Трехкаскадные операционные усилители (ОУ) типа 153УД1

Классификация макромоделей аналоговых ИС.

Классификация макромоделей может быть проведена по различным признакам. Наиболее часто макромодели подразделяют по области их применения (диапазон рабочих токов, напряжений, частот и т.д.) на статические и динамические, линейные и нелинейные.

Нелинейные статические макромодели используются в основном при расчетах режимов аналоговых схем, а так же для анализа переходных процессов в схемах, в которых можно пренебречь инертностью макромодели. Линейные статические макромодели используются в простейших случаях, чаще всего при ручных расчетах. Линейные динамические макромодели предназначены для анализа частотных характеристик в режиме малых сигналов и переходных процессов в рабочих режимах аналоговой схемы. Нелинейные динамические макромодели наиболее универсальны. Они имитируют работу схем с учетом инертности при любых значениях напряжений и токов на внешних выводах.

По сложности макромодели делятся на четыре уровня в зависимости от их сложности.

Первый уровень сложности образуют простейшие макромодели, отображающие только функционально-логическое назначение ИС. Такие модели удобны на этапе предварительного анализа вариантов структуры проектируемой схемы. Они не учитывают схемотехнические и технологические особенности ИС определенного назначения.

Макромодели второго уровня сложности отображают все выходные параметры, которые входят в ТУ на ИС, и применяются при проектировании устройств, работающих в режимах, указанных в ТУ.

С помощью макромоделей третьего уровня сложности выявляются дополнительные характеристики, которые не входят в ТУ, например выброса тока при переключении ключей, нелинейность входных и выходных характеристик усилителей. Для более точного моделирования характеристик ИС в качестве составных частей в таких макромоделях используют модели компонентов. Эти макромодели применяются в том случае, когда моделируемая ИС входит в анализируемую схему как основной элемент (например, макромодель операционного усилителя в схеме активного фильтра).

Макромодель четвертого уровня сложности представляет собой эквивалентную схему ИС на уровне компонентов. С её помощью можно получить практически все характеристики ИС, интересующие разработчика РЭА.

Трехкаскадные операционные усилители (ОУ) типа 153УД1

Схема ОУ 153УД1 оказалась одной из наиболее удачных реализаций трехкаскадной структуры. Достаточно высокие точностные параметры в сочетании с несложными технологическим процессом изготовления и, следовательно, небольшой стоимостью обусловили широкое применение этой ИС в разработках аппаратуры.

Рис.1 Трехкаскадный ОУ типа 153УД1.

Рассмотрим особенности конфигурации схемы и проведем анализ её динамических характеристик. Инерционные свойства ИС ОУ в рабочем диапазоне частот определяются в основном цепями частотной коррекции. Поэтому при анализе динамических характеристик элементы, составляющие схему, можно считать в первом приближении безынерционными. Динамические характеристики ИС ОУ 153УД1 определяются двумя цепями частотной коррекции:R_k1C_r1 и C_k2.При малых сигналах поведение ОУ может быть полностью описано передаточной функцией. При достаточно больших сигналах происходит насыщение тока входного и промежуточного каскадов. Заряд емкостей частотной коррекции постоянным током приводит к постоянной (а не экспоненциальной, как в линейных цепях) скорости нарастания выходного напряжения на выходных зажимах ОУ. При разработке макромодели важно знать, в каком из каскадов ОУ происходит насыщение. Для насыщающегося каскада следует использовать нелинейную модель, в то время как для других каскадов возможно использование линейных моделей.

Трех каскадный ОУ типа 153УД1 для упрощенного анализа динамических характеристик можно представить эквивалентной схемой (рис. 2). Первый каскад

Рис. 2 Упрощенная модель трехкаскадного ОУ для расчета скорости нарастания выходного напряжения.

В линейной области K₁=U₂/U₁=(I_1m/U₁₀)R_вых1, K₂=U₃/₂=K₂(1+pτ₂), K₃=U_вых/U₃=K₃/(1+pτ₃), S_m2=I_2M/U₂₀.

считается безынерционным с линейной зависимостью выходного напряжения U₂ от входного U₁ в пределах уровня напряжения ограничения U₁₀. Когда входное напряжение превышает этот уровень, каскад входит в режим насыщения, т.е. его выходной ток I_1м (и выходное напряжение) не зависит от входного сигнала.

Второй каскад в модели представлен последовательным соединением двух звеньев: инерционного, свойства которого определяются первой цепью частотной коррекции, и нелинейного, отображающего нелинейность первого каскада.

Третий каскад предполагается линейным, его инерционность определяется второй цепью частотной коррекции. Выражения для постоянных времени каскадов имеют следующий вид:

τ₂=K₁C_k1(R_k1+R_вых1) ,τ₃=K₃C_k2R_8,5 .

Здесь K_k1, K₃ – коэффициенты усиления первого и третьего каскадов; R_вых1 – выходное сопротивление первого каскада (вывод 1); R_8,5 – передаточное сопротивление от вывода 8 к выводу 5. Параметры имеют следующие типовые значения: K₁=10 (с учетом потерь сигнала из-за конечности входного сопротивления второго каскада), K₃==30, R_вых1=21,5 кОм, R_8,5=1.23 кОм, I_1м=40 мкА, K₂=110.

Анализ этой схемы (рис. 2) показывает, что если первый каскад не входит в режим насыщения (при R>500), то в режим насыщения входит второй каскад и наоборот. Таким образом, если, например, макромодель предназначена для моделирования ОУ при достаточно глубокой обратной связи (K≤500), в макромодели необходимо учесть только нелинейность первого каскада. В более точной макромодели необходим учет нелинейности обоих каскадов.

Макромодели ОУ 153УД1.

Малосигнальные макромодели.

Простейшая макромодель, воспроизводящая малосигнальные импульсные характеристики ОУ, представлена на рис. 3.

Рис. 3 Макромодель ОУ типа 153УД1 для расчета импульсных характеристик в режиме малого сигнала.

Входные и выходные сопротивления макромодели определяются из экспериментальных исследований ОУ с замкнутой петлей обратной связи. Крутизна характеристики источника J₂ определяется в предположении, что коэффициент передачи напряжения на выход от конденсатора C₁ равен единице. Тогда крутизна характеристики источника J₁ определяется из выражения

S₁(R₁R₂)S₂R₆/(R₁+R₂)=K.

Так как S₂R₆=1, а сопротивление резисторов R₁, R₂ определяются соотношением R₁<<R₂, имеем

S₁R₁=K.

Период колебания T на вершине импульса и коэффициент затухания связаны с параметрами элементов, составляющими макромодель, следующими соотношениями:

T=2π ;

ξ=R₁T/4πL.

Если принять R₁=1 Ом, то после расчетов получим: R₂=1 кОм, L=0.148 мГн, С=0.21 мкФ.

Рис. 4 Макромодель для анализа ОУ 153УД1 в режиме малого сигнала.

Наиболее полная макромодель ОУ 153УД1 иллюстрирует схема на рис. 4.

Элементы макромодели R_вх, C_вх есть дифференциальное комплексное сопротивление ОУ с учетом монтажной емкости выводов схемы. Две цепи частотной коррекции R_k1, C_k1 и C_k2 включены в структуру макромодели. Параметры элементов, составляющих цепи коррекции, равны параметрам соответствующих элементов макромодели. Элементы входной цепи R_вх и C_вх в макромодели с землёй не соединены. Это соединение осуществляется через внешние цепи, подключаемые к выводам ВХ₊ и ВХ_-. Источники токов J₁, J₂, J₃ и J₄ включены в схему для развязки каскадов, и вместе с тем крутизна этих источников определяет (совместно с сопротивлениями резисторов) коэффициент передачи напряжения макромодели. Для улучшения развязки каскадов сопротивления нагрузок источников тока R₁, R₄, R₆ и R₉ выбирают в пределах 0.1-1 Ом. Резистор R₂ моделирует передаточное сопротивление между контактами цепи частотной коррекции второго каскада ИС ОУ. Резистор R₅ представляет передаточное сопротивление между контактами частотной коррекции в выходном каскаде.

Высокочастотные полюса ИС без цепей частотной коррекции определят параметры элементов R₇, R₈, C₁ и C₂. Эти элементы влияют в основном на задержку сигнала. Элемент R_вых представляет выходное сопротивление ИС ОУ. Передаточная функция макромодели имеет четыре полюса и один нуль:

f_п1=1/2πR₂C_к2, f_п2=1/2πR₅C_к2, f_п3=1/2πR₇C₁, f_п4=1/2πR₈C₂, f_н1=1/2πR_к1C_к1.

Цепи коррекции ОУ рассчитываются таким образом, чтобы f_н1=f_п2.