Структурные схемы и обозначение операционных усилителей
Принципиальные схемы современного интегрального ОУ весьма сложны, но независимо от сложности все они могут быть разделены структурно на три основных блока: входной (Вх), промежуточный (Пром), и выходной (Вых). Каждый блок состоит из каскадов схемотехнических решений, выполняющих определенную задачу в общей схеме операционного усилителя. Основную задачу ОУ — усиление — выполняют каскады входного и промежуточного блока, которые можно считать одним общим каскадом — каскадом предварительного усиления.
По числу усилительных каскадов во входном и промежуточном блоках общей структуры ОУ, создающих основное усиление, различают трехкаскадные и двухкаскадные ОУ (рис. 13.37).
Во входном блоке находится первый (входной) каскад усилителя (1), выполненный по схеме дифференциального усилителя с симметричным входом и выходом с высокими входным сопротивлением и коэффициентом усиления, малым дрейфом нуля, высокой помехозащищенностью. Все входные параметры ОУ определяются свойствами его входного каскада.
В промежуточном блоке находится второй каскад усиления (2), выполненный по схеме дифференциального усилителя с симметричным входом и несимметричным выходом и является усилителем напряжения. Второй каскад обеспечивает переход от симметричного входного каскада дифференциального усилителя (ДУ) к несимметричному каскаду на выходе. Третий каскад (3), являющийся также промежуточным, обеспечивает необходимую амплитуду сигнала и совмещается с цепями сдвига уровня постоянного напряжения до нуля. Третий каскад является предоконечным каскадом и во многих схемах применяется как фазоинверсный каскад для получения парафазного напряжения для выходного каскада.
Рис. 13.37. Структурные схемы ОУ: а — трехкаскадного; б — двухкаскадного
Таким образом, в первых трех каскадах ОУ происходит основное усиление сигнала и исключение его искажения.
Выходной (оконечный) каскад служит для согласования больших выходных сопротивлений предоконечных каскадов усиления с малым сопротивлением нагрузки. Поэтому оконечный каскад должен обладать сравнительно большим входным сопротивлением, чтобы не нагружать предоконечный каскад, и малым выходным сопротивлением. Эти каскады построены на двухтактных или однотактных схемах эмиттерных и истоковых повторителей, работающих в режимах классов А или А В. Однотактные эмиттерные и истоковые повторители имеют низкий КПД, поэтому в оконечных каскадах преимущественно применяют двухтактные эмиттерные и истоковые повторители, выполненные на комплементарной паре. Такие схемы уменьшают потери в транзисторах и повышают КПД оконечного каскада, что также обеспечивает заданные уровни напряжения, тока и мощности при минимальных нелинейных искажениях и передачу в нагрузку выходного напряжения. Поскольку схемы эмиттерных повторителей имеют одновременно небольшое усиление по напряжению и току, то их можно считать усилителями мощности (УМ), особенно при использовании двухтактных схем. Итак, в ОУ как усилительные каскады работают в основном только входной и промежуточный каскады (рис. 13.37).
В связи с дальнейшим усовершенствованием элементной базы ИМС и с появлением новых схемных решений удалось резко увеличить коэффициент усиления первого (входного) каскада и ограничиться одним каскадом в промежуточном блоке усиления, т.е. построить двухкаскадный ОУ.
Уменьшение числа усилительных каскадов повышает быстродействие ОУ. Улучшение характеристик усилителей достигнуто за счет применения составных транзисторов, высокоомных резисторов на основе ПИНЧ-резисторов с применением полупроводниковых структур, замены резисторных нагрузок на динамические, применения ГСТ. В ряде случаев для повышения входного сопротивления усилителей применяют полевые транзисторы.
Входной каскад ОУ может содержать от одной до трех схем дифференциальных усилителей с симметричными входом и выходом в зависимости от схемотехнических решений его построения и требуемого коэффициента усиления. Чаще всего дополнительный дифференциальный усилитель во входном каскаде применяется для перехода от симметричного входа к несимметричному выходу. Сигнал снимается с одного из плеч дополнительного ДУ. В этом случае гораздо лучше реализуются достоинства всех предыдущих входных дифференциальных каскадов. Это основано на том, что ДУ с несимметричным выходом, является симметричной нагрузкой для входного ДУ, который не вносит сдвига уровня напряжения выходного сигнала входного каскада ДУ. При этом в промежуточные каскады необходимо включать схемы сдвига уровня.
В промежуточных каскадах используются как дифференциальные, так и однотактные каскады усиления. В промежуточном усилительном каскаде, который служит усилителем напряжения, также может обеспечиваться: переход от симметричного входного каскада к несимметричному выходному каскаду, необходимое усиление и уменьшение напряжения сдвига на выходе дифференциального усилителя до близкого к нулю значения, согласование параметров входного и выходного блоков и формирование выходного сигнала.
Дифференциальный каскад с несимметричным выходом в промежуточном усилителе позволяет лучше реализовать все достоинства входного дифференциального каскада. В этом случае промежуточный ДУ является симметричной нагрузкой для входного ДУ, несимметричный выход берется с одного из плеч промежуточного ДУ на однотактный выходной каскад. Такое применение дифференциального усилителя позволяет повысить коэффициент усиления до Кц = 30—40 и более. В качестве однотактных каскадов в промежуточных усилителях применяются схемы сдвига уровня, фазоинверсные каскады и эмиттерные повторители.
В выходном каскаде ОУ применяются схемы защиты от перегрузок для получения на выходе заданной амплитуды напряжения и тока. Нагрузка включается несимметрично, независимо от схемы каскада — двухтактная или однотактная.
Условное графическое обозначение ОУ на электрических схемах представляется в виде равностороннего треугольника (рис. 13.38, а). На одной стороне треугольника показываются входы, а на противолежащем углу — выход. Так как во входном блоке ОУ находится дифференциальный каскад, то имеется два входа, а выходное напряжение ОУ снимается с выходного вывода относительно общего провода «корпус», т.е. имеет один несимметричный выход.
В обозначении ОУ также показываются выводы для подключения источника напряжения питания ОУ и другие выводы для подключения внешних цепей. Однако необходимо отметить, что в практике построения, следовательно и условного графического обозначения ОУ, есть схемные решения и с двумя несимметричными и симметричными выходами ОУ на основе ИМС.
Поскольку при переходе от дифференциальной двухтактной схемы с симметричным и несимметричным входами к несимметричному выходу осуществляется только от одного плеча, то при включении источника входного сигнала с несимметричным входом (один вход ДУ и общая шина «корпус») на выходе сигнал может менять полярность — инвертироваться, или не менять полярность — не инвертироваться. Вход ОУ, по которому выходной сигнал инвертируется, называется инвертирующим и обозначается в условном графическом обозначении знаком инверсии «о» («кружок») или «—» («минус»), а вход, напряжение на котором совпадает по фазе с выходным напряжением, называется неинвертируюшим и обозначается «+» («плюс»). Второй вывод, общий для обоих входов и выхода, обозначается на схемах в виде «_1_» (рис. 13.38).
Электропитание ОУ, как правило, осуществляется от источника двухполярного питания с выводами +U, — U и «±» (общий). Электропитание может быть симметричным (например, ±6 В), несимметричным (например, +12 В; —6 В), или однополярным (например, + 12 В и «_1_»).
В операционном усилителе есть и другие внешние выводы для подключения отдельных корректирующих и вспомогательных элементов
Рис. 13.38. Условное обозначение ОУ: а — в виде треугольника; б — в виде прямоугольника с дополнительными полями; в — в виде прямоугольника без
дополнительных полей внешних цепей (например, FC — частотная коррекция; NC — выводы балансировки; OV — общий информационный вывод; «х» — вывод не несущий логическую информацию, и т.д.), которые обычно не показываются на условно-графическом обозначении (особенно на обозначении в виде треугольника (рис. 13.38, а).
Наряду с рассмотренным условно-графическим обозначением (рис. 13.38, а) применяется также условно-графическое обозначение (рис. 13.38, б), в котором повышается информативность и понимание назначения выводов за счет возможности введения обозначений всех внешних выводов ОУ. В этом обозначении ОУ прямоугольник обозначает интегральное исполнение схемы, а со знаком «о» — усилитель. Для повышения информационности основное поле прямоугольника разделено на дополнительные поля с обеих сторон (с левой стороны — входные, а с правой стороны — выходные, корректирующие и вспомогательные), в которых указываются метки и наименование вводов. Дополнительные поля разделены на подполя, разделяющие вводы и выводы ОУ по назначению (рис. 13.38, б). Применяется и упрощенное условно-графическое обозначение в виде прямоугольника без дополнительных полей (рис. 13.38, в).
