7. Внутренняя структура операционных усилителей

7.1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

В предыдущей главе были сформулированы следующие основные требования к операционным усилителям:

1) пригодность схемы для усиления постоянных напряжений,

2) нулевые входное и выходное напряжения при отсутствии сигнала (напряжения покоя),

3) малый коэффициент смещения нуля,

4) высокое входное и низкое выходное сопротивления,

5) высокий коэффициент усиления по напряжению,

6) стандартная частотная характеристика.

Для того чтобы обеспечить высокий коэффициент усиления по напряжению, необходимо несколько каскадов усиления. Если в этих каскадах устанавливать n-p-n-транзисторы, то вследствие наличия межкаскадной гальванической связи потенциал рабочей точки транзисторов будет увеличиваться от каскада к каскаду. Чтобы выходной потенциал остался равным нулю, необходимо по крайней мере в одном из каскадов усиления осуществить отрицательный сдвиг уровня потенциала. Это можно выполнить различными способами (рис. 7.1).

а) С помощью делителей напряжения можно осуществлять сдвиг уровня, однако они ослабляют полезный сигнал.

б) Стабилитроны практически не ослабляют полезный сигнал, так как их динамическое сопротивление достаточно мало. Для того чтобы собственные шумы стабилитрона были малы, через него должен протекать достаточно большой ток, устанавливаемый путем использования эмиттерных повторителей.

в) Схема сдвига уровня с источником тока: постоянный ток, протекающий через резистор, создает на нем падение напряжения. Если в схеме 7.1, а вместо нижнего резистора установить стабилизированный источник тока, то такая схема не будет ослаблять полезный сигнал.

г) Применение комплементарных транзисторов является наиболее простым средством, позволяющим сопрягать любые потенциалы.

Оценим, как влияет входное напряжение смещения нуля в отдельных каскадах усиления на работу операционного усилителя в целом. Для этого рассмотрим в качестве примера двухкаскадный усилитель. Если обозначить величины напряжения смещения каждого каскада через то при 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. Это обусловливается его высоким коэффициентом усиления по постоянному напряжению. Для того чтобы уменьшить величину этого дрейфа нулевой точки, в первом каскаде усиления всегда применяют схему дифференциального усилителя. На выходе схемы, как правило, требуется получение напряжения, не симметричного относительно нулевого потенциала. Для этого могут использоваться схемы, имеющие дифференциальные входные каскады и несимметричные остальные каскады усиления. Коэффициент усиления до той точки схемы, где она становится несимметричной, должен быть достаточно большим для того, чтобы дрейф напряжения на выходе схемы, вызванный наличием несимметричных каскадов, был достаточно малым по сравнению с усиленным дрейфом входного каскада. Только тогда дрейф

Рис. 7.1. Методы сдвига уровня напряжения.

выходного напряжения несимметричного каскада будет мало влиять на суммарную величину дрейфа выходного напряжения.