Выбор и обоснование структурной и принципиальной схемы ОУ

Введение

Операционный усилитель изначально был спроектирован для выполнения математических операций (отсюда его название), путём использования напряжения как аналоговой величины. Такой подход лежит в основе аналоговых компьютеров, в которых ОУ использовались для моделирования базовых математических операций (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т. д.). Однако идеальный ОУ является многофункциональным схемотехническим решением, он имеет множество применений помимо математических операций. Реальные ОУ, основанные на транзисторах, электронных лампах или других активных элементах, выполненные в виде дискретных или интегральных схем, являются приближением к идеальным.

Рисунок 1 – Ламповый ОУ К2-W

Первые промышленные ламповые ОУ (1940-е гг.) выполнялись на паре двойных триодов, в том числе в виде отдельных конструктивных сборок в корпусах с октальным цоколем. В 1963 Робер Видлар, инженер Fairchild Semiconductor, спроектировал первый интегральный ОУ — μA702 (отечественный аналог – КР140УД1). При цене в 300 долларов прибор, содержавший 9 транзисторов использовался только в военных применениях. Первый доступный интегральный ОУ, μA709 (отечественный аналог – КР140УД1), также спроектированный Видларом, был выпущен в 1965; вскоре после выпуска его цена упала ниже 10 долларов, что было всё ещё слишком дорого для бытового применения, но вполне доступно для массовой промышленной автоматики и т. п. гражданских задач.

В 1967 National Semiconductor, куда перешёл работать Видлар, выпустила LM101 (отечественный аналог – КР153УД2), а в 1968 Fairchild выпустило практически идентичный μA741(отечественный аналог – КР140УД7) — первый ОУ со встроенной частотной коррекцией. ОУ LM101/μA741 был более стабилен и прост в использовании, чем предшественники. Многие производители до сих пор выпускают версии этого классического чипа (их можно узнать по числу «741» в наименовании). Позднее были разработаны ОУ и на другой элементной базе: на полевых транзисторах с p-n переходом (конец 1970х) и с изолированным каналом (начало 1980х), что позволило существенно улучшить ряд характеристик. Многие из более современных ОУ могут быть установлены в схемы, спроектированные для 741 без каких-либо доработок, при этом характеристики схемы только улучшатся.

Применение ОУ в электронике чрезвычайно широко — операционный усилитель, вероятно, наиболее часто встречающийся элемент в аналоговой схемотехнике. Добавление лишь нескольких внешних компонент делает из ОУ конкретную схему аналоговой обработки сигналов.

Перечень сокращений

АЧХ – амплитудно-частотная характеристика

ДУ – дифференциальный усилитель

КЗ – короткое замыкание

ПЭВМ – персональная электронно-вычислительная машина

ООС – отрицательная обратная связь

ОУ – операционный усилитель

ТЗ – техническое задание

ТС – транзисторная структура

ФА – формирователь амплитуды

ФЧХ – фазочастотная характеристика

ЭП – эмиттерный повторитель

 

Заключение

В результате выполнения курсового проектирования был разработан операционный усилитель согласно заданию: была разработана структурная схема ОУ, произведен расчет принципиальной электрической схемы ОУ, произведен расчет параметров АЧХ и элементов ее коррекции.

 

 

Список использованной литературы

1. Свирид В. Л. Микросхемотехника аналоговых электронных устройств: учеб. пособие для радиотех. спец. вузов / В. Л. Свирид. – Минск: Дизайн ПРО, 1998. – 256 c.

2. Свирид В. Л. Проектирование аналоговых микроэлектронных устройств: учеб. пособие для радиотех. спец. вузов / В. Л. Свирид. – Минск: БГУИР, 2010. – 296 с.

3. Свирид В. Л. Аналоговая микросхемотехника: учеб. пособие для студентов спец. «Радиотехника» всех форм обучения. В 3 ч. Ч. 1: Интегральные микросхемы. Системотехническое проектирование радиоэлектронной аппаратуры / В.Л. Свирид. – Мн.: БГУИР, 2003. – 232 с.

4. Свирид В. Л. Микроэлектронные и преобразовательные устройства: учеб. пособие для студентов спец. «Радиоинформатика» всех форм обучения. В 2 ч. Ч. 1: Микроэлектронные устройства/ В.Л. Свирид. – Мн.: БГУИР, 2005. – 134 с.

 

Приложение

 

 

Введение

Операционный усилитель изначально был спроектирован для выполнения математических операций (отсюда его название), путём использования напряжения как аналоговой величины. Такой подход лежит в основе аналоговых компьютеров, в которых ОУ использовались для моделирования базовых математических операций (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т. д.). Однако идеальный ОУ является многофункциональным схемотехническим решением, он имеет множество применений помимо математических операций. Реальные ОУ, основанные на транзисторах, электронных лампах или других активных элементах, выполненные в виде дискретных или интегральных схем, являются приближением к идеальным.

Рисунок 1 – Ламповый ОУ К2-W

Первые промышленные ламповые ОУ (1940-е гг.) выполнялись на паре двойных триодов, в том числе в виде отдельных конструктивных сборок в корпусах с октальным цоколем. В 1963 Робер Видлар, инженер Fairchild Semiconductor, спроектировал первый интегральный ОУ — μA702 (отечественный аналог – КР140УД1). При цене в 300 долларов прибор, содержавший 9 транзисторов использовался только в военных применениях. Первый доступный интегральный ОУ, μA709 (отечественный аналог – КР140УД1), также спроектированный Видларом, был выпущен в 1965; вскоре после выпуска его цена упала ниже 10 долларов, что было всё ещё слишком дорого для бытового применения, но вполне доступно для массовой промышленной автоматики и т. п. гражданских задач.

В 1967 National Semiconductor, куда перешёл работать Видлар, выпустила LM101 (отечественный аналог – КР153УД2), а в 1968 Fairchild выпустило практически идентичный μA741(отечественный аналог – КР140УД7) — первый ОУ со встроенной частотной коррекцией. ОУ LM101/μA741 был более стабилен и прост в использовании, чем предшественники. Многие производители до сих пор выпускают версии этого классического чипа (их можно узнать по числу «741» в наименовании). Позднее были разработаны ОУ и на другой элементной базе: на полевых транзисторах с p-n переходом (конец 1970х) и с изолированным каналом (начало 1980х), что позволило существенно улучшить ряд характеристик. Многие из более современных ОУ могут быть установлены в схемы, спроектированные для 741 без каких-либо доработок, при этом характеристики схемы только улучшатся.

Применение ОУ в электронике чрезвычайно широко — операционный усилитель, вероятно, наиболее часто встречающийся элемент в аналоговой схемотехнике. Добавление лишь нескольких внешних компонент делает из ОУ конкретную схему аналоговой обработки сигналов.

Перечень сокращений

АЧХ – амплитудно-частотная характеристика

ДУ – дифференциальный усилитель

КЗ – короткое замыкание

ПЭВМ – персональная электронно-вычислительная машина

ООС – отрицательная обратная связь

ОУ – операционный усилитель

ТЗ – техническое задание

ТС – транзисторная структура

ФА – формирователь амплитуды

ФЧХ – фазочастотная характеристика

ЭП – эмиттерный повторитель

 

Выбор и обоснование структурной и принципиальной схемы ОУ

Современные ОУ реализуются преимущественно по двухкаскадной схеме-модели, включающей два каскада усиления и эмиттерный повторитель (ЭП). Коэффициент передачи по напряжению каждого из каскадов составляет примерно 300 – 1000, а ЭП – несколько меньше единицы. В связи с этим общий коэффициент передачи ОУ без ООС обычно находится в пределах от 105 до 106 (100 –120 дБ).

Схемотехнику рассмотрим на примере отечественного ОУ типа К140УД7. В отличие от базовой модели, данный ОУ имеет более сложный входной дифференциальный усилитель (ДУ), принципиальная схема которого показана на рис. 1. Эта схема ДУ находит применение в большинстве современных ОУ. Ее существенным достоинством является отсутствие эффекта модуляции ширины базовой области (эффекта Эрли) транзисторов дифференциальной пары, проявляющегося в базовой схеме ДУ из-за разных величин коллекторных напряжений при балансе.

 

 

Рисунок 2 – Принципиальная схема дифференциального усилителя

В схеме ДУ (см. рис. 1) входные транзисторы T1 и Т8 все время работают при одном и том же напряжении на коллекторах и через них протекает одинаковый ток, что исключает данный эффект. Кроме этого, наличие в схеме каскада с ОБ на транзисторах Т2 и Т6 структуры р-n-р, включенного последовательно с транзисторами Т1 и Т8, работающими по схеме с общим коллектором (ОК), обусловливает более высокое входное сопротивление. Входные ЭП на транзисторах T1 и Т8 обеспечивают малую входную динамическую емкость и малое выходное сопротивление, благоприятно сказывающиеся на согласовании с каскадами, включенными по схеме с ОБ.

Переход к одиночному (несимметричному) выходу отличается от базовой схемы ДУ наличием транзистора Т4, который задает уровень смещения на транзисторы Т7 и ТЗ, представляющие совместно с Т4 и резисторами R1 и R3 модифицированную ДТС. Транзистор Т4 с резистором R2, поглощающим часть тока эмиттера данного транзистора, является каскадом, который, имея коэффициент передачи по напряжению близкий к единице, способствует уменьшению ответвления тока с коллектора ТЗ на управление транзисторами ТЗ и Т7 и фиксирует напряжение коллектор–база этих транзисторов на уровне напряжения база–эмиттер U_БЭ (0,6–0,7) В, увеличивая тем самым их коэффициент передачи тока.

Резисторы R1 и RЗ, включенные для повышения выходного сопротивления нагрузки за счет местной ООС в транзисторах ТЗ и Т7, способствуют увеличению коэффициента передачи ДУ, который реально определяется величиной входного сопротивления второго каскада ОУ и сопротивлением коллекторных цепей транзисторов Т6 и Т7. Выводы от резисторов R1 и R3 используют для балансировки схемы с помощью внешнего переменного резистора (потенциометра), движок которого соединяют с минусовой шиной источника питания.

Такой способ балансировки оставляет входы Вх.1 и Вх.2 ДУ свободными для источников сигнала.

При рассмотренной реализации нагрузки ДУ транзистор Т7 эквивалентен включению с ОЭ, но его свойства, благодаря ООС, приближаются к свойству включения с ОБ, что необходимо учитывать при проектировании. Уровень же постоянного напряжения на выходе ДУ близок к потенциалу минусовой шины источника питания (реально он по абсолютной величине меньше примерно на 2U_БЭ), и это исключает необходимость применения схемы сдвига уровня при согласовании с последующим каскадом.

Режим работы ДУ задает ГСТ, реализуемый на основе ДТС, выполненной на транзисторах Т10, T11 и резисторе R4, а также резистора R5, с помощью которого исходно формируется ток через транзистор T11. Данный ГСТ фиксирует ток баз транзисторов T1 и Т6, при этом, если предположить, что напряжения между базой и эмиттером однотипных транзисторов Т2 и Т6, T1 и Т8, ТЗ и Т7 хорошо согласованы, то коллекторные токи через каждый из этих транзисторов будут приблизительно равными, а общая точка баз Т2 и Т6 по переменному току для дифференциального сигнала будет иметь нулевой потенциал.

Пары транзисторов T1, Т2 и Т8, Т6, эмиттеры которых соединены между собой, эквивалентны двум транзисторам структуры р-n-р с соединенными эмиттерными выводами, имеющими эквивалентный коэффициент передачи тока h21 на низкой частоте, как показано в п. 1.4.1, примерно равный коэффициенту h21 транзисторов T1 и Т8 структуры р-n-р. Это делает непринципиальной абсолютную величину параметра h₂₁ применяемых транзисторов р-n-р структуры, которая обычно меньше, чем у транзисторов структуры n-р-n.

В связи с тем что при одновременном изготовлении на одной подложке транзисторов обеих структур все же не удается получить точно заданные абсолютные значения параметров транзисторов р-n-р структуры, в схеме ДУ для стабилизации рабочей точки транзисторов Т2 и Т6 предусмотрена цепь ООС, которая образована ДТС на транзисторах Т5 и Т9.

Суммарный ток транзисторов T1 и Т8 создает уровень тока I0 транзистора Т5 (в диодном включении), который определяет величину тока в транзисторе Т9. Последний регулирует суммарный базовый ток транзисторов Т2 и Т6 путем перераспределения тока ГСТ на транзисторах Т10, T11. Такая ООС улучшает стабильность уровня смещения и подавление синфазных сигналов, не оказывая заметного влияния на коэффициент передачи дифференциального сигнала.

Второй каскад ОУ – формирователь (усилитель) амплитуды, практически не отличающийся от аналогичного каскада базовой модели ОУ представлен на рис. 2. Он выполнен на ТС, в качестве которой работают транзисторы T13 и T15, и ДТС на транзисторах T12 и T14 в качестве динамической нагрузки. Рабочий ток I₀₂ каскада задает транзистор T12 в диодном включении, который соединяется со свободным выводом резистора R5 ДУ (рис. 1).

 

Рисунок 3 – Формирователь амплитуды

 

Транзистор Т13 и резистор R6 образуют ЭП, который совместно с резистором R7, создающим местную ООС Z-типа для транзистора T15, позволяет согласовать по постоянному току вход каскада с выходом ДУ и повысить входное сопротивление. ООС Z-типа, повышая выходное сопротивление и снижая коэффициент передачи, стабилизирует работу формирователя амплитуды по постоянному и переменному токам.

Транзистор Т'16, фиксируя разность потенциалов между входом и выходом формирователя на уровне U_БЭ, предотвращает режим насыщения транзисторов Т13, Т15 при чрезмерном их открывании входным сигналом. Транзистор T17, исходно закрытый и выполняющий роль управляемого источника тока, участвует в работе по защите от случайных КЗ выходного ЭП ОУ.

Конденсатор С1 является элементом коррекции АЧХ и ФЧХ ОУ в целом. ЭП (см. рис. 3) ОУ представляет собой модифицированную схему двухтактного усилителя мощности с защитой от случайных КЗ.

Управление двухтактным выходным каскадом на транзисторах Т23 и Т24 осуществляется однотактным ЭП на транзисторе Т"16 с динамической нагрузкой в виде ГСТ на транзисторе Т"14 и встроенным источником опорного напряжения Е0 на транзисторах T18, T19 и резисторе R8.

Транзисторы Т"14 и Т'14, Т"16 и Т'16, работающие соответственно в ЭП (см. рис. 3) и формирователе амплитуды (см. рис. 2.2) и имеющие одинаковую структуру и общие соединения соответственно баз и эмиттеров, баз и коллекторов, в ОУ типа К140УД7 реализуются соответственно на основе одного двухколлекторного (Т14) и одного двухэмиттерного (Т16) транзисторов, что позволяет обеспечить требуемые тепловой режим и токораспределение в обоих каскадах.

В схему защиты от случайного КЗ входят резисторы R9–R11 и транзисторы Т21–Т22. Транзистор Т20 в диодном включении является токозадающим элементом для транзистора Т17 формирователя амплитуды (рис.2) и совместно с ним образует ДТС, выполняющую роль управляемого источника тока.

Резистор R9, ограничивающий диапазон регулировки тока данного источника, поглощает часть тока коллектора транзистора Т22.

При КЗ выхода ОУ на резисторах R10 (для положительной полуволны тока) и R11 (для отрицательной полуволны тока) появляются напряжения, которые открывают соответственно транзисторы T21 и Т22, при этом транзистор T21 поглощает часть базового тока транзистора Т23. Образуемый в коллекторной цепи транзистора Т22 ток посредством ДТС на Т20 и Т17 (рис. 2) поглощает часть тока входной цепи формирователя амплитуды и тем самым ограничивает ток КЗ в выходных транзисторах Т23 и Т24, превращая последние в генераторы предельного тока, уровень которого зависит от номинала резисторов R10 и R11.

 

 

Рисунок 4 – Эмиттерный повторитель