В настоящее время операционные усилители (ОУ) получили наиболее широкое распространение среди аналоговых интегральных схем. Это обусловлено возможностью реализации на их основе самых различных линейных и нелинейных аналоговых и аналого-цифровых устройств. Различные способы преобразования аналоговых сигналов выдвигают самые разнообразные требования к ОУ. Удовлетворить все эти требования в ОУ одного типа практически не возможно. По этой причине промышленностью выпускаются несколько типов ОУ, каждый из которых удовлетворяет ограниченному числу требований. Все вместе они перекрывают широкий диапазон требований.
Возможности использования современных ОУ можно расширить еще больше, если создать условия для изменения некоторых из его параметров под воздействием внешних управляющих сигналов. Операционные усилители такого типа обычно называют программируемыми. Программируемым ОУ отечественного производства является микросхема К140УД12. Другим направлением использования ОУ является использование микросхем в нестандартной схеме включения, отличной от схемы указанной в паспорте (даташите) микросхемы, предложенной разработчиком микросхемы.
Как правило, операционный усилитель строится с использованием дифференциального каскада на входе микросхемы. Вариантов дифференциальных каскадов достаточно много, об этом можно подробнее почитать в массовой и научной литературе, здесь же основной упор будет сделан на не стандартном использовании ОУ и некоторых доработках, которые могли бы улучшить параметры массово выпускаемых промышленностью ОУ.
Для начала приведу таблицу ОУ советской разработки, которые еще можно приобрести в наших магазинах благодаря "стратегическим запасам".
Примечание:
Un — напряжение питания;
Iпот— потребляемый ток;
Kу и min — минимальный коэффициент усиления;
Uсм — напряжение смещения;
Iвх— входной ток;
Iвх— разность входных токов;
Rвx— входное сопротивление;
Uвх cф — максимальное входное синфазное напряжение;
Uвых— выходное напряжение;
Кос.сф— коэффициент ослабления входного синфазного напряжения;
fi — граничная полоса частот;
VUвых. — скорость нарастания выходного напряжения;
ТК Uca — температурный коэффициент смещения:
ТК Iвт — температурный коэффициент входного тока;
ТК ДIвх — температурный коэффициент разности входных токов;
Un.max/Un.min — пределы изменения питающего напряжения;
Kвл. п — коэффициент подавления изменения питающего напряжения.
Операционный усилитель К140УД1
Вход на выводе 10 - неинвентирующий и выводе 9 - инвентирующий.
Первый каскад состоит из дифференциальной транзисторной пары VT1, VT2, которая питается от генератора тока на транзисторе VT3. Температурная стабилизация тока осуществляется транзистором VT4. Второй каскад также состоит из дифференциальной транзисторной пары на транзисторах VT5 и VT6 гальванически связан с выходами первого, но без источника тока, т.к. вывод 4 как правило заземлен. На выходе усилителя стоят два эмиттерных повторителя (VT7 и VT9), а источник тока на транзисторе VT8 осуществляет динамическую нагрузку для первого эмиттерного повторителя.
Вывод 4 подключается к массе двухполярного питания, на вывод 7 подается положительное питание 6,3В для К140УД1А или 12,6В для К140УД1Б, на вывод 1 отрицательное питание -6,3В и 12,6В, соответственно.
Вывод 5 - выход ОУ. Минимальной нагрузкой усилителя является Ra min = 5 кОм и Сmах = 50 пФ.
Выводы 12, 2 и 3 предназначены для частотной коррекции ОУ при работе с ООС. Операционный усилитель требует внешних корректирующих цепей, устраняющих самовозбуждение на частотах 2 - 10 МГц. Из всех существующих интегральных микросхем ОУ К140УД1 имеют относительно низкий уровень шума, который в паспорте микросхемы не нормируется, но в опубликованных радиолюбительской литературе встречается даже как микрофонный усилитель.
Балансировка усилителя для получения нулевого выходного напряжения, относительно земли, может быть произведена с помощью потенциометра, включенного между контактами 7 и 12. Если вместо потенциометра применить терморезистор, то создается возможность стабилизации усилителя в широком диапазоне температур.
К140УД1 можно использовать в не стандартном режиме, если выходное напряжение снимать с выводов 12 или 2. В сборнике МРБ выпуск 1125 на стр.74 рис.4.40 приведена схема с дополнительным высокочастотным транзистором КТ326Б, который подключен к выводу 12 как усилитель по схеме ОЭ. В этой схеме подстроечным резистором R3 добиваются половины напряжения питания на коллекторе VT1. Благодаря конденсатору С2 обеспечивается устойчивость усилителя, охваченного ООС, т.к. по постоянному току она положительная. В эта схема, возможно, стабильнее будет работать при подключении ООС к выводу 9 микросхемы, но учитывая фазовый сдвиг в высокочастотной области микросхемы, указанное в сборнике включение транзистора VT1 может быть устойчивее и позволит расширить частотный диапазон схемы.
Для усилителя с коэффициентом усиления 100 можно получить верхнюю граничную частоту 20 МГц. Скорость нарастания выходного сигнала может быть увеличена до 300 В/мкс.
Также интересным может быть подключение такого каскада к выводу 2, т.к, в этом случае, цепь базы будет подключена к низкому выходному сопротивлению эмиттерного повторителя (VT7) NPN структуры, что может уменьшить влияние емкости Миллера и нелинейности ВАХ дополнительного внешнего транзистора PNP структуры. В цепь эмиттера этого транзистора стоит включить параллельную RC цепочку для смещения потенциала эмиттера в соответствии с напряжением на выводе 2 микросхемы К140УД1. Т.к. в этом случае не потребуется коррекция ФЧХ, то ООС следует подавать на вывод 9, т.е поменять в схеме выводы 9 и 10 местами.