7.3. СТАНДАРТНАЯ СХЕМА ИНТЕГРАЛЬНОГО ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Операционные усилители универсального применения должны обеспечивать значительно больший дифференциальный коэффициент усиления, чем усилители с одним каскадом усиления напряжения. Одна из наиболее распространенных схем операционного усилителя типа 741 представлена на рис. 74

Входной каскад выполнен по схеме дифференциального усилителя на p-n-р-транзисторах и . Источник тока служит в качестве сопротивления нагрузки транзистора Ток этого стабилизированного источника, однако, не является неизменным, так как транзистор совместно с транзистором образует по отношению к коллекторному току транзистора так называемую схему токового зеркала. Для выходного тока входного каскада можно, таким образом, записать следующее соотношение:

Благодаря тому что выходным сигналом дифференциального каскада является разностный ток, синфазные изменения коллекторных токов входных транзисторов взаимно компенсируются, что значительно ослабляет синфазные входные сигналы.

Эмиттеры транзисторов подключены к внешним выводам интегральной микросхемы, которые служат для установки нулевой точки. При помощи внешних потенциометров, подключаемых к этим выводам, можно изменять соотношение между токами коллекторов транзисторов и

Второй каскад усиления образует составной транзистор Он включен по схеме с общим эмиттером и имеет в качестве нагрузочного сопротивления источник тока. Конденсатор предназначен для коррекции частотной характеристики. Расчет параметров цепей частотной коррекции будет подробно рассмотрен в следующем разделе.

Рис. 7.4. Принципиальная схема интегрального операционного усилителя

Выходной каскад образуют транзисторы Они включены по схеме комплементарного эмиттерного повторителя с малым током покоя (двухтактное включение в режиме Такое включение транзисторов подробно рассматривается в гл. 15.

Теперь оценим дифференциальное усиление такой схемы. Для обеспечения малых входных токов транзисторы входного каскада работают с коллекторным током Их крутизна при таком токе составляет приблизительно Крутизна всего дифференциального каскада, как было показано в разд. 4.7.1, составляет половину этой величины. Так как каждый из входных транзисторов состоит в действительности из двух идентичных транзисторов, эта величина еще уменьшится вдвое. Правда, благодаря наличию

схемы «токового зеркала» на транзисторах она снова удваивается. Таким образом, для входного каскада результирующее значение крутизны равно

Для определения суммарного коэффициента усиления по напряжению для входного каскада необходимо по аналогии со схемой на рис. 4.11 рассчитать величину эквивалентного сопротивления нагрузки. В соответствии со схемой замещения, изображенной на рис. 7.5, для приведенных значений токов покоя оно составит

Рис. 7.5. Низкочастотная схема замещения входного каскада для режима малого сигнала.

Отсюда получается, что коэффициент усиления входного каскада равен 400.

Крутизна каскада усиления на составном транзисторе при в соответствии с расчетом, проведенным в разд. 4.6, составит около При выходном нагрузочном сопротивлении расчет по схеме замещения в режиме малого сигнала, представленной на рис. 7.6, дает для этого каскада величину коэффициента усиления около 450.

Рис. 7.6. Низкочастотная схема замещения выходного каскада для режима малого сигнала.

Коэффициент усиления всего операционного усилителя, таким образом, составит

В действительности величина измеренного коэффициента усиления оказывается несколько ниже. Различие фактического и расчетного значений объясняется неучтенной паразитной отрицательной обратной связью между выходными и входными цепями [7.1].

Как можно видеть из рис. 7.6, выходной эмиттерный повторитель управляется высокоомным источником сигнала, внутреннее сопротивление которого равно выходному сопротивлению второго каскада усиления напряжения. В соответствии с рис. 7.6 оно составляет если коэффициент усиления по току выходных транзисторов достигает 100, выходное сопротивление операционного усилителя не превысит

Операционные усилители на полевых транзисторах

Принципиальная схема операционного усилителя с использованием полевых транзисторов типа представлена на рис. 7.7. Сдвиг уровней в этой схеме достигается путем использования комплементарных пар транзисторов в дифференциальном усилителе. Для достижения высокого коэффициента усиления вместо резисторов нагрузки во всех каскадах этой схемы используются источники тока.

Транзистор стабилизирует величину входного потенциала второго каскада дифференциального усилителя, обеспечивая его независимость от уровня синфазного входного сигнала. Если, например, ток незначительно увеличится, то потенциалы стоков транзисторов резко возрастут, так как стоковой нагрузкой каждого из транзисторов являются источники тока. Вследствие такого синфазного

Рис. 7.7. Принпипиальная схема интегрального операционного усилителя типа

изменения потенциалов стоков транзисторов повысится также потенциал эмиттеров транзисторов Это приведет к увеличению коллекторного тока транзистора что в свою очередь вызовет уменьшение тока транзистора Таким образом, в схеме осуществляется отрицательная обратная связь для синфазного входного сигнала. При нулевых входных сигналах коллекторный ток транзистора устанавливается таким, что Потенциал эмиттеров транзисторов и составляет при этом величину, равную

Выбор токов покоя транзисторов входного каскада в отличие от предыдущей схемы определяется не входным током при отсутствии сигнала, а температурным коэффициентом напряжения затвор-исток. При этом для тока покоя стока, определяющего положение рабочей точки, выбирают наиболее благоприятную с точки зрения этого критерия величину Для используемых транзисторов она составляет Из формулы (5.15) можно определить величину крутизны дифференциального каскада:

Эта величина имеет тот же порядок, что и для рассмотренной ранее схемы с биполярными транзисторами на входе. Коэффициент усиления всего операционного усилителя также равен ранее рассмотренному, а выходное сопротивление усилителя благодаря использованию вместо простого эмиттерного повторителя схемы Дарлингтона существенно ниже.