Простейший операционный усилитель на полевых транзисторах и его параметры



Операционный усилитель является универсальным устройством, которое позволяет проводить различные операции с аналоговыми сигналами. Одни из самых простейших и основных операция — это усиление входного сигнала, сложение, вычитание, ослабление и т. д. Большинство операций выполняемых на ОУ реализуются с помощью обратных связей, в различных схемах включения.

В данной статье будет рассмотрены основные характеристики и параметры простейшего ОУ, составные блоки ОУ (токовое зеркало, дифференциальная пара, выходной (усилительный) каскад).

Операционный усилитель (англ. operational amplifier, OpAmp) — усилитель постоянного тока с относительно низкими значениями уровней напряжения смещения нуля, минимальных входных токов (особенно если речь идет о полевых транзисторах, так как затворные токи ничтожно малы) и высоким коэффициентом усиления. ОУ имеет дифференциальный вход (неинвертирующий и инвертирующий) и, как правило, один выход с высоким коэффициентом усиления (Рисунок 1).

Рис. 1. Графическое обозначение ОУ

– V+ неивертирующий вход

– V- инвертирующий вход

– Vout выход

– Vdd напряжение питание (положительный потенциал)

– Vss земля (отрицательный потенциал)

Параметры ОУ

Операционный усилитель является сложным схемотехническим устройством, который обладает рядом технических параметров, которые подразделяются на статические и динамические (Таблица 1). В зависимости от схемы включения, и применения ОУ определяются его основные настройки.

Таблица 1

Основные параметры ОУ

Статический	Динамические
Напряжение смещения	Скорость нарастания выходного напряжения (Slew Rate)
Входной ток
Диапазон выходного напряжения
Входное сопротивление	Время нарастания выходного напряжения
Диапазон выходного тока
Выходное сопротивление
Ток потребления (ток покоя)	Время спада выходного напряжения
Коэффициент усиления напряжения
Частота среза
Частота единичного усиления	Время готовности
Входная емкость
Выходная емкость

Имеется множество классификаций операционных усилителей, начиная от типов входных/выходных каскадов, заканчивая схемой включения и элементами «обвеса» усилителя. Одна из них является классификацией ОУ на основе электрических параметров (Рисунок 2).

Рис. 2. Классификация ОУ по типам на основе электрических параметров

Помимо вышеизложенных классификаций также выделяют четыре основных класса усилителей, которые в частности относятся к организации выходного каскада, а точнее к организации токозадающего элемента выходного блока операционного усилителя.

– Класс A — в данном классе усилителей не зависимо от уровней входного сигнала ток, протекающий через усилительный элемент, течет постоянно.

– Класс B — в этом классе усилитель способен обрабатывать отрицательные, либо положительные входные сигналы. Ток покоя значительно меньше, чем в классе А.

– Класс C — данный класс усилителей также как и класс B воспроизводит только положительные или отрицательные области входного сигнала. Однако при нулевом входном напряжении ток не протекает через усилительный элемент.

– Класс D — КПД данного режима составляет больше 90 %, так как в нем выходной транзистор открыт либо закрыт исходя из этого, в первом приближении можно считать, что транзистор работает без потери мощности.

Рис. 3. Упрощенный вариант схемы КМОП усилителя класса А

1. Токовое зеркало (токозадающая часть) — обеспечивает ток смещения дифференциальной пары (M4) и ток выходного каскада (М8). В зависимости от соотношения размеров транзисторов М7/М4, М7/М8 задаются токи стоков I_М4, I_М8

I_c = ,

где W — ширина, L — длина канала транзистора, — удельная крутизна

2. Дифференциальный усилительный каскад (дифференциальная пара), основная часть ОУ, выходной сигнал которого, равен разнице двух входных напряжений. Транзисторы М5,М6 являются усилительными, а М10 и М9 играют роль активной токовой нагрузки.
3. Выходной усилительный каскад, М11 усилительный транзистор, включенный по схеме ОИ (общий исток), М8 токозадающий транзистор, который обеспечивает ток в выходном каскаде. В зависимости от номинала выходной емкости рассчитывается ток выходного каскада, для обеспечения корректной работы ОУ на заданной частоте.

Рис. 4. Передаточная характеристика ОУ с выходным усилительным каскадом

Передаточная характеристика (на увеличенном участке пересечения входных сигналов) показывает напряжения смещения — отклонение выходного сигнала от пересечения входных воздействий. Если рассмотреть скорость изменения выходного сигнала (первая производная), то можно получить значения коэффициента усиления в разах.

Рис. 5. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики ОУ

С помощью амплитудно-частотной характеристики можно снять следующие параметры ОУ:

– Коэффициент усиления в децибелах

– Полоса пропускания (частота среза) -3dB от максимального коэффициента усиления

– Частота единичного усиления

– Запас по фазе ОУ иллюстрирует фазо-частотная характеристика

Заключение

В данной статье были рассмотрены параметры и классификация операционных усилителей. На примере простого усилителя «класса А» рассмотрены основные блоки ОУ. В настоящее время операционный усилитель широко востребован как в составе отдельных микросхем, так и в более сложных функциональных блоках. Универсальность ОУ и близкие к идеальным характеристики позволяют использовать его во множестве электронных устройств.

Литература:

1. Эннс В. И., Кобзев Ю. М. — Проектирование аналоговых КМОП-микросхем, Горячая лини-телеком, 2005
2. Миндеева А. А. — Элементная база аналоговых схем, учебное пособие, 2012
3. У.Титце, К.Шенк — Полупроводниковая схемотехника, 2010
4. P. Toomey & W. Hunt, «AD7528 Dual 8-Bit CMOS DAC», Analog Devices AN318
5. W. Jung, «Bootstrapped IC Substrate Lowers Distortion in JFET Op Amps», Analog Devices AN232