Схемотехника операционных усилителей

1. Схемотехника операционных усилителей Ограничение на коэффициент усиления, основной полюс частотной характеристики

2. Коэфф. усиления "длиннохвостой" пары (long-tailed pair) • (I1 – I2)/I= {exp(E1/VT) - exp(E2/VT)}/{exp(E1/VT) + exp(E2/VT)}, в линейной области = (E1 - E2)/(2VT) • Коэффициент усиления по напряжению пропорционален сопротивлению нагрузки и току источника: (U1 - U2)/(E1 - E2) = IR/(2VT) • Увеличение сопротивления нагрузки, как и рабочего тока, снижает размах выходного напряжения

3. Активная нагрузка (Active Load) +V • По постоянному току плечи сбалансированы, в каждом плече течет по половине суммарного тока эмиттеров транзисторов дифференциальной пары (за вычетом токов баз) • Замена резистора в нагрузке на источник тока размыкает связь между выходным падением напряжения и выходным током. Размах выходного напряжения может достигать максимального значения при любом коэффициенте усиления (теоретически). • Коэффициент усиления по напряжению больше, чем при пассивной нагрузке. Кроме того, транзисторы занимают на кристалле меньше места, чем резисторы. ½ I i1 i1 ½ I i2 i3 I -V

4. Токовое зеркало (Current Mirror) • Согласованная пара (matched pair): транзистор Q1соответствует по параметрам транзистору Q2 • Копирует ток, протекающий через одну цепь, в другую цепь, управляя транзистором. Может использоваться для создания источника, ток через который не зависит от падающего на нем напряжения (источник тока) • IREF = IC (1 + 2/β); IOUT = IC • Коллекторные токи транзисторов при различных напряжениях коллектор-база отличаются вследствие эффекта Эрли (Early effect), появляется зависимость от падающего напряжения, источник тока становится неидеальным. • Выходное сопротивление транзистора ro = (VA + VCB)/IC; это также выходное сопротивление токового зеркала. Wilson Current Mirror

5. Early Effect VBE VCB • Количество диффундировавших в коллектор зарядов обратно пропорционально толщине базы вследствие соотношения:ток In = AEqDndnp/dx ≈ AEqDn/(-np(0)/W) n++ p n+ AE W dn/dx VCB In VCB In

6. VCC/RL iC(iB4) iC(iB3) iC(IB) IС iC(iB1) vCE VCE VCC Early Effect (продолжение) • Без учета эффекта Эрли транзистор выглядит идеальным источником тока – коллекторный ток не зависит от VCB • С учетом эффекта, ампер-вольтовые характеристики в активном режиме растут. Будучи (фиктивно) продолжены в область отрицательных падений напряжения, они сходятся в одной точке (VA , напряжение Эрли) • Типичное значение от VA 50В до 150В.

7. Эффект Эрли и токовое зеркало • С учетом эффекта Эрли, ампер-вольтовая характеристика транзистора имеет вид:IC = IS {exp(vBE/vT) - 1}{1 + VCB/VA} • Характеристики транзистора соответствуют идеальным, когда напряжение Эрли бесконечно. • Коэффициент усиления по току также зависит от VCB: β = β0 (1 + VCB/VA) • База первого транзистора в токовом зеркале соединена с коллектором, для него β1 = β0 . • Для второго транзистора β2 = β0 (1 + VCB,2/VA) • Токовое зеркало перестает быть зеркалом. • Оно также перестает быть идеальным источником тока – выходное сопротивление становится конечным:ro = (VA + VCB)/IC

8. Vcc RS B C IC + vout — gmvπ + vπ — vin rπ roQ ± roL IB E Vin ± IE –VEE Эффект Эрли и ограничение на максимальное усиление входного каскада • Заменяем для приближения слабого сигнала входной транзистор экивалентной гибрид-пи схемой • Максимально возможный коэффициент усиления по напряжению есть отношение транспроводимости к сумме выходной проводимости транзистора нагрузки и выходного сопротивления транзистора дифференциального плеча:Amax = gm/(goL + goQ) = (IC/vT)/(IC/VAL + IC/VAQ) = VA,eff/vT ;где введено эффективное напряжение Эрли VA,eff = VALVAQ/(VAL+VAQ) • VA,eff существенно больше IRL, max

9. Эффект Миллера • Входное сопротивление усилителя зависит от цепи обратной связи Z A • Инвертирующий усилитель с бесконечным входным сопротивлением, но конечным коэффициентом усиления A • На входе напряжение vin; на выходе vout= -Avin. • Импеданс в обратной связи Z. • В обратной связи течет ток (vout-vin)/Z = -(1+A)vin/Z • Из входной цепи должен втекать такой же ток Iin = (1+A)vin/Z (Kirchhoff Current Law) • Входной импеданс Zin = vin/Iin = Z/(1+A). Если обратная связь омическая, входное сопротивление меньше, чем сопротивление обратной связи. • Если обратная связь емкостная, то входная цепь будет нагружена на емкость в (1+A) раз большую, чем (сама по себе) емкость в цепи ООС. • Источник на входе "видит" суженную частотную характеристику по сравнению с оценкой без учета эффекта.

10. Vcc IC RL RB + VCE — vS + VBE — ± IB VBB Эффект Миллера в схеме с общим эмиттером • Схема с общим эмиттером есть инвертирующий усилитель напряжения. • Емкость перехода коллектор-база в этой схеме включения действует как Миллеровская емкость, т.е., ее влияние на частотную характеристику увеличивается в 1+A раз, где A – коэффициент усиления каскада по напряжению. Типичное значение емкости коллекторного перехода порядка пикофарады.

11. Эффект Миллера и длиннохвостая пара • В "длиннохвостой" паре влияние эффекта Миллера может быть устранено. Компенсирующее эффект напряжение подается с противоположного плеча и поэтому в противофазе. Разумеется, выходы каскада должны быть симметричными. • Для 10-килоомных нагрузок и рабочего тока I1= 1 мА, без транзисторов Q3 и Q4 частота, на которой коэффициент усиления снижается на 3 дБ, равна 2.2 МГц. Дополнительные транзисторы повышают эту частоту до 9.6 МГц.

12. Эффект Миллера и операционный усилитель • Схема операционного усилителя 741 (μa741 Texas, LM741 National) • Транзисторы Q15, Q19 (Дарлингтоновская пара) и Q22 образуют усилитель класса A с высоким коэффициентом усиления (нагрузка – токовое зеркало Q12, Q13).Q16 смещает напряжение на 1В. • Конденсатор 30 пФ вводит в частотную характеристику доминантный полюс: Миллеровская компенсация