скорость нарастания будет равна:

(5-3i)

dt ~~ Скор

Если предположить, что коэффициент усиления по току а р-п-р транзистора близок к единице, а токи /о и h приблизительно одинаковы, то, поскольку емкость корректирующего конденсатора Скор пропорциональна /о ,[см. уравнение (5-29)], выражение для скорости нарастания становится независимым от тока:

:(/хЮ1 = 0),. (5-32)

Частота coi имеет приблизительно такую же величину, как и предельная частота усиления <о р-п-р транзистора с горизонтальным расположением областей, т. е. находится в пределах от 3 до 5 МГц. Таким образом, типовое значение скорости нарастания, ксгорое может обеспечить усилителг:иый каскад с частотной коррекцией (рис. 5-18), выражается величиной

25-2л.5.10«=*= 1 В/мкс.

(5-33)

Приведенный выще приближенный анализ показывает основные причины, в силу которых быстродействие больщинства современных операционных усилителей общего назначения находится в пределах от 0,5 до 3 В/мкс. Независимость скорости нарастания от величины тока в схеме рис. 5-18 физически можно объяснить следуюш,им образом. Увеличение уровня тока приводит к повышению коэффициента усиления в контуре. При этом требуется пропорционально увеличивать емкость Скор корректирующего конденсатора. Таким образом, в первом приближении скорость нарастания операционного усилителя остается неизменной.

Скорость нарастания можно повысить за счет увеличения рассеиваемой мощности, если имеется воз-

можность изменить величину токов /i или Iz без увеличения крутизны входного каскада. Практически это выполняется путем включения резистора отрицательной обратной связи Ra последовательно в цепь эм;иттера в упрошенной схеме рис 5-18,а (или последовательно в цеш эмиттепа ii и Tz ъ практической схеме входного каскада рис. 5-10 [3]). При этом действующее значение крутизны входного каскада St запишется в виде

i (5-34)

а величина корректирующей емкости Скор находится из уравнения (5-30):

Скор = "ТГ-=;r • (5-35)

Далее, используя уравнение (5-31), величину скорости нарастания операционного усилителя запишем в следующем виде:

кор

hRэШг, (5-36)

которая оказывается пропорциональна току. Таким образом, быстродействие операционного усилителя можно повысить за счет уве-.пичения рассеиваемой мощности. Например, при /?э=1 кОм, /i=l мА и /i=5 МГц получаем, что скорость нарастания равна 40 В/мкс. Однако в некоторых случаях применение отрицательной обратной связи в эмиттерных цепях входного каскада является нежелательным, так как она приводит к уменьшению усиления, повышению уровня шумов и сдвигу входных напряжений [см. уравнение (5-14)]. Одним из методов устранения причин, ограничи-ваюш,их быстродействие, является применение входного каскада с перекрестными связями, схема которого показана на рис. 5-19. При большом уровне входного сигнала эффективная крутизна каскада St определяется сопротивлениями рези-

Неанверти-руЕкый Вхпй

-O+tK

ИнВерти-риекый вход

"Х, h I3

Рис. 5-19. Схема входного каскада с перекрестными связями, имеющего повышенное быстродействие.

сторов перекрестных связей, которые не зависят от тока:

S т-•

Rr + R.

(5-37)

Таким образом, быстродействие можно снова повысить путем увеличения тока h в усилительном каскаде. Имеются сведения, что при использовании такой схемы входного каскада и при усилении, равном единице, получается скорость нарастания болеее 30 В/мкс.

Полоса максимальной мощности

• Полоса максимальной мощности определяется как частота, на которой можно получить максимальную амплитуду выходного напряжения. При синусоидальном входном сигнале колебания на выходе имеют вид:

«вых (О =£вых8Ш (ВЛ

(5-38)

Максимальная амплитуда выходного напряжения получается до тех пор, пока dUbixldt не превысит скорости нарастания. Из уравнения (5-38) получаем:

= £выхсо. (5-39)

/макс

Таким образом, полоса максимальной мощности (Bp определяется

из уравнения (5-39) подстановкой сй = юр:

rff/вых

(5-40)

В большинстве схем монолитных операционных усилителей общего назначения, в которых используются боковые р-п-р транзисторы и не применяется отрицательная обратная связь в эмиттерных цепях, частота fp находится в диапазоне от 5 до 50 кГц при амплитуде вы-ход-ного напряжения iO В.

5-6. ПРАКТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

В настоящее время разработано более {30 различных схем монолитных операционных усилителей для использования в аппаратуре гражданского назначения. Некоторые из этих схем являются специальными и должны удовлетворять специфическим требованиям, например работать при очень малой рассеиваемой мощности, иметь низкий уровень шумов, иметь высокое быстродействие и высокую радиационную стойкость. Однако большая часть товременных монолитных операционных усилителей является устройствами общего назначения, которые могут применяться в самых различных случаях. Несмотря на то, что существует большое число различных схем операционных усилителей общего назначения, большинство из них можно свести к одной из нескольких основных схем, которые в настояш,ее время стали в промышленности стандартными. В настоящем параграфе рассматриваются схемы, топология и электрические характеристики некоторых стандартных операционных усилителей.

Первый монолитный операционный усилитель, который получил широкое распространение, был разработан в 1965 г. фирмой Fairchild Semiconductor и известен под наименованием схемы 709. Принципи-

альная схема этого операционного усилителя показана на рис. 5-20. В качестве входного каскада в усилителе применена дифференциальная схема, приведенная на рис. 5-8. Для обеспечения большого входного сопротивления и малого входного тока входные транзисторы в этой схеме работают при очень малых токах коллектора, около 20 мкА. Усиление напряжения в первом каскаде достигается благодаря применению согласованных резисторов нагрузки Ri и Rz.

На транзисторе Tg построен низковольтный источник положительного напряжения для питания входного каскада. Транзистор Г5 является инвертором с коэффициентом усиления, равным единице, и обеспечивает максимальную амплитуду напряжения входного каскада, которая прикладывается к переходу база - эмиттер транзистора Т5. Для минимизации онагрузки, которую представляет второй каскад, транзисторы Тз и Ti соединены с транзисторами Та и Те по схеме Дарлингтона. Резисторы Rs, Ri и диод Дг образуют делитель тока в цепях эмиттеров транзисторов Тз и Ti. Транзистор Тд служит в качестве буфера с коэффициентом усиления, равным единице на выходе второго

каскада, и вместе с резистором Rit и транзистором р-п-р типа с горизонтальным расположением областей Tio служит для преобразования уровня постоянного напряжения к потенциалу отрицательного полюса источника питания. Поскольку транзистор р-п-р типа используется только для изменения уровня постоянного напряжения, схема удовлетворительно работает даже с" транзисторами р-п-р типа, у которых коэффициент усиления по току порядка 0,2.

Третий каскад усиления схемы 709 выполнен на транзисторе Гц и резисторе Ru и является каскадом предварительного усиления для выходного каскада класса Б (см. рис. 5-15), который построен на транзисторах Тц и Т13. Транзистор Ti3 в выходном каскаде является транзистором р-п-р типа, в котором подложка используется в качестве коллекторной области. Третий каскад усиления охвачен внутренней обратной связью, которая задает усиление каскада отношением сопротивлений резисторов Ris и Ru. В схеме не предусмотрены специальные меры ограничения выходного тока и защиты от короткого замыкания. Однако небольшие геометрические размеры выходных тран-

. .-оВыхпВ

Инвертируемый ТуЛ вхо? А

НеанВерш-руемый ВхоВ

Рис. 5-20. Принципиальная схема (а) и внешние выводы (б) монолитного операционного усилителя типа 709.