Структура микросхемы операционного усилителя

Микросхема ОУ 140УД1 (см. рис. 2.10) состоит из четырех усилительных каскадов.

I — входной каскад. Представляет собой высокочувствительный дифференциальный усилитель на транзисторах VT1 и VT2 с одина­ковыми коллекторными резисторами. В общей эмиттерной цепи этих транзисторовнаходится генератор стабилизации тока I01(то­­ка коллектора транзистора VT3), выполненный на транзисторах VT3 и VT4. Благодаря такой схеме ОУ имеет большое входное сопро­тивление, малый уровень дрейфа нуля, большой линейный уча­сток АЧХ и широкую полосу пропускания. Различные варианты дифференциальных каскадов работают в широкой полосе частот (от 0 до 106Гц), с большим коэффициентом усиления (несколько десятков или сотен) и входным сопротивлением не менее 50 кОм.

Дифференциальный каскад предназначен для усиления диффе­ренциального сигнала, т.е. разности напряжений, приложенных к входам. При полной идентичности параметров составляющих элемен­тов ветвей каскада усилителя напряжение между коллекторами транзисторов VT1 и VT2 в отсутствие сигналов на входах равно нулю. При идентичных ветвях усилителя коллекторные напряжения равны и при синфазном сигнале не изменяются.

II — усилитель напряжения. Выполнен по схеме дифференциального усилителя на транзисторах VT5 и VТ6. Его эмиттерный ток не стабилизирован и он имеет одиночный выход с коллектора транзистора VT6. Этот промежуточный каскад обеспечивает основное усиление по напряжению и осуществляет необходимый сдвиг уровня постоянного напряжения для получения его нулевого значения на выходе ОУ при отсутствии входного сигнала. В качестве дополнительных промежуточных каскадов усилителя напряжений обычно используются дифференциальные каскады на биполярных транзисторах или простейшие усилители, за которыми следуют каскады сдвига уровня на повторителях напряжения.

В некоторых ИМС ОУ для обеспечения симметрии плеч дифференциального усилителя напряжения к коллектору его второго плеча присоединяется нагрузка, эквивалентная по значению нагрузке первого плеча.

III — цепь сдвига уровня постоянного напряжения. Она необходима ввиду отсутствия в схеме разделительных конденсаторов для выделения постоянных составляющих напряжений. В схеме рис. 2.10 относительно высокий уровень потенциала на коллекторе транзистора VT6 уменьшается на сумму напряжений базы и падения напряжения на резисторе R6. Стабильность тока транзистора VT7 обеспечивается генератором стабильного тока, собранным на транзисторах VT8 и VT9 (в диодном включении).

IV — выходной каскад. Усилитель напряжения на транзисторе VT9 выполнен по схеме эмиттерного повторителя для усиления мощности. Он также осуществляет увеличение постоянного уровня напряжения на значение, равное напряжению между коллектором и базой. Результирующий сдвиг уровня напряжения на выходе ОУ (вывод 5) равен постоянному напряжению на коллекторе VT6.

Выходной каскад имеет малое выходное сопротивление, широкую полосу пропускания, большое входное сопротивление. В качестве выходного каскада часто применяют повторители напряжения (эмиттерный или истоковый).

Основные параметры серийных ИМС ОУ:

1. Коэффициент усиления Ку — отношение изменения выходно­го напряжения DUвыхк вызвавшему его изменению дифференциального входного напряжения DUвх. ИМС ОУ имеют коэффициенты усиления от тысяч до нескольких миллионов.

2. Входное сопротивление ОУ. Входное дифференциальное сопротивление биполярных ОУ находится в пределах от 10 кОм до10 МОм, а синфазное сопротивление составляет более 100 МОм.

3. Коэффициент ослабления синфазного сигнала Кос.сф — отноше­ние коэффициента усиления дифференциального сигнала Кдифк коэффициенту усиления синфазного сигнала Ксф. Обычно Кос.сф = = 60…80 дБ.

4. Выходное сопротивление Rвых— сопротивление, определя­емое выходным каскадом и обычно составляющее 100…500 Ом.

5. Частота единичного усиления f1 — частота, на которой ИМС имеет коэффициент усиления К =1. Обычно f1= 1…10 МГц.

6. Частота среза fcp — частота, на которой коэффициент усиления ОУ составляет 0,7 коэффициента усиления К постоянного напряжения. Обычно f1= 1…10 МГц.

Предельный выходной ток ОУ определяет минимальное сопротивление нагрузки при номинальном выходном напряжении. Чтобы избежать выхода ОУ из строя при превышении предельного тока, современные ОУ оснащают узлами защиты. Обычно предельный выходной ток не превышает 25 мА.

Выходное сопротивление ОУ в зависимости от его схемы и назначения находится в пределах от 20 до 2000Ом. При наличии узла защиты этозначение не оговаривают.

Серийные ИМС ОУ

Отечественной промышленностью выпускается интегральные микросхемы операционных усилителей серий К140, К153, К284, К544, К553, К710, К740. Интегральные микросхемы ОУ позволяют осуществлять до сотни различных схем включения и использовать одну и ту же микросхему для создания усилителей высокой, промежуточный и низкой частот, а также преобразователей, генераторов, детекторов, компараторов, активных фильтров и других устройств.

Микросхемы К140УД1 выпускают двух модификаций: К140УД1А и К140УД1Б.

Усовершенствованные ИМС операционного усилителя К153УД6, выполняемые на основе р-п-р- и п-р-п-тран­зисторов, изготовляемых по технологии вакуумной молекуляр­но-лучевой эпитаксии, имеют более высокое качество и повышенный коэффициент усиления по току. В этих ИМС создаются высокоомные высокостабильные резисторы, а дифференциальный усилитель на входе собран по каскодной схеме, которая обеспе­чивает большое входное сопротивление и высокий коэффициент усиления.

Микросхемы серий К544, К553, К710, К740 выполнены по технологии полевых МОП-транзисторов.