5. Температурный дрейф напряжения смещения
6. Выходное сопротивление, составляющее 1 ...5 кОм.
7. Коэффициент усиления в пределах 102... 105.
8. Полоса пропускания — полоса частот, в которой выходное напряжение уменьшается не более чем до 0,7 от максимального значения.
9. Скорость нарастания выходного напряжения р = Δ Uвых /Δt .
10. Время установления выходного напряжения, определяемое между уровнями (0,1...0,9) Uвых и составляющее единицы мкс.
11. Максимальный выходной ток, составляющий 5 мА и более.
Для ОУ принципиальное значение имеют три параметра: р, RBX , ΔUCM/ΔT . Любой из параметров ОУ можно улучшить за счет ухудшения других. Различают ОУ:
прецизионные, предназначенные для применения в контрольно-измерительной аппаратуре;
быстродействующие — для схем, где требуются широкая полоса пропускания, высокая скорость нарастания выходного напряжения и малое время установления;
универсальные, или средней точности;
микромощные, где рабочий ток усилителя задается внешним резистором;
с высоким входным сопротивлением;
малошумящие;
многоканальные;
мощные.
Прецизионные, быстродействующие, микромощные, малошумящие, широкополосные ОУ относятся к классу специализированных, поскольку один или несколько их параметров имеют значения, близкие к предельным.
Универсальные операционные усилители
На рис. 9.8 приведена базовая схема двухкаскадного универсального ОУ, содержащая входной дифференциальный усилитель на транзисторах VT 1... VT 4 и второй каскад усиления с общим эмиттером — транзисторы VT 5 и VT 6. На выходе схемы включен двухтактный усилитель мощности — эмиттерный повторитель, работающий в режиме АВ. Второй каскад работает как интегратор на высоких частотах, поскольку на инвертирующем входе (базе VT 5) включен конденсатор коррекции С = 30 пФ. Работу входного дифференциального каскада можно проиллюстрировать диаграммой распределения токов, показанной на рис. 9.8, б. При равенстве входных напряжений токи эмиттеров транзисторов VT 1 и VT 2 равны по значению I1, поэтому одинаковы и токи эмиттеров VT 3 и VT 4. При этом полагают, что базовые токи транзисторов пренебрежимо малы. При идентичности технологических параметров токи транзисторов VT 4 и VT 3 всегда будут равны. Такое включение транзисторов называют «зеркалом токов». Нагрузка «зеркало тока» удваивает ΔI1вых на выходе первого каскада. Далее сигнал усиливается вторым каскадом на транзисторах VT 5 и VT 6 и поступает на усилитель мощности ОУ, построенный на транзисторах VT 7 и VT 8. Токи I1 и I2 каскадов ОУ стабилизируются различными по конфигурации схемами внутренней стабилизации. Коэффициент усиления по напряжению ОУ на низкой частоте K равен произведению коэффициентов усиления каскадов.
Полная принципиальная схема двухкаскадного ОУ отличается от схемы-модели большим числом вспомогательных элементов, обеспечивающих надежную работу микросхем при изменяющихся внешних условиях (температуре, напряжении питания). Операционный усилитель КР140УД7 имеет более сложный входной усилитель, что позволяет повысить входное сопротивление до 100 кОм. В состав ОУ входит стабилизатор, схема которого имеет внутренний конденсатор коррекции C = 30 пФ, поэтому АЧХ ОУ полностью скорректирована. Наклон логарифмической АЧХ, составляющий -20 дБ на декаду, и постоянный фазовый сдвиг на высоких частотах, равный 90°, допускают использование ОУ в режиме повторителя без дополнительной частотной коррекции (рис. 9.9,а). Для увеличения скорости нарастания выходного напряжения до 10 В/мкс к выводу 12 подключают емкость C1 = 150 пФ (рис. 9.9, б). Схема балансировки ОУ состоит из одного внешнего переменного резистора, подключенного к выводам 3 и 9.
Прецизионные операционные усилители
В измерительных устройствах необходимо усиливать без искажения слабые сигналы датчиков, сопровождаемые значительным уровнем синфазных, температурных и других помех. Прецизионные усилители, используемые для этих целей, должны обладать не только очень большими значениями коэффициентов усиления (более 105), но и малыми напряжением смещения нуля (не более 0,5 мВ) и его дрейфом, малыми уровнями шумов, большим входным сопротивлением. Для построения усилителя, называемого иногда инструментальным, и способного с большой точностью фиксировать перечисленные параметры, обычно используют два-три ОУ общего применения с несколькими высокоточными хорошо подобранными по температурным коэффициентам резисторами отрицательной обратной связи. Приемлемую схему инструментального усилителя можно получить, если на входе универсального ОУ использовать специальный прецизионный усилитель с небольшим коэффициентом усиления напряжения, но с высоким входным сопротивлением и малым дрейфом напряжения смещения.
В настоящее время по этому принципу разработано несколько ОУ. Операционный усилитель КМ551УД1 (рис. 9.10) имеет малое напряжение смещения нуля (менее 0,5 мВ), малые уровни дрейфа и шумов и K > 106. Но основным свойством этого ОУ является то, что он позволяет поддерживать с высокой точностью большое значение коэффициента усиления ОУ, замкнутого отрицательной обратной связью. Можно получить K = 1000 ± 0,3 %. Характеристики усилителя обеспечиваются входным каскадом, который построен по простой дифференциальной схеме с резисторными нагрузками (см. рис. 9.10, а). Для уменьшения дрейфов входные транзисторы VT 1 и VT 2 представляют как параллельные соединения двух транзисторов (см. рис. 9.10, б). Амплитудно-частотная характеристика ОУ корректируется двумя цепями частотной коррекции (см. рис. 9.10, в).