Искусство схемотехники. Том 1 [Изд.4-е] - Пауль Хоровиц

Видлар перешел из фирмы Fairchild в фирму National, где занялся разработкой ОУ типа LM301, который представлял собой улучшенный вариант ОУ с защитой против короткого замыкания и защелкивания и имел увеличенный диапазон входного напряжения, ограниченный значением 30 В. Однако Видлар не предусмотрел внутренней частотной коррекции, так как предпочел предоставить пользователю свободу в выборе средств и методов коррекции. Операционный усилитель типа 301 можно было скорректировать с помощью единственного конденсатора, но, в связи с тем что лишь один вывод был свободен, для регулировки нуля сдвига по-прежнему нужно было иметь три внешних компонента.

Тем временем фирма Fairchild приготовилась к ответному ходу в связи с появлением ОУ типа 301 (теперь — это всем известный ОУ типа 741). Новый ОУ обладал всеми преимуществами схемы типа 301, но инженеры фирмы Fairchild попытались осуществить внутреннюю частотную коррекцию, в результате высвободились два вывода и упростился процесс регулировки сдвига с помощью единственного внешнего потенциометра. Так как во многих практических случаях не требуется производить регулировку сдвига (в этом Видлар оказался прав), то для ОУ типа 741 в нормальных условиях эксплуатации не нужны другие компоненты, кроме тех, которые используются в цепи ОС. Все остальное уже стало достоянием истории - ОУ типа 741 распространился с быстротой цепной реакции и превратился в стандартную схему.

В настоящее время известно немало операционных усилителей типа 741; они похожи по конструкции и характеристикам, но имеют и специфические черты: входы на полевых транзисторах, сдвоенные и строенные схемы, схемы с улучшенными характеристиками, скорректированные и нескорректированные схемы и т. д. Ниже приводится краткий перечень ОУ этого типа, который можно использовать для справок и который характеризует человеческий инстинкт идти в ногу со временем (более полный перечень приведен в табл. 4.1).

Одинарные схемы

74IS быстродействующий (10 В/мкс)

МС741 с низким уровнем шумов

ОР-02 прецизионный ОУ

4132 микромощный (35 мкА)

LF13741 вход на полевых транзисторах, малый входной ток

748 нескорректированный

NE530 быстродействующий (25 В/мкс)

TL081 вход на полевых транзисторах, быстродействующий (подобен LF351)

LF411 вход на полевых транзисторах, быстродействующий

Счетверенные схемы

МС4741 четыре ОУ типа 741 (аналог — ОУ типа 348)

ОР-11 прецизионный ОУ

4136 быстродействующий (3 МГц)

НА4605 быстродействующий (4 В/мкс)

TL084 вход на полевых транзисторах, быстродействующий (подобен LF347)

Сдвоенные схемы

747 сдвоенный ОУ 741

ОР-04 прецизионный ОУ

1458 в корпусе мини-DTP с двухрядным расположением выводов

4558 быстродействующий (15 В/мкс)

TL082 вход на полевых транзисторах, быстродействующий (подобен LF353)

LF412 вход на полевых транзисторах, быстродействующий

* * *

В системах, где в качестве источников питания используются батареи, широкое распространение получили так называемые «программируемые ОУ». Их называют так потому, что установка значений всех внутренних рабочих токов выполняется с помощью внешнего тока, подаваемого на контакт, предназначенный для программирования смещения. Внутренние токи покоя увязываются с этим током смещения с помощью токовых зеркал, которым разработчики отдают предпочтение перед внутренними источниками токов, задаваемых с помощью резисторов. В результате подобные усилители можно программировать таким образом, чтобы они работали в широком диапазоне питающих токов — обычно от нескольких микроампер до нескольких миллиампер. Такие параметры, как скорость нарастания, произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания fср и входной ток смещения, пропорциональны программирующему току. Для систем, использующих батареи в качестве источников питания, особенно полезны программируемые ОУ, работающие с токами порядка нескольких микроампер. Более подробно мы рассмотрим разработку микромощных схем в гл. 14.

Операционный усилитель типа 4250 был первым программируемым ОУ, и до сих пор его с успехом применяют во многих системах. Он был разработан фирмой Union Carbide, а сейчас его производят и многие другие фирмы, причем выпускают не только одинарные, но также сдвоенные и строенные схемы (8022 и 8023 соответственно). Для того чтобы представить себе, какие характеристики можно получить при малых питающих токах, рассмотрим в качестве примера ОУ типа 4250, который работает с током 10 мкА. Для того чтобы получить такой ток, нужно с помощью внешнего резистора подать ток смещения, равный 1,5 мкА. Тогда fср будет составлять 75 кГц, скорость нарастания будет равна 0,05 В/мкс, а входной ток смещения Iсм равен 3 нА. При малых рабочих токах способность усилителя к возбуждению последующих каскадов резко уменьшается, а выходное сопротивление при разомкнутой цепи ОС заметно увеличивается и в нашем случае достигает 3,5 кОм. При малых рабочих токах шумовое входное напряжение увеличивается, а шумовой входной ток уменьшается (см. гл. 7). В технических данных на ОУ типа 4250 указано, что минимальное питающее напряжение для этого усилителя должно составлять 1 В, однако в реальных схемах возможны отклонения от заданного минимума, особенно если усилитель должен обеспечивать большой размах выходного сигнала или обладать способностью к возбуждению последующего каскада.

Операционный усилитель типа 776 (или 3476) представляет собой усовершенствованный ОУ типа 4250. Он обладает лучшими выходными характеристиками при малых токах. Операционный усилитель типа 346 — это хороший программируемый ОУ, объединяющий в одном кристалле четыре усилителя. Три секции этого ОУ программируются с помощью одного входа, а четвертая — с помощью другого. В некоторых программируемых ОУ использованы обычные биполярные транзисторы, например схемы типа ОР-22, ОР-32, НА2725 и СА3078. К программируемым ОУ на КМОП-транзисторax относятся схемы типа ICL612, TLC251, МС14573 и СА3440. Эти схемы проявляют свои возможности при очень небольшом питающем напряжении (до 1 В для TLC251), а для выдающейся схемы типа 3440-при токах затухания до 20 нА.

Схемы типа 7612 и 251 используют видоизмененную схему обычного программируемого ОУ; программируемый вход подключается к U+ или U_, или остается неподключенным, в зависимости от этого ток затухания будет иметь ту или иную величину (10 мкА, 100 мкА или 1 мА).

Помимо рассмотренных выше операционных усилителей существуют также непрограммируемые усилители, предназначенные для работы с небольшими токами питания и небольшими напряжениями, следовательно, их также нужно отнести к микромощным. Среди них следует выделить ОУ типа LM10, для которого полный диапазон питающего напряжения составляет 1 В (например, ± 0,5 В). Эта характеристика заслуживает особого внимания, так как напряжение Uбэ увеличивается при понижении температуры, и при температуре — 55 °C оно близко к величине 1 В, определяющей нижний предел рабочего диапазона LM10. Среди других микромощных ОУ заслуживают внимания следующие схемы (и их рабочие токи): прецизионные ОУ типа ОР-20 (40 мкА), ОР-90 (12 мкА) и LT1006 (90 мкА), недорогой ОУ типа LP324, объединяющий в одном кристалле 4 усилителя (20 мкА на каждый усилитель), ОУ на основе полевых транзисторов с p-n-переходом типа LF441/2/4 (150 мкА на каждый усилитель) и ОУ на основе полевых МОП-транзисторов типа TLC27L4 (10 мкА на каждый усилитель).

Подробный анализ работы некоторых схем на ОУ

На работу представленных ниже схем существенно влияют присущие операционным усилителям ограничения; рассмотрим их более подробно, чем остальные схемы.

В схеме, представленной на рис. 4.35, логарифмическая зависимость напряжения Uбэ от тока Iк используется для получения выходного напряжения, пропорционального логарифму положительного входного напряжения. Благодаря потенциальному заземлению инвертирующего входа резистор R1 преобразует напряжение Uвх в ток. Этот ток протекает через транзистор Т1 и создает на его эмиттере потенциал, который, согласно уравнению Эберса-Молла, на величину падения напряжения Uбэ  ниже потенциала земли. Транзистор Т2, который работает при фиксированном токе и обеспечивает корректирующее напряжение, равное по величине падению напряжения на диоде, служит для температурной компенсации.