Структура и основные параметры интегральных операционных усилителей

Общие сведения. Операционными усилите­лями (ОУ) называют широкий класс усилителей с галь­ваническими связями, работающих при наличии глубо­кой обратной связи. Эта обратная связь настолько ве­лика, что параметры и характеристики устройства на ОУ практически полностью определяются видом ихаракте­ристиками элементов, входящих в цепь ОС.

Впервые ОУ были разработаны около 40 лет назад и предназначались для выполнения некоторых математи­ческих операций (сложения, вычитания, интегрирования и др.) в аналоговых вычислительных машинах. В совре­менных ЭВМ математические операции выполняются ло­гическими (цифровыми) ИМС, а усилители с большим коэффициентом усиления и глубокими обратными связями для этих цепей не используются. Однако термин «опера­ционные усилители» за ними сохранился.

Реализовать высококачественный ОУ на дискретных элементах — задача очень трудная, а для серийного произ­водства почти неразрешимая. Поэтому широкое распрост­ранение получили лишь интегральные ОУ, стабильные параметры которых достигнуты благодаря обеспечению высокой симметрии плеч входящих в них балансных каска­дов и повышению сложности электрической схемы.

Структура ОУ. Независимо от сложности принципиаль­ной схемы почти все ОУ имеют структурную схему, пока­занную на рис. 7.13. Операционные усилители, построен­ные по такой структурной схеме, имеют два входа и один выход. По отношению к выходу один из входов является инвертирующим, другой — неинвертирующим. Наличие в ОУ инвертирующего и неинвертирующего входов значи­тельно облегчает введение в него различных ОС и с их помощью реализацию различных функций.

Отклонения от данной структурной схемы носят не­принципиальный характер. Например, могут быть три каскада усиления напряжения, схема защиты выхода от короткого замыкания и схема защиты входного каскада от перенапряжений.

Рис. 7.13. Структурная схема ОУ

Каскады усиления служат для обеспечения задан­ного коэффициента усиления. В современных ОУ коэф­фициент усиления составляет от единиц до десятков тысяч. Каскад сдвига уровня напряжения предназначен для исключения постоянной составляющей напряжения, ко­торая возникает в ОУ при непосредственной связи между каскадами. Благодаря этому каскаду на выходе ОУ уста­навливается нулевое напряжение при отсутствии сигналов на его входах.

Выходной (оконечный) каскад служит для получения малого выходного сопротивления ОУ в целях лучшего согласования ОУ с нагрузкой. Он выполняется по одно-тактной, а чаще всего — по двухтактной схеме. В некото­рых ОУ в выходных каскадах предусмотрена схема за­щиты от перегрузок, с помощью которой ограничивается максимальный ток транзисторов выходного каскада.

Питание ОУ осуществляется от разнополярных источ­ников, благодаря чему облегчается задача компенсации смещения нуля на выходе ОУ при отсутствии входных сигналов и исключается постоянная составляющая тока и напряжения в нагрузке. Для большинства современных ОУ напряжения питания можно изменять в широких пре­делах: от ±3 до ±15 В (важно лишь, чтобы по абсо­лютному значению напряжения «положительного» и «от­рицательного» источников оставались одинаковыми).

Для обеспечения устойчивости в операционных усили­телях широко используются частотно-зависимые обратные связи (цепи коррекции).

Хорошие шумовые свойства ОУ обеспечиваются спе­циальными технологическими операциями при производ­стве транзисторов с минимальной площадью контакта р — n -переходов с поверхностью, уменьшением абсолют­ных размеров транзисторов, высококачественной изоля­цией и использованием во входных каскадах полевых транзисторов.

Большинство интегральных ОУ изготовляют по полу­проводниковой технологии (серии K140, К153, К553, К740, К744 и др.) и лишь некоторые — по гибридной (серии 284, 287).

Параметры и характеристики ОУ. Наиболее употре­бительные параметры интегральных ОУ:

коэффициент усиления напряжения К_{у и},или коэффи­циент усиления диф- ференциального сигнала;

коэффициент усиления синфазных входных напряже­ний К_у.сф;

коэффициент ослабления синфазных входных сигна­лов К_ос.сф;

напряжение смещения U _CM— значение напряжения на входе ОУ, при котором выходное напряжение равно нулю;

входные токи I _вх1, I _вх2 и разность входных токов Δ I _вх = | I _вх1– I _вх2|, определяемые в заданном режиме (обычно при u _вых = 0).

Параметры U _CM, I _вхи Δ I _вх изменяются с изменением температуры. Поэтому эти параметры дополнительно характеризуются температурным дрейфом, который численно равен отношению отклонения соответствующего параметра от его значения при комнатной температуре к изменению температуры окружающей среды.

Кроме указанных параметров, свойства интегральных ОУ характеризуются выходным I _вых и потребляемым I _пот токами, входным R _вх и выходным R _вых сопротивлениями, максимальными и минимальными входными и выходными напряжениями и др.

Перечисленные параметры составляют группу так на­зываемых статических параметров ОУ. Быстродействие ОУ характеризуется динамическими параметрами, основ­ными из которых являются следующие:

верхняя граничная частота полосы пропускания f _в, на которой коэффициент усиления ОУ уменьшается в √2 раз по сравнению с его значением при f = 0;

частота единичного усиления f ₁, на которой коэффи­циент усиления ОУ равен 1;

скорость нарастания выходного напряжения υ и _вых > определяемая при подаче на вход ОУ напряжения прямо­угольной формы с амплитудой, равной максимальному входному напряжению. Этот параметр выражают в воль­тах на микросекунду (В/мкс).

Реакцию ОУ на воздействие ступенчатого входного

Рис. 7.14. Характеристики ОУ:

а — амплитудная; 6 — АЧХ

напряжения оценивают временем установления t_y выход­ного напряжения (см. § 5.8).

Основными характеристиками ОУ являются ампли­тудная и амплитудно-частотная (рис. 7.14).