Cтепаненко - Основы микроэлектроники (Основы Микроэлектроники (книга)), страница 83

раздел 10.9). Наличие входного ДК предопределяет номенклатуру параметров ОУ: она практически такая же, как у отдельного дифференциального усилителя. Эти параметры были подробно рассмотрены в разделе 9.6. К их числу относятся: коэффициент усиления Ко, коэффициент ослабления (подавления) синфазной составляющей К,, напряжение смещения 1),„и его температурная чувствительность ность входных токов М„. Кроме того, конечно, указываются напряжения питания Е,, потребляемые ток 1„и мощность Р,, максимальные входные и выходные напряжения, максимальный выходной ток и некоторые другие.

Входное и выходное сопротивления не всегда включают в число основных параметров, но о них можно судить по значениям входных и выходных токов. Быстродействие ОУ принято характеризовать скоростью нарастания выходного напряжения оо „; этот параметр измеряется при ступенчатом входном сигнале с максимально допустнмой амплитудой). Реже используют максимальную частоту или частоту единичного усиления 11, при которой коэффициент усиления падает до значения Кс = 1. Развитие интегральных ОУ происходило определенными этапами, каждый из которых характеризовался своеобразными схемотехническими решениями и специфической элементной базой.

Можно условно назвать три этапа и три поколения интегральных ОУ. Усредненные параметры этих трех поколений приведены в табл. 10.2. Все три первых поколения можно отнести к универсальным ОУ. Четвертое поколение относится к специализированным ОУ. Это значит, что параметры, приведенные для 4-го поколения в табл. 10.2, не сочетаются в одном и том же ОУ; они относятсн к разным ОУ и являются «рекордными», Например„один тип ОУ может иметь минимальное напряжение смещения, но низкое быстродействие, другой — мак- 1 Английский термин 3)еи Кисе (ЯК). Глава 10.

Ивтегральвам елеям симальное быстродействие, но большую потребляемую мощность и т. п. Таблица 10.2. Типичные параметры интегральных ОУ Из табл. 10.2 следует, что основными тенденциями в развитии универсальных ОУ были повышение коэффициента усиления и, главное, уменьшение входных токов. Последнее способствовало не только увеличению входного сопротивления, но и улучшению точностных показателей (см.

равд. 9.6). Типичными параметрами современных универсальных ОУ можно считать: Хс = 10~ — 10з; Х, = 80-100 дБ; У вЂ” 1-3 мВ, з — 2-3 мкВ/С, 1 = 5 50 нА) «ив» = 1 10 нА. Что касается 4-го (специализированного) поколения ОУ, то у него существенные достижения по отдельным параметрам достигаются разными средствами; некоторые из них описаны ниже. Как известно, в интегральном исполнении количество транзисторов мало критично и потому разработчик может позволить себе вводить в ОУ дополнительные злементы и каскады ради повышения качества усилителя.

Кроме того, близкое рас- 10.10 Ояерьяяьяяые усилители 465 Ряь. 10.20. Дяффзреядиальяый каскад с динамической нагрузкой Поскольку транзисторы Т2 и Т4 соединены «коллектор к коллектору». можно сказать, что нагрузкой транзистора Т2 является сопротивление г»р а нагрузкой транзистора Т4 — сопротивление г„ . Оба эти сопротивления очень велики, особенно в мякрорежнме [см. (0.44)). положение элементов на одной подложке способствует большей симметрии плеч ДК, а значит, улучшению точностных показателей схемы.

Поэтому иараметрьь интегральных ОУ всегда су ьцественно выше, чем у аналогичных диснретнььх схем. Схемные решения. Каждое поколение интегральных ОУ характерно своими схемными решениями. В ОУ первого поколения использовались биполярные транзисторы только одного типа (и — р-и) и диффузионные резисторы в качестве нагрузок дньрференциального каскада. Операционные усилители второго г поколения характеризовались целым рядом усовершенствований. Во-первых, в них наряду с транзисторами и — р — и использовались и транзисторы р — и-р; это, в частности, облегчало построение выходных каскадов (см. рис.

9.25). Во-вторых, наряду с простыми диффузионными резисторами использовались пинч-резисторы, имеющие более высокие номиналы сопротивлений (см. равд. 7.9). В-третьих, наряду с биполярными транзисторами, во входных ДК иногда использовались полевые транзисторы с р-и-переходом Они уступали биполярным по усилительным и частотным свойствам, но обеспечивали резкое уменьшение входных токов и увеличение входного сопротивления.

Однако главная специфика 2-го поколения ОУ состояла в замене резисторных нагрузок ДК динамическими. Примеры динамических нагрузок были рас- "~з смотрены выше применительно к МДП-транзисторам (см. рис. 9.13). тз Т4 Во многих операционных уси- ~ а~«ь лителях ДК используют только на входе устройства, остальные кас- [ьь~кз »гь 1Ь кады усиления выполняют по од- Т1 Т2 Л»«~~ нофазной схеме. На рис.

10.28 приведена упрощенная схема типового ДК с однофазным выходом на биполярных транзисторах, использующего динамическую нагрузку в виде отражателя тока в коллекторных цепях. Глава 10. Илтегральлыь схемы Практически нагрузкой обоих транзисторов является меньшее сопротивление Вы — входное сопротивление следующего каскада (на рнс.

10.28 показано штриховой линией). Пусть на базы транзисторов Т1 и Т2 поступают соответственно сигналы +АУ и — ЛУ. При этом коллекторный ток 1„1 изменится на величину Ы„, =а(аУгг,). Приращение АЕ,1 будет повторено отражателем тока в коллекторной цепи транзистора Т4 и даст приращение коллекторного потенциала ЛУ„г = АЕ,ф,„. Точно такая же величина получится под действием приращения Лг хз, обусловленного сигналом -ЛУ. В результате получаем на выходе: ЛУ„г = 2ЛУ(гх,/г,), где Я,„/г, — коэффициент усиления. Таким образом, использование отражателя тока позволяет не только получить вьгсокий коэффициент усиления (до нескольких тысяч), но и удвоить сигнал на однотактном выходе ДК. 3-е поколение интегральных ОУ характерно использованием во входных ДК супербета транзисторов (см. равд.

7.4). Высокие значения коэффициента )), свойственные таким транзисторам, в сочетании с микрорежимом обеспечивают практически такие же малые входные токи, как и полевые транзисторы, но быстродействие и усиление оказываются выше. Способы уменьшения дрейфа, Симметрия интегрального ДК в значительной мере решает проблему дрейфа. Однако в ряде специальных случаев, особенно в прецизионных измерительных устройствах, эта проблема сохраняет свое значение.

Рассмотрим два способа повышения температурной стабильности, характерные для интегрального исполнения. Первый способ состоит в стабилизации температуры кристалла, на котором расположен ОУ. При этом температурный дрейф будет отсутствовать или во всяком случае существенно уменьшится. Структурная схема стабилизации температуры показана на рис. 10.29. На том же кристалле, на котором расположен ОУ, расположены дополнительные стабилизирующие элементы и узлы: датчики температуры Д (обычно прямосмещенные р-п-переходы), вспомогательный усилитель У и тепловыделяющие элементы ТЭ (мощные транзисторы).

Запишем следующее соотношение: (10.27) ЬТис = ЬТс " орех В~ 10.10. Операцпэвпые усилители где АГнс — изменение температуры кристалла, АТ~ — изменение внешней температуры, АЄ— прирагцение мощности в тепловыделяющих элементах, Я, — тепловое сопротивление кристалла. Учитывая, что тепловыделяющие элементы могут только нагревать крис- Рпс.

10.29. Структурная схема статалл, но не охлаждать его, не- бклпзацпп температуры кристалла трудно сделать вывод, что данная ХХС всегда работает при максимально допустимой температуре. Это — один из недостатков такого метода. Вторым недостатком является необходимость дополнительной площади (до 20%) под элементы стабилизатора. Обозначим температурную чувствительность датчиков через з (В/'С), коэффициент усиления вспомогательного усилителя через К„в крутизну ВАХ тепловыделяющих элементов через Я .

Тогда приращение мощности Ар„под действием приращения АТнс запишется в виде 11ьт = (зАунс%,3тэЕ где Š— напряжение питания. Подставляя величину АЕ'„в (10.27), получаем: (10.28) Атис — — АтдАК„+ 1), где коэФФициент стабилизации: Еьэ гКг~тзЕК ' Очевидно„что знак коэффициента усиления К„должен быть противоположным знаку г. Для типичных значений с= -2,2 мВ/ С; Я -40 мА/В; Е = 10 В; К„= -200 н Е, = 0,3'С/мВт получаем: К - 50. Значит, в диапазоне А'Гэ = 150 'С температура кристалла будет меняться всего на 3 'С (при этом его рабочая температура будет около +120 'С). Радикальным способом устранить влияние дрейфа (но не сам дрейф) является отказ от обычных схем прямого усиления и использование усилителей типа )ьг — ДМ (название происходит от слов модуляция — демодуляция). В обычных усилителях медленно меняющиеся сигналы неотделимы от дрейфа, потому что совпадают их частотные спектры.

Идея М-ДМ-усилителей состоит в том, что полезный сигнал модулнруется, т. е. его спектр смещается в область сравнительно высоких частот при 10.10. Оперяииоииые усилители как правило, составляют всего десятки микровольт и менее, т. е. на несколько порядков меньше других напряжений в схемах. В ряде случаев ОУ работает в нелинейном режиме, когда коэффициент Ео перестает быть коэффициентом пропорциональности между входным н выходным напряжениями. Действительно, выходное напряжение не может превышать напряжение питания.

Поэтому, если подать на вход достаточно большой сигнал У,„» Е„/Ео, то выходной (или ближайший к нему) транзистор окажется либо запертым, либо насыщенным (см. равд. 9.6). При этом выходное напряжение принимает одно из предельных значений тЕ, нли -Ез и не зависит от входного сигнала.

На рис. 10.31 показана типичная схема стабилизатора напряжения. Считая Уж = 0 (см. выше), МОЖНО ЗаПИСатЬ: У, = Уме ГдЕ Уов — опорное напряжение. Выражая У, через выходное напряжение в виде У, = уУ„„получаем: Рж. 10.31. Стабилизатор иапря- жеиия с использоввиием ОУ Уз Уов /у где у = Вз/(Вт+В~). Меняя сопротивления В и Вз, можно регулировать выходное напряжение. Использование ОУ позволяет решить одну из главных проблем — резко уменьшить выходное сопротивление стабилизатора по сравнению с простейшей схемой (рис, 9.32). Действительно, зададим на выходе приращение ЛУэ. Усиленное приращение КзЛУс, поступая на базу транзистора, вызовет приращение эмиттерного тока Л7, = КзЛУс/г,. Деля ЛУс на Л1„получаем выходное сопротивление в виде В г /Кс' Расчетное значение В,„„может составить тысячные доли ома и менее.