R, и меньшее быстродействие. Первая схема сдвига уровня обеспечивает низкое выходное сопротивление, равное примерно фг г. и часто применяется в качестве выходного каскада АИС.

1.2. СТРУКТУРА ОУ И МЕТОДЫ УЛУЧШЕНИЯ ЕГО ПАРАМЕТРОВ

В основу современных ОУ положена трехкаскадная структура (рис. 1.4) с ДУ на входе. Для увеличения входного сопротивления промежуточного каскада (транзисторы VT6, VT11) на его входе включен эмиттерный повторитель на транзисторе VT5. Выходной каскад с низким выходным сопротивлением и защитой

Дифференци-альши

Промежуточный \ Выходной I

£иттль 1 £оилитет усилитель Рис. 1.4. Типовая схема операционного усилителя

от короткого замыкания образуют транзисторы VT7-УТЮ. На рис. 1.4 приведена упрощенная схема ОУ. Реальные схемы усилителя отличаются друг от друга схемами каскадов, технологией их изготовления и вследствие этого параметрами. В большинстве случаев для понимания особенностей применения ОУ в аппаратуре достаточно иметь представление о работе приведенной схемы.

Коэффициент усиления ОУ равен произведению коэффициентов усиления ДУ и промежуточного усилителя. Коэффициент усиления входного ДУ равен произведению его крутизны S = IJt на сопротивление нагрузки i?Hi = /?вых1/?вх2, где /?вых1 = Гк21/к4 - выходное сопротивление ДУ; /?вх2 = /г21э(/э5+/121ээб) - входное сопротивление промежуточного усилителя. Здесь через Гк обозначено сопротивление обратно-смещенного перехода коллектор-база соответствующего транзистора, а через Гэ - сопротивление открытого перехода эмиттер - база.

Коэффициент усиления промежуточного усилителя равен произведению его крутизны 1/(Гэб+Гэ5 121э) на сопротивление его нагрузки Н2\эКе, где Rn - сопротивление нагрузки на выходе усилителя ОУ. Таким образом, коэффициент усиления ОУ при пизко-

частотном входном сигнале Kf =/1/г21эн/фт(1+?вх2/?вых1). При выводе этой формулы предполагалось, что Д1>Ь21эГэб, /121э/?н< СкбЦгки и токи через VT3 и VT4 одинаковы. При типовых для ОУ 153УД6 или 140УД6 значениях /i = 10 мкА, /2 = 300 мкА, /г21э = = 100, Гк=1 МОм и R = 2 кОм получим Ки5-\0. Фактическое же Кц в этой схеме ОУ в 2-3 раза меньше из-за действия внутренней цепи температурной ОС [1].

Для получения однополюсной передаточной характеристики между выходами ДУ и промежуточного усилителя включен корректирующий конденсатор Ск. Чтобы упростить получение выражения для К1; (со), предположим, что ДУ является идеальным генератором тока перезаряда конденсатора Ск, управляемым входным сигналом. Более того, будем считать, что промежуточный усилитель тока и выходной усилитель мощности не вносят фазовых искажений. Тогда изменение выходного напряжения промежуточного усилителя равно произведению входного напряжения на крутизну ДУ и на сопротивление конденсатора Ск, равное 1/рСк, т. е. Кц (р) =81рСк. Следовательно, (ю) =/1/фга)Ск. Это выражение, справедливое для участка амплитудно-частотной характеристики с частотой входного сигнала, большей частоты первого полюса, позволяет рассчитать [г ОУ. Частота единичного усиления fr, при которой Кц (со) = 1, определяется из выражения а)г = 2л/т = = /,/фгС . Например, в ОУ 153УД2 или 140УД7 /,= 10 мкА, Ск = = 30 пФ и, следовательно, /т~1 МГц. Частота fx является малосигнальным динамическим параметром ОУ, который определяется при разомкнутой внешней ОС и малом входном напряжении /вх(/)Фг 25 мВ.

Если на вход ОУ подан дифференциальный прямоугольный сигнал Un,c идеальной формы, полностью переключающий ток /r = 21i из одного плеча входного ДУ в другое, то выходное напряжение нарастает не мгновенно, а с конечной скоростью v. Минимальное значение .с зависит от структуры и типа активных элементов на входе ДУ. Например, в ОУ на рис 1.4 отношение токов в плечах ДУ равно 9 при п.с = 50 мВ, а при U ,c=lOO мВ это отношение примерно равно 70. В ОУ с полевыми транзисторами на входе для полного переключения токов в ДУ необходимо на его вход подать дифференциальное напряжение t/n.c=l-3 В. Для ОУ, у которого /2>2/i, скорость нарастания выходного напряжения будет определяться скоростью заряда Ск током 21 и т. е. v = 2Ii/Ck, и при 2/i.= 20 мкА, Ск = 30 пФ получим о? 0,67 В/мкс. Выразив Ск через [т, можно для показанной на рис. 1.4 структуры ОУ записать соотношение t) = 4nfr/i/S, связывающее скорость нарастания выходного напряжения ОУ с его частотой единичного усиления.

Важной динамической характеристикой ОУ является мощно-стная полоса пропускания fp - частота, до которой сохраняется максимальный (обычно ±10 В) размах выходного напряжения ОУ. При f<ifp выходной сигнал синусоидален и равен /вых(0 = = Af/msm2ni при синусоидальном входном сигнале. Скорость на-

растания выходного сигнала dubux{t)ldt - AUm2nf cos 2nf. Максимальное для ОУ значение dusux/dtv достигается при = 0 на частоте fp = v/2nAUm. Подставляя в последнее выражение v = = 0,67 В/мкс и At/m=10 В, получаем fpll кГц. Параметры, описывающие качество ОУ, можно разделить на три большие группы: статические, динамические и эксплуатационные.

Вследствие большого коэффициента усиления ОУ является высокочувствительным элементом, усиливающим как очень малые полезные сигналы (десятки микровольт), так и собственные шумы и наводки на внешние выводы. Несимметрия монтажа электрических схем, разброс и нестабильность параметров элементов микросхем и компонентов внешних цепей усиливают действие помех. Основной причиной, по которой коэффициент усиления ОУ делают большим, является обеспечение высокой стабильности его параметров при использовании глубокой отрицательной ОС.

В зависимости от вида цепи ОС различают инвертирующее и неинвертирующее включения ОУ. Упрощенные формулы для расчета параметров усилителя с ОС приведены в табл. 1.1. Точные выражения для расчета входного и выходного сопротивлений и коэффициента передачи ОУ с ОС достаточно громоздки [2] и применяются при расчетах только специализированных прецизионных схем.

Таблица 1Л ВКЛЮЧЕНИЯ ОУ

Коэффициент передачи Кц

Входное сопротивление rbx

Выходное сопротивление явых

(о.с+ вых) вх

о.с + вых + вх + Кцвх + о.с/1

l+Ro.cIRi

1+о.с/1

Cx(l+0c/l)

1.2.1. МЕТОДЫ УЛУЧШЕНИЯ ТОЧНОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОУ

Действие статических погрешностей ОУ проявляется в том, что при равных потенциалах на входах выходное напряжение ОУ отличается от нуля. Для совместного их рассмотрения все ста-