В) ~ e)

Рис. 5-7. Некоторые функции операционного усилителя.

ратной связи позволяет усиливать сигналы без инвертирования. Выходное напряжение в этой схеме равно Usbix=UiRo6i,/Rs. Схема рис. 5-7,6 является суммирующим усилителем, выходной сигнал которого равен сумме отдельных входных сигналов

f/вых = - Rcfip У\

X(f+%+)

Путем включения реактивных элементов в цепь обратной связи операционный усилитель можно приспособить для выполнения операций интегрирования и дифференцирования. Соответствующие схемы показаны на рис. 5-7,в и г, а выходные сигналы соответственно равны:

= -RrC,

dt •

Кроме упомянутых основных функций, операционный усилитель может применяться совместно с аналоговым умножителем для выполнения математических операций деления и извлечения квадратного корня (см. § 7-4).

Так как операционный усилитель является универсальным блоком, применяемым для проектирования

схем и систем, имеется ряд широко распространенных параметров, которые позволяют сравнивать качество различных схем операционных усилителей. Ниже поясняются некоторые из этих параметров.

Напряжение смеи{ения - величина входного напряжения, которое должно быть приложено к входным зажимам, чтобы выходное напряжение стало равным нулю.

Разность входных токов - разность между токами на двух входах схемы при выходном напряжении, равном нулю.

Диапазон допустимых синфазных напряжений - м а ксим а л ьный диапазон входных напряжений, которые одновременно можно приложить на оба входа, не переводя усилитель в режим отсечки или насыщения.

Коэффициент подавления синфазного сигнала - отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту усиления синфазного сигнала при разомкнутой цепи обратной связи.

Коэффициент ослабления влияния напряжения источника питания- приведенное ко входу изменение выходного напряжения при изменении напряжения источника питания на 1 В.

Скорость нарастания выходного напряжения. Максимальная скорость изменения выходного напря-

жения при подаче на вход перепада напряжения. Как правило, скорость нарастания измеряется при усилении, равном единице, в точке пересечения кривой выходного напряжения нулевого уровня,

Ширина полосы, в которой обеспечивается полная мощность усилителя,-- максимальная частота, на которой еще может быть получена максимальная амплитуда выходного напряжения.

Частота среза - полоса, измеренная на уровне спада усиления на 3 дБ, при замкнутой цепи обратной связи и коэффициенте передачи цепи обратной связи, равном единице.

Время восстановления - время, необходимое для возвращения выходного каскада в активную область из области глубокого насыщения.

При проектировании монолитного операционного усилителя общего применения оказывается невозможно оптимизировать все его характеристики. Например, требование иметь высокое входное сопротивление невозможно удовлетворить одновременно с требованием обеспечить малую величину напряжения смещения, или требования высокой скорости нарастания выходного напряжения и широкополосности затрудняют применение схем частотной коррекции. Поэтому в процессе разработки монолитного операционного усилителя часто приходится принимать компромиссные решения. В последующих параграфах рассматриваются вопросы проектирования отдельных каскадов операционного усилителя.

5-3. СХЕМЫ ВХОДНЫХ КАСКАДОВ

Входной каскад является наиболее критичной частью монолитного операционного усилителя, так как от его схемы зависят некоторые основные параметры всего усилителя. В течение нескольких лет было разработано несколько вариантов схем входного каскада, в которых эффективно используются положитель-

ные качества, присущие монолитным элементам, для оптимизации характеристик схемы. В настоящем параграфе рассматриваются некоторые из вариантов схем входного каскада, начиная с простейшего и кончая более сложными схемами.

Входной каскад операционного усилителя должен удовлетворять основным требованиям, которые перечислены ниже. Верхняя или нижняя граница параметра указана в круглых скобках.

1. Высокое входное сопротивление (>100 кОм).

2. Малая величина входного тока (<500 нА).

3. Небольшая величина разности входных токов и напряжения смещения.

4. Большая величина коэффициента подавления синфазного сигнала О60 дБ).

5. Большой диапазон допустимых синфазны .игналов (EJ2)

6. Большой диапазон допустимых дифференциальных сигнало! (>£к/2).

7. Большая величина коэффициента усиления (>40 дБ).

Первые четыре требования вытекают из основных требований, предъявляемых к операционном; усилителю, которые были рассмотрены в предыдущем параграфе. Пятое и шестое требования позволяют обеспечить работу схемы прн больших уровнях входного сигнала. Последнее требование, большой коэффициент усиления, предъявляется к входному каскаду по двум причинам. Во-первых, при этом снижаются требования к усилению последующих каскадов и, во-вторых, при этом уменьшается влияние разбаланса второго каскада на эффективную величину напряжения смещения и разности токов. Кроме того, требование малой величины разности входных токов и напряжения смещения необходимо, чтобы входные устройства были хорошо согласованы по форме и размерам и рас-

полагались бы в непосредственной близости на монолитной пластинке для обеспечения одинаковых тепловых условий.

На рис. 5-8 приведена упрощенная схема типового входного каскада монолитного операционного усилителя. Эта схема может иметь высокое входное сопротивление и малый входной ток благодаря работе входных транзисторов Tj и Гг при очень малых уровнях тока (обычно от 10 до 20 мкА). Транзисторы Гз, Тъ и резистор образуют стабильный источник постоянного тока малой величины (см. рис. 4-6), который служит источником смещения каскада. Согласованные резисторы Ri и Rz являются коллекторной нагрузкой, которая определяет коэффициент усиления каскада

2(7т

(5-17)

Так как коллекторные токи транзисторов Ti и Tz очень малы, падение напряжения на резисторах Ri и Rz также невелико. Чтобы исключить необходимость применения резисторов чрезмерно больших номиналов и при этом сохранить уровень постоянного выходного напряжения достаточно низким по сравнению с £"к, можно использовать эмиттерный повторитель (Г4 на рис. 5-8), который является внутренним источником напряжения. Основным недостатком такого входного каскада является малый динамический диапазон напряжения в положительном направлении, подаваемого на симметричный вход. Максимальная величина положительного напряжения на симметричном входе такой схемы

(5-18)

Описанная выше схема входного каскада является типовой и широко применялась в монолитных операционных усилителях первого поколения. Входной каскад такого типа используется в операционном усилителе 709. Усиление по напряже-

t-O+fK

Рис. 5-8. Упрощенная схема типового входного каскада монолитного операционного усилителя.

нию ЭТОГО входного каскада не очень велико, приблизительно 30 - 40 дБ. Поэтому, чтобы получить необходимый коэффициент усиления операционного усилителя порядка 80 дБ и более, необходимо использовать по меньшей мере два усилительных каскада. Но введение большого числа отдельных усилительных каскадов приводит к появлению слишком большой фазовой задержки в схеме и делает затруднительной частотную коррекцию операционного усилителя.

Другим способом проектирования, который используется в операционных усилителях второго поколения, является применение активной нагрузки с целью увеличения коэффициента усиления по напряжению первого каскада до 60 дБ и более. На рис. 5-9 приведена практическая схема входного каскада, в которой нет ни одного резистора. Транзистор Ди включенный как диод, задает уровень смещения на транзистор Гз р-п-р типа и вызывает появление разностного тока в коллекторных цепях транзисторов Ti и Tz, который определяет величину выходного напряжения (/вых на одиночном выходе. Коэффициент усиления каскада определяется выходным сопротивлением транзисто-