Главная  Интегральный монолит 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [ 34 ] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84]

пользование полевых транзисторов с управляющим р-п переходом. На рис. 5-13 показана практическая схема, в которой во входных каскадах использованы полевые транзисторы Ti и Т2 с р-каналом. Как указывалось в гл. 2, полевые транзисторы с управляющим переходом и каналом р-типа можно изготовлять одновременно с биполярными п-р-п транзисторами или с боковыми р-п-р транзисторами. Для этого добавляется один дополнительный этап диффузии. В результате можно изготовить биполярную структуру с полевыми транзисторами, которая была приведена на рис. 2-26. Заметим, что биполярная часть схемы на рис. 5-13 аналогична той, которая приведена на рис. 5-10, где транзисторы Г4 и Га используются в качестве активных нагрузок для транзисторов Ti и Tz.

Такой входной каскад с полевыми транзисторами может иметь очень высокое входное сопротивление (более 10 Ом) и входной ток порядка нескольких пикоампер. Основной недостаток входного каскада с полевыми транзисторами заключается в более плохих характеристиках согласования полевых транзисторов с управляющим р-п переходом по сравнению с обычными биполярными транзисторами. Это приводит к сравнительно большой величине напряжения смещения (от 10 до 20 мВ) и его температурного дрейфа (более 40 мкВГС).

Рассмотренные в настоящем параграфе различные виды схем составляют лишь небольшую часть из числа применяемых на практике входных каскадов, которые могут в настоящее время использоваться в монолитных операционных усилителях. Большое количество других схем и множество вариантов схем, которые были здесь рассмотрены, можно найти в литературе. Окончательный выбор схемы входного каскада в сильной степени зависит от конкретных условий работы операционного усилителя.

5-4. СХЕМЫ БЫХОДНЫЛ КА<.КАмив

Выходной каскад операционного усилителя должен отдавать достаточно большую мощность в низко-омную нагрузку. Отсюда вытекают основные требования к выходному каскаду:

1. Большой выходной ток.

2. Большое выходное напряжение.

3. Низкое выходное сопротивление.

4. Малая рассеиваемая мощность Б режиме покоя.

Кроме этих основных четырех свойств, выходной каскад должен иметь в своем составе средства защиты от короткого замыкания с тем, чтобы схема не выходила из строя при коротком замыкании выхода на любой из зажимов источника питания к.

В первых схемах операционных усилителей в качестве выходного каскада применялся простой эмиттерный повторитель на транзисторе п-р-п типа. Если каскад эмиттерного повторителя может удовлетворить требования низкого выходного сопротивления и большой амплитуды выходного напряжения, то он не может обеспечить большого тока на выходе и имеет слишком большую рассеиваемую мощность. Все четыре перечисленных требования к выходному каскаду операционного усилителя можно удовлетворить, применяя в выходных каскадах схемы, работающие в режиме класса Б и класса АБ. Одной из возможных схем такого типа является выходной каскад, работающий в режиме класса Б, построенный целиком на транзисторах п-р-п типа, показанный на рис. 5-l4,g. Первоначально эта схема была разработана для цифровых интегральных схем, но ее легко приспособить и для аналоговых интегральных схем. Работу схемы кратко можно представить в следующем виде. При положительной полуволне входного напряжения транзистор Tz находится в активной области и ток нагрузки




ВыхаД Л- Л

-о Гк

Рис. 5-14. Выходной каскад на п-р-п транзисторах, работающий в режиме класса Б.

а - основная схема; б - практическая схема.

протекает к отрицательному зажиму источника питания через диод Ml и транзистор Tz. Падение напряжения на диоде обеспечивает такие условия, что транзистор Ti оказывается закрытым в течение положительной полуволны входного напряжения. При отрицательной полуволне входного сигнала транзистор Tz закрывается и ток в нагрузку поступает от транзистора Ti. В режиме покоя, когда сигнал не подается на вход схемы, транзистор Ti остается закрытым, а транзистор Тг находится в режиме, близком к отсечке, и через него протекает небольшой ток покоя /i, величина которого определяется сопротивлением резистора Ri:

£к4-бэ

(5-20)

При переходе схемы из одного состояния в другое, т. е. когда один транзистор закрывается, а другой открывается, выходное напряжение в схеме рис. 5-14,а изменяется на величину 2{/бэ. Эта «мертвая зона» в выходном напряжении является характерной для всех выходных каскадов, работающих в режиме класса Б, и приводит к появлению так называемых перекрестных искажений в форме выходных колебаний. В основной схеме рис. 5-14,а, на транзисторах п-р-п типа мертвая зона может быть уменьшена до f/бэ путем присоединения дополни-

тельного диода между базой транзистора Tl и коллектором транзистора Гг, как показано на рис. 5-14,6. На схеме рис. 5-14,6, кроме того, иллюстрируется практический .метод подачи смещения на двухтактный каскад, работающий в классе Б, который обеспечивает максимальную амплитуду выходного напряжения. Транзистор Гз в диодном включении определяет уровень смещения на базе транзистора Тг (см. рис. 4-2). Если пренебречь базовым током, имеющим хотя и малую, но конечную величину, то можно показать, что токи li и /г связаны следующим соотношением:

Ii=nh, (5-21)

где п - отношение эффективной площади эмиттера транзистора Гг к площади эМИттера транзистора Гз. Если предположить, что напряжения источников питания симметричны, т. е. Еи=Еэ, постоянная составляющая выходного тока будет равна:

(5-22)

В режиме покоя ток h поступает от транзистора Ti, а ток коллектора транзистора Гг определяется сопротивлением резистора Ri.

1 Ey, - U(,b

(5-23)

Постоянное выходное напряжение в режиме покоя можно установить посредине .между напряжениями двух источников питания в широко1М диапазоне симметричных напряжений источников питания и величин сопротивлений резисторов. Коэффициент п обычно выбирается больше единицы, так как транзистор Гг должен отдавать в нагрузку ток достаточно большой величины. С учетом ограничений, накладываемых требованием согласования номиналов интегральных элементов и их согласованного изменения, величина коэффициента п, как



правило, выбирается в пределах от 1 до 10.

На рис. 5-15 приведена еще одна схема выходного каскада, работающая в режиме класса Б, которая обладает лучщими характеристиками и часто применяется в операционных усилителях. Транзистор, включенный по схеме с заземленным коллектором, является транзистором р-п-р типа, в котором в качестве коллекторной области используется подложка (см. рис. 2-17). Такой транзистор имеет сравнительно небольшой коэффициент усиления р, но может ра-ботать при больших токах. Диоды Д1 и Дг выполнены в виде транзисторов в диодном включении. Падение напряжения .(/бэ этих диодов согласуется с падением напряжения на участке база-эмиттер соответственно транзисторов Ti и Tz. Поэтому в режиме покоя ток Iz протекает через оба транзистора Ti и Tz, и прн этом выполняется соотношение

-O+fK

h~mli.

(5-24)

где т - отношение площадей эмиттеров транзисторов Ti к Д1 или Tz к Д2. Поэтому, если говорить точно, то схема, нриведенная на рис. 5-15, работает как усилитель класса АБ, так как оба транзистора в режиме покоя могут быть открыты.. При положительной полуволне входного сигнала ток нагрузки протекает к источнику питания Eg через транзистор Tz. Аналогично при отрицательной полуволне входного сигнала транзистор Tz закрыт, а ток нагрузки протекает от источника £"к через транзистор Ti.

Одним из возможных видов отказов в монолитных операционных усилителях является перегорание выходного каскада при случайном коротком замыкании выходного зажима на один из источников питания. Такое явление, в частности, может иметь место в каскаде класса Б на разнотипных транзисторах рис. 5-15, в котором транзисторы Ti или Tz .могут выйти из строя.


o-f.

Рис. 5-15. Схема выходного каскада класса Б, в которой используется транзистор р-п-р типа.

если ток через них при коротком замыкании на выходе не будет ограничен до безопасной величины. Эта проблема в какой-то степени может быть разрешена путем последовательного включения резисторов Rg между эмиттерами транзисторов Ti и Tz я выходным зажимом каскада. При этом максимальное значение тока через транзисторы Ti или Tz будет ограничено величиной

(5-25)

если Пренебречь сопротивлением насыщения транзистора. Однако при таком способе в большинстве случаев в схему необходимо вклю-чать резисторы, имеющие слишком большое сопротивление Rg, которые приводят к ограничению амплитуды выходного напряжения.

Другим способом защиты от короткого замыкания выходной цепи может служить схема, показанная на рис. 5-16. В этой схеме транзисторы Ti и Гб при нормальной работе закрыты и открываются лишь при коротком замыкании в выходной цепи. При возрастании выходного тока падение напряжения на резисторах Rsi и Rsz увеличивается, благодаря чему транзисторы Г4 и Г5 открываются и через них ответвляется часть базовых токов транзисторов Ti и Гг. При этом вы-



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [ 34 ] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84]

0.0008