметром которых является управляемая проводимость. Выход­ной каскад усилителя такого типа практически представляет собой источник тока. Программируемый источник тока, который исполь­зуется для питания входного дифференциального каскада и управ­ления параметрами ОУ, реализован по схеме «токового зеркала».

Рис. 1.1 Рис. 1.2

Вместо коллекторных резисторов применяют аналогичную схему. Принципиальная схема усилителя с переменной крутизной представ­лена на рис, 1.3. Для данной схемы справедливы следующие соотно­шения:

Для суммарного тока дифференциального каскада можно получить

Передаточная проводимость при этом- равна

Схема токового зеркала, используемая для питания дифференциаль­ного каскада и реализованная на транзисторах VT3 и VT4, описы­вается следующим соотношением: S = I₀/I₃ = h_21E/(h_21E+2). Если коэффициент передачи тока транзисторов VT3 и VT4 уменьшается до 20, что вполне реально для малых коллекторных токов, то отно­шение 5 равно 0,9 вместо 1, т. е. появляется погрешность передачи токов. Для уменьшения этой погрешности обычно применяют более сложные схемы токового зеркала, позволяющие получить значитель­но меньшую погрешность при равном коэффициенте передачи тока используемых транзисторов. Так, схема, реализованная на транзи­сторах VT13 — VT15, обеспечивает коэффициент усиления K=0,9 при коэффициенте передачи по току h _21Е = 4 и описывается выраже­нием

Если к высокоомному выходному каскаду с переменной крутиз­ной подключить буферный эмиттерный повторитель, то в результате получится регулируемый ОУ.

Рис. 1.3

Рис. 1.4

Примером программируемого ОУ является интегральная микро­схема К140УД12. Упрощенная схема этого ОУ приведена на рис. 1.4. Управление входными параметрами ОУ осуществляется регулировкой рабочего тока. Входной каскад ОУ построен по каскодной схеме на комплементарных транзисторах, причем транзисторы типа n -р-n имеют большой коэффициент передачи тока, а у транзисторов типа р-n-р он может изменяться. Тем самым обеспечивается полная сим­метрия входного каскада. Так как эмиттерные токи транзисторов VT1 и VT2 определяются их базовыми токами, то входное сопро­тивление ОУ и коэффициент усиления входного каскада также за­висят от эмиттерных токов VT1 и VT2, а следовательно, могут ре­гулироваться изменением рабочего тока по входам Si, 5₂. Входное сопротивление такого ОУ примерно в.2 раза больше, чём у ОУ с простейшим дифференциальным каскадом, вследствие использова­ния каскодной схемы. Кроме высокого входного сопротивления кас-кодный усилитель обладает лучшими частотными характеристика­ми,,в частности, за счет уменьшения коэффициента пересчета емко­стей переходов коллектор — база транзисторов VT1 и VT2 ко входу по сравнению со схемой с общим эмиттером. Эмиттерный повтори­тель на транзисторе VT7 и схема сдвига уровня на транзисторах VT4 и VT6 предназначены для согласования входного дифференци­ального каскада и выходного буферного усилителя. Транзисторы VT21 и VT22 устраняют искажения, возникающие в выходном кас­каде, построенном на комплементарных транзисторах и работающем в режиме АВ. Транзисторы VT23 и VT24 служат для защиты выход­ного каскада от короткого замыкания.

Для формирования управляющего тока I₈ могут использовать­ся самые различные способы. Чаще всего для этой цели применяют достаточно высокоомный резистор, который подключают к отрица­тельному полюсу источника питания ипри необходимости заменяют источником тока на биполярном или полевом транзисторе.

Помимо коэффициента усиления и входного сопротивления при изменении тока I₅ можно регулировать входной ток, токовые шумы и напряжение шумов (ОУ). При заданном внутреннем сопротивле­нии источника сигнала с помощью регулировки управляющего тока I можно оптимальным образом согласовать шумовые параметры ОУ с характеристиками источника сигнала. При использовании ОУ при минимальном напряжений питания изменением тока управления устанавливается минимальная мощность потребления в режиме покоя.

Таблица 1.1

Тип ОУ	Uп.в	Iпот. МА,	Kу. uminx х103	Uсм. мВ	Iвх. нА	ДIвх. нА	Rвх, МОм	Uвх. сф, В	Uвых, В	Kос.сф, дБ	Kвл,пмкВ/В	ft. МГц	Uuвых,В/мкс	TK Uсм. мкВ/К	TK Iвх, нА/к;	TK ДIвх, нА/К	Uп.mах Uп.min
К140УД1А (Б)	±6,3	4,2	0,4		8-103	3-103	0,004	±3	±2,8
	±12,6)	(8)	0,3)		(12- 103)			(±6)	(±5,7)
К140УД2А (Б)	±6.3						0,3	±6	±10	—	—		—		—	—	—
	±12,6)	(5)	(3)	(7)				(±3)	(±3)
К140УД5А (Б)	±12,6		1.5		103	3-102	—	—	—		—					—	13(6)
		(16)	(2,5)	(5)	(5-103)	(103)				(60)		(И)	(6)	(6)	(25)
К140УД6А (Б)	±15	2,8						±11	±11		-200	1,0	2,5			0,1	20(5)
			(50)	(8)	(50)	(15)	(2)			(70)			(2)	(40)	(25)	(0,3)
К140УД7А (Б)	±15	2,8					0,4	±12	±11,5			0,8	0,3		—		20(5)
		(3,5)		(10)	(550)	(200)			(±10,5)
К140УД8А (Б)	±15				0,1(0,5)	0,1	102	±10	±10		—	1,0	2,5		—	—	—
		(5)	(20)	(100)										(10О)
К140УД9	±15	3,6					—	—	—		—	1,0	0,2		—		18(9)
К140УД10	±15							±11,5	±10		—				—		18(5)
К140УД11	±15-						—	—	—		—				—	—	18(5)
К140УД12	±15	0,03					—	—	—		—	0,3	0,1	—	—	—	t8(5)
(IУ — 1,5/1 5 мА)		(0,2)	(100)	(5)	(50)	(15)						(1)	(0,8)
К140УД13	±15		0,007	0,5	3 -	0,3		±10	±0,5			—	—	0,5	—	0,003	—
К НОУ ДНА (Б)	±15	0,6		2(7,5)		0.2		—	±13		—	0,3	0,05		0,02	2,5	18(5)
		(0,8)	(25)		(7)	(1)	(10)					(0,2)		(30)		(10)
К153УД1А (Б)	±15			7,5			0,2	±8	±10		—	1,0	0,2			0,8	18(9)
К553УД1	±15			7,5			0,2	±8	± 9		—	1,0	0.2			0,8	18(9)
К153УД2	±15						0,3	±12	±11		—	1,0	0,6		—	—	18(5)
К553УД2	±15			7,5			0,3	±12	±10		—	1,0	0,6		—	—	18(5)
К153УДЗ
К553УДЗ	±15	3,6					0,3	±8	±10		—	1,0	0,2		—	—	18(9)
К153УД4	± 6	0,8					0,2	±5	± 4		—	1,0	0,1		—		7(3)
К153УД5	±15	__		2,5			1,0	±13,5	±10		—	1,0	—		—	0,5	16(5)
К154УД1 К154УД2 К154УДЗ	±15 ±15 ±15	0,12 6	150 90 8	3 2 9	20 100 200	10 20 30		±10 ±10 ±10	±12 ±10 ±10	85 85 80	100 85 75	1,0 15 15	10 150 80	15 5 10	—	0,15 0,3 0,05	18(5) 18(5) 18(5)
К157УД1	±15						—	—	±12		—	0,5	0,5		—		18(3)
К157УД2	±15						—	—	±13		—	1,0	0,5		—		18(3)
К544УД1А (Б)	±15	3,5	50 (20)	30 (50)	0,15 (1)	0,05 (0 5)	—	±13,5	±10		—	1,0		30 (10О)	—	—	—
К544УД2 К574УД1А	±15 ±15	5,5 5,5	150 150	60 20	0,6 0,1	0,02 0,02	10 10.	±10 ±12	±13 ±12	60 80		18 18			0,1	0,006
К574УД1Б К574УД1В	±15 ±15	5.5 5,5	150 150	20 60	0,1 0,6	0,02 0,02	10 10	±12 ±12	±12 ±12	60 60	100 100	18 18	90 90	30 30	—	—	—

Примечание: Un — напряжение питания; I_пот — потребляемый ток; K_{у и min} — минимальный коэффициент усиления; Uсм — напряжение смещения; I_вх — входной ток; ДI_вх — разность входных токов; R_вx — входное сопротивление; Uвх cф — максимальное входное синфазное напряжение; U_вых — выходное напряжение; К_{ос. сф} — коэффициент ослабления входного синфазного напряжения; fi — граничная полоса частот; v_uвых. — скорость нарастания выходного напряжения; ТК Uca — температурный коэффициент смещения: ТК Iвт — температурный коэффициент входного тока; ТК ДIвх — температурный коэффициент разности входных токов; U_n.max/U_n.min — пределы изменения питающего напряжения; Kвл. п — коэффициент подавления изменения питающего напряжения.

Основным недостатком программируемого ОУ К140УД12 явля­ется относительно невысокая скорость нарастания выходного сигна­ла, обусловленная применением внутренней цепи коррекции ампли-тудно-частотной характеристики и равная примерно 0,5 В/мкс. Ско­рость нарастания определяет в данном случае и граничную частоту пропускания ОУ для режима большого сигнала. Для синусоидаль­ного напряжения справедливо следующее выражение: wA_mах< v_{u вых}, где v_Uвых — скорость нарастания. Это соотношение опре­деляет условия неискаженной передачи синусоидального сигнала заданной амплитуды A_mах и частоты w.

Параметры ОУ. Широкое применение ОУ выдвигает самые раз­нообразные требования к его характеристикам. Их параметры при­ведены в табл. 1.1, рассмотрим некоторые из них.

Коэффициент усиления K _у._и определяется отношением измене­ния выходного напряжения к изменению на входе K_у.и = АU_вых/ДU_вх. Величина ДU_Вх = U₊ — U_-, где U_ — напряжение на инвертирующем, a U+ — на неннвертирующем входах ОУ. В сов­ременных ОУ коэффициент K_у.u = 10³ — 10⁶.

Напряжение смещения U_См определяется как дифференциаль­ное напряжение, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы на его выходе установился нулевой потенциал. Напряжение U_см для ОУ с биполярными транзисторами на входе, может лежать в преде­лах 3 — 10 мВ. Для ОУ с полевыми транзисторами на входе напря­жение смещения составляет 30 — 100 мВ. Это объясняется в основ­ном большим разбросом напряжения затвор — исток применяемых полевых транзисторов.

Входной ток I_{в х} определяется среднеарифметическими значе­ниями токоз на инвертирующем и неннвертирующем входах ОУ, когда входное напряжение создает на выходе нулевое напряжение. Этот ток для ОУ с биполярными транзисторами на входе лежит з пределах 0,02 — 10 мкА. Для входных каскадов с полевыми тран­зисторами входные токи равны единицам нанзампер и меньше.

Разность входных токов ДI_Вх=|I₊ — I_-| измеряется при нуле­вом выходном напряжении. Эта величина лежит в пределах 20 — 50 % Iвх. Параметр ДI_вх характеризует асимметрию входного каскада.

Коэффициент ослабления синфазного входного напряжения К_{сс.с ф} = 20 log K_у.u/K_у.сф — отношение коэффициента усиления на­пряжения к коэффициенту усиления синфазного входного напряже­ния ОУ. Значение K_ос.сф лежит в пределах 60 — 100 дБ.

Частота единичного усиления f₁ — частота, на которой коэффи­циент усиления ОУ равен единице. Максимальное значение f₁ для ОУ может доходить до нескольких десятков мегагерц.

Скорость нарастания выходного напряжения v_{U вых} опреде­ляется при подаче на вход максимально допустимого импульсного сигнала прямоугольном формы с минимальным фронтом или спадом. Для ОУ, поставленного в режим повторителя,.этот параметр лежит в диапазоне 0,3 — 50 В/мкс. Для некоторых типов ОУ лараметр РУВЫХ зависит от полярности входного прямоугольного сигнала.

Коэффициент влияния нестабильности источника питания K _вл.ип для ОУ характеризуется сбалансированностью всех ступеней передачи входного напряжения. Значительный вклад в эту характери­стику вносит входной каскад. При изменении положительного или отрицательного напряжения питания на вьТЧоде ОУ возникает на­пряжение. Отношение приведенного ко входу изменения выходного напряжения к вызывающему его изменению напряжения питания определяет Kвл.ип. Типовое значение Kвл.ип находится в пределах 20 — 200 мкВ/В.