10.5: ДОПОВНЕННЯ ДЛЯ ПІДВИЩЕННЯ ПРОДУКТИВНОСТІ

Операційні підсилювачі, як правило, призначені для застосування загального призначення. З цієї причини та через обмеження, властиві виготовленню інтегральних схем, поєднання операційного підсилювача з інтегральною схемою з декількома дискретними компонентами часто покращує продуктивність вигідно для певних застосувань. Використання індивідуальних компенсаційних мереж дає дизайнеру потужну техніку модифікації динаміки операційних підсилювачів з зовнішньою компенсацією. Ця тема розглядається в Главі 13. Інші часто використовувані модифікації призначені для поліпшення або вхідно-каскадних, або вихідно-каскадних характеристик монолітних підсилювачів, і деякі з цих доповнень згадуються в цьому розділі.

Однією з переваг, яку мають багато дискретно-компонентних операційних підсилювачів порівняно з деякими конструкціями інтегральних схем, є менший вхідний струм. Це поліпшення зазвичай призводить до того, що вхідний струм дискретно-компонентної конструкції компенсується одним із методів, описаних у розділі 7.4.2. Ці методи можуть зменшити вхідний струм дискретно-компонентних конструкцій, особливо при одній температурі, до дуже низьких рівнів. Ті ж методи можуть бути використані для зниження вхідного струму підсилювачів інтегральної схеми. Багато підсилювачі можуть бути добре компенсовані за допомогою транзисторів, як показано на малюнку 7.14. Типи транзисторів, такі як 2N4250 або 2N3799, які мають коефіцієнт посилення струму в порівнянні з температурними характеристиками, аналогічними характеристикам вхідних транзисторів багатьох підсилювачів, слід використовувати.

Малюнок 10.24 Компенсація вхідного струму для послідовника напруги.

З'єднання, показане на малюнку 10.24, може бути використано для зменшення вхідного струму сполучного LML0la. Внаслідок температурно-залежного вхідного каскаду робочого струму цього підсилювача (див. Розділ 10.4.1), температурний коефіцієнт його вхідного струму становить приблизно 0,3% на градус Цельсія, порівнянний з коефіцієнтом прямого зміщення кремнієвого діода при кімнатній температурі.

Інша можливість передбачає використання низького вхідного струму LM110 в якості передпідсилювача для операційного підсилювача. Оскільки пропускна здатність LM110 набагато більша, ніж у більшості операційних підсилювачів загального призначення, на динаміку петлі зворотного зв'язку не впливає додавання попереднього підсилювача. Хоча це з'єднання збільшує дрейф напруги, використання самонагрівання (див. Розділ 10.4.4) та простий компенсації вхідного струму може призвести до вхідного струму в широкому\(0.5\ nA\) діапазоні температур. (Хоча LM108 має порівняно низький вхідний струм, його динаміка та здатність керувати навантаженням поступаються багатьом іншим підсилювачам загального призначення. В результаті описане тут з'єднання є вигідним в деяких додатках.)

Малюнок 10.25 Використання послідовників FET.

Польові транзистори (Хоча найкраще підібрані польові транзистори виготовляються монолітним процесом, процес не може одночасно виготовляти високоякісні біполярні транзистори. Деякі виробники пропонують гібридні інтегральні схеми, які об'єднують дві мікросхеми в одному корпусі, щоб забезпечити операційний підсилювач FET-входу. \(\mu A740\)Це монолітний FET-вхідний підсилювач, але його продуктивність не така хороша, як у гібридів.) може бути підключений як послідовники джерела перед операційним підсилювачем, як показано на малюнку 10.25. Вхідний струм частки а нА при помірних температурах отримують за рахунок підвищеного дрейфу і біднішого коефіцієнта синфазного відхилення. Використання відносно індексних задумливих подвійних польових транзисторів дає типові цифри дрейфу від 10 до 100 пВ, /С Продукт вихідного опору джерела послідовника та вхідної ємності підсилювача зазвичай досить малий, так що динаміка залишається незмінною. Якщо це ємнісне навантаження є проблемою, затвор і вихідні клеми FET можуть бути зашунтовані невеликими конденсаторами.

Зменшити дрейф операційного підсилювача можна, попереджаючи його диференціально-підсилювальним каскадом, так як дрейф правильно спроектованого дискретно-компонентного диференціального підсилювача можна зробити часткою мікровольт на градус Цельсія (див. Главу 7). Цей спосіб найбільш ефективний, коли відносно високий коефіцієнт посилення напруги виходить з диференціального каскаду і коли його робочий струм високий в порівнянні з вхідним струмом операційного підсилювача. Нещодавно розроблена інтегральна схема (LM121) також призначена для роботи в якості передпідсилювача для операційних підсилювачів. Струм зміщення цього передпідсилювача можна регулювати, і можливий комбінований дрейф менше одного мікровольта на градус Цельсія. Використання попереднього підсилювача, який забезпечує посилення напруги, часто ускладнює компенсацію, оскільки збільшена передача петлі, що призводить до порушення стабільності в деяких додатках.

Вихідний струм, одержуваний від інтегральної схеми операційного підсилювача, обмежений відносно невеликою геометрією вихідних транзисторів і низькою розсіюванням потужності невеликого чіпа. Ці обмеження можна подолати, слідуючи за підсилювачем з окремим вихідним каскадом.

Є ще одна значна перевага продуктивності, пов'язана з використанням зовнішнього вихідного каскаду. Якщо вихідний струм подається від транзистора, включеного на мікросхемі, домінуючим розсіюванням потужності мікросхеми є те, що пов'язано з струмом навантаження, коли подаються струми, що перевищують кілька міліампер. Як наслідок, температура мікросхеми може сильно залежати від рівня вихідної напруги. Як уже згадувалося раніше, тепловий зворотний зв'язок на вхідних транзисторах погіршує продуктивність через пов'язані з цим дрейфу і зміни вхідного струму. Правильно спроектований вихідний каскад може ізолювати підсилювач від змін струму навантаження, так що температура мікросхеми стає практично незалежною від вихідної напруги та струму.

Можуть використовуватися вивідно-ступінчасті конструкції типу, описаного в розділі 8.4. Широка смуга пропускання ланцюгів випромінювача-послідовника зазвичай не порушує частотну характеристику. Вихідний каскад може бути дискретно-компонентної конструкції, або може використовуватися будь-яка з декількох монолітних або гідридних інтегральних схем. MC1538R є прикладом монолітної схеми, яка може бути використана в якості вихідного буфера одиниці посилення для операційного підсилювача. Ця схема розміщена у відносно великому пакеті, що дозволяє значне розсіювання потужності, і може забезпечити вихідні струми настільки ж високими, як\(300\ mA\). Його пропускна здатність перевищує 8 МГц, що значно більше, ніж у більшості операційних підсилювачів загального призначення.

Інша можливість в ситуаціях з низькою вихідною потужністю - використовувати другий операційний підсилювач, підключений як неінвертуючий підсилювач (зазвичай використовуються посилення між 10 і 100) як вихідний каскад для попереднього операційного підсилювача. Переваги включають збільшення коефіцієнта посилення розімкнутого контуру, що забезпечується неінвертуючим підсилювачем, і віртуальне усунення проблем теплового зворотного зв'язку, оскільки максимальна вихідна напруга, необхідна від першого підсилювача, є максимальною вихідною напругою комбінації, розділеною на коефіцієнт посилення замкнутого контуру неінвертирующего підсилювач. Часто необхідно компенсувати перший підсилювач дуже консервативно, щоб зберегти стабільність в петлі зворотного зв'язку, які використовують цю комбінацію.

ПРОБЛЕМИ

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Ви є президентом Single-Stone Semiconductor, Inc. ваш найбільш продаваний продукт - це операційний підсилювач загального призначення, який має розміри мікросхеми 0,05 дюймового квадрата. Досвід показує, що ви отримуєте задовільний прибуток, якщо продаєте свої схеми за ціною, що дорівнює 10 разів вартості на рівні вафель. В даний час ви виготовляєте свої схеми на пластин з корисною площею 3 квадратних дюймів. Вартість обробки однієї пластини становить 40 доларів, а врожайність така, що ви зараз продаєте свій підсилювач за один долар. Ваш головний інженер описує новий підсилювач, який він розробив. Він має характеристики, набагато перевершують вашу нинішню модель і може бути виготовлений за тим же процесом, але для цього потрібен розмір чіпа 0,05 дюйма на 0,1 дюйма. Поясніть своєму інженеру, який вплив ця зміна матиме на ціну продажу. Можна припустити, що вафельні дефекти розподіляються випадковим чином.

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Повторювач струму типу, показаного на малюнку 10.9, досліджується за допомогою транзисторного кривого трасування. Підключення заземлення на цьому малюнку підключено до клеми випромінювача кривої-трасера, вхід підключений до базової клеми трасера, а вихід ретранслятора з'єднаний з клемою колектора кривого трасера. Припустимо, що обидва транзистори мають однакові значення для\(I_S\) і дуже високий коефіцієнт посилення струму. Намалюйте тип показу, який ви очікуєте на трассировці кривої.

Вправа\(\PageIndex{3}\)

Припустимо, що можна виготовити бічний-PNP транзистори з коефіцієнтом посилення струму 100 і значенням,\(C_{\pi}\) рівним\(400\ pF\) at струму\(100\ \mu A\) колектора. Повторювач струму одиничного посилення будується шляхом бісекції колектора одного з цих транзисторів і підключення пристрою, як показано на малюнку 10.10. Обчисліть частоту 0,707 функції передачі струму для цієї конструкції, що працює при загальному колекторному струмі\(100\ \mu A\). Можна знехтувати\(C_{\mu}\) і базовим опором для транзистора. Контрастуйте це значення з частотою, при якій коефіцієнт посилення струму одноколекторного бічний-PNP транзистора зі схожими параметрами падає до 0,707 його низькочастотного значення.

Вправа\(\PageIndex{4}\)

Малюнок 10.26 Джерело струму дуже низького рівня.

На малюнку 10.26 показано з'єднання, яке може використовуватися як джерело струму дуже низького рівня. Припустимо, що всі транзистори мають однакові значення\(I_S\)\(\beta\), високі, і знаходяться при температурі\(300^{\circ} K\). Знайти значення для\(R_1, R_2\), і\(R_3\) такі, що вихідний струм буде\(1\ \mu A\) підпорядковуватися обмеженню, що сума значень резистора менше\(100\ k\Omega\).

Вправа\(\PageIndex{5}\)

Розглянемо три поточні ретрансляційні структури, показані на рис. 10.9, 10.11\(a\) та 10.11\(b\). Припустимо ідеально підібрані транзистори, і обчислити додатковий вихідний опір кожного з'єднання з точки\(\eta\) зору\(\beta\) і транзисторів і робочого рівня струму.

Вправа\(\PageIndex{6}\)

Малюнок 10.27 Вихідний каскад підсилювача

Кінцевий каскад посилення напруги та вихідний буфер операційного підсилювача з інтегральною схемою показані на малюнку 10.27. Обчисліть рівень спокою колектор-струм додаткового послідовника емітера. Ви можете припустити, що коефіцієнт посилення струму NPN транзисторів становить 100, тоді як коефіцієнт посилення PNP'S - 10. Ви можете також припустити, що всі NPN мають однакові характеристики, як і всі PNP'S.

Вправа\(\PageIndex{7}\)

Малюнок 10.28 Вхідний етап підсилювача.

Вхідний каскад операційного підсилювача показаний на малюнку 10.28. Обчисліть дрейф, що відноситься до входу цього підсилювача, пов'язаного зі змінами коефіцієнта посилення струму транзисторів, що використовуються в ретрансляторі струму. Ви можете припустити, що ці транзистори ідеально підібрані, мають коефіцієнт посилення струму загального емітера 100 і дробову зміну посилення струму 0,5% на градус Цельсія. Запропонуйте модифікацію схеми, яка зменшує цей дрейф.

Вправа\(\PageIndex{8}\)

Малюнок 10.29 Схема зміщення.

Частина схеми зміщення операційного підсилювача LM101A показана на малюнку 10.29. Ця схема має цікаву властивість, що для правильно обраного робочого рівня струму напруга зміщення відносно нечутлива до змін рівня струму. Визначте значення\(I_B\), яке складає\(\partial V_O/\partial I_B\) нуль. Ви можете припустити високий коефіцієнт посилення струму для обох транзисторів.

Вправа\(\PageIndex{9}\)

Визначте, як одинична частота посилення та швидкість обертання пов'язані з струмом зміщення першого ступеня для\(\mu A776\) операційного підсилювача. Використовуйте технічні характеристики цього підсилювача для оцінки вхідного каскаду струму спокою при заданому значенні струму\(1.5\ \mu A\). Припускаючи, що відношення струму зміщення до встановленого струму залишається постійним для нижчих значень заданого струму, оцініть час підйому від 10 до 90% у відповідь на крок для\(\mu A776\) підключеного як неінвертуючого підсилювача посилення десяти при встановленому струмі\(1\ nA\). Також оцініть швидкість обертання та енергоспоживання для цього встановленого струму.\(\mu A776\)

Вправа\(\PageIndex{10}\)

Малюнок 10.30 Нелінійний генератор.

А\(\mu A776\) з'єднується в петлю з LM101A, як показано на малюнку 10.30.

(a) Показати, що це один із способів реалізації генератора функцій, подібного до описаного в розділі 6.3.3.

(б) Побудувати передавальні характеристики LM101A зі зворотним зв'язком (тобто напруга\(v_A\) як функція\(v_B\)).

(c) Намалюйте форми хвиль\(v_A(t)\) і\(v_B(t)\) для цієї схеми. Ви можете припустити, що швидкість вбивання 101A набагато більше, ніж у\(\mu A776\).

(d) Як змінюються ці форми хвиль як функція\(I_{SET}\)?

Вправа\(\PageIndex{11}\)

Малюнок 10.31 Операційний підсилювач.

Спрощена схема операційного підсилювача показана на малюнку 10.31.

(а) Скільки ступенів має цей підсилювач?

(б) Зробіть (ймовірно, необґрунтоване) припущення, що всі транзистори мають однакові (високі) значення для\(\beta\) та однакові значення для\(\eta\). Далі припустимо, що відповідні пари мають відповідні значення\(I_S\). Обчисліть низькочастотний коефіцієнт посилення підсилювача.

(c) Обчисліть частоту посилення одиниці підсилювача та швидкість обертання в залежності від струму\(I\)\(C_c\), конденсатора та будь-яких інших потрібних вам величин. Можна припустити, що цей конденсатор домінує в динаміці підсилювача.

(d) Запропонуйте модифікацію схеми, яка зберігає істотні особливості продуктивності підсилювача, але збільшує його низькочастотний коефіцієнт посилення напруги.

Вправа\(\PageIndex{12}\)

Технічні характеристики для операційного підсилювача LM101A вказують на максимальний вхідний струм зміщення\(100\ nA\) та максимальний температурний коефіцієнт вхідного струму зсуву (вхідний струм зміщення - це різниця між струмом зміщення, необхідним на двох входах підсилювача)\(0.2\ nA\) на градус Цельсія. Ці технічні характеристики застосовуються в діапазоні температур\(-55^{\circ} C\) до\(+ 125^{\circ} C\). Наша мета полягає в тому, щоб передувати цьому підсилювач з узгодженою парою 2N5963

транзистори, підключені як послідовники випромінювачів, так що його можна використовувати в додатках, які вимагають дуже низьких вхідних струмів. Припустимо, що ви в змозі зіставити пари транзисторів 2N5963 так, щоб різниця в база-емітерних напругах пари була меншою, ніж\(2\ mV\) при рівних колекторних струмах. Спроектуйте схему випромінювача-послідовника, використовуючи одну з цих пар та будь-які необхідні компоненти зсуву ланцюга з наступними характеристиками:

1. Струм зміщення, необхідний на вході послідовників випромінювача, є відносно незалежним від рівня синфазного режиму в діапазоні\(\pm 10\) вольт.

2. Дрейф, що посилається на вхід, доданий до повної схеми послідовниками випромінювача, менше, ніж\(\pm 2\ \mu V\) на градус Цельсія. Вкажіть, як ви плануєте збалансувати пару емітер-послідовник спільно з підсилювачем для досягнення цього результату.

Оцініть вхідний струм для модифікованого підсилювача з вашою схемою, припускаючи, що коефіцієнт посилення струму загального випромінювача 2N5963 становить 1000. Оцініть диференціальний вхідний опір модифікованого підсилювача. Ймовірно, вам потрібно буде знати диференціальний вхідний опір LM101A, щоб завершити цей розрахунок. Для того, щоб визначити цю величину, покажіть, що для топології вхідного етапу LM101A диференціальний вхідний опір можна визначити лише з вхідного струму зміщення.