погрешность (в виде 2-го члена в знаменателе), связанная с влиянием температуры, режима и т. п.

В идеальном ОУ, у которого R =00 и К = оо, имеем:

К = -

(14-216)

т. е. коэффициент усиления зависит только от параметров внешней цепи обратной связи.

Помимо усиления ОУ может выполнять многие другие функции. Так, если заменить резистор Ri на конденсатор С, то коэффициент усиления будет выражаться операторной функцией интегрирования (1/sC/?); такой ОУ называют интегрирующим усилителем. Если заменить конденсатором С резистор /?2, получим функцию дифференцирования (sC/?i) и ОУ будет дифференцирующим усилителем. При условии R = R получаем инвертирующий повторитель. При подаче комплексной обратной связи на неинвертирующий вход схема легко самовозбуждается и превращается в тот или иной тип генератора. Именно такая гибкость ОУ сделала его основным, универсальным компонентом линейных (аналоговых) интегральных схем.

Типовая структура ОУ включает в себя один или, чаще, два ДК (Ti - 74 на рис. 14-5), один переходный однотактный каскад

(Г5) и выходной двухтактный каскад (Ге, Т-,). Схема последнего .рассматривалась в § 12-3.

Операционный усилитель описывается той же системой параметров, что и ДК, причем свойства ОУ

iпрежде всего определяются свойствами входного ДК. Поэтому в последнем используются все меры, способствующие улучшению входных параметров (см. § 14-5). Второй и последующие каскады призваны в основном обеспечить нужный коэффициент усиления и выходные параметры (напряжение, ток, выходное сопротивление). Современные ОУ характеризуются коэффициентами усиления 10*-10* и вьш1е, выходными токами 10- 20 мА и выходными напряжениями 5-10 В (последние, конечно, зависят от напряжения питания).

14-7. КАСКАД НА МДП ТРАНЗИСТОРАХ

В основе ДК - его обоих плеч - лежат, как известно, однотактные каскады. Поэтому начнем с их рассмотрения

Простейшие однотактные каскады на МДП транзисторах могут иметь три разновидности. У первой из них (рис. 14-6, с) в стоковой части используется обычный резистор, у остальных двух - динамическая нагрузка в виде МДП тран-

Рис. 14-5. Внутренняя структура операционного усилителя.

зистора с тем же (рис. 14-6, б) или противоположным (рис. 14-6, е) типом проводимости канала.

Каскад с резисториой нагрузкой мало специфичен по сравнению с классическим ламповым каскадом (если, конечно, не учитывать температурные зависимости, шумы и другие эксплуатационные факторы). Поэтому к нему можно применить всю хорошо разработанную теорию ламповых схем (см. например, [62]). На этом каскаде мы не будем останавливаться, ограничившись выражением для коэффициента усиления:

где Ц - коэффициент усиления транзистора; R[ - его внутреннее сопротивление [см. (5-61) и петит на с. 336]. При достаточно большом сопротивлении нагрузки (Rc > Ri) получаем максимальный коэффициент усиления каскада: КЦ. Обычно К = (0,2 0,4) fi.

Вход

Выход

Вход

Выход

а) ±

6) X

Вход

Выход

В) L

Рис. 14-6. Простейшие однотактные каскады на МДП транзисторах.

о - с резисторной нагрузкой: б - с транзисторной нагрузкой того же типа прово-димости; в - с транзисторной нагрузкой противоположного типа проводимости.

Рассмотрим каскад на однотипных транзисторах (рис. 14-6, б)-Из условия = f с2 следует: > t/32 - U, т. е. [см. (5-39)1 транзистор Гя работает в области насыщения, на пологих участках характеристик (рис. 5-28, а) *. Соответственно для обоих транзисторов будем пользоваться формулами насыщенного режима; для простоты ограничимся 1-м приближением, т. е. формулами (5-60) - (5-63). Как и и гл, 5, во избежание знаков минуса будем записывать потенциалы и напряжения в виде модулей.

Роль сопротивления R. в рассматриваемой схеме играет входное сопротивление каскада Т, включенного по схеме 03. Следовательно, в формуле (14-22) можно заменить R на /?вхОЗ- Используя упрощенное выражение (5-90) и подставляя Rii - Hi/Si, получаем:

--р-. (14-23)

Отношение крутизн запишем с помощью выражения (5.-63). Поскольку токи обоих транзисторов одинаковы, легко находим:

5 = l/ = -i- Si V fci Vb

(14-24)

* Задавая независимое смещение на затвор Гг, можно обеспечить ненасыщенный режим, но при этом параметры каскада ухудшаются (см. [145]). Кроме того, недостатком будет наличие дополнительного источника смещения.

Здесь отношение удельных крутизн обозначено специальным символом

В = . (14-25)

Если в выражении (5-55) считать величины е, ц (подвижность) и d одинаковыми для обоих транзисторов (что обычно вьшолняется), то коэффициент В определяется только геометрическими факторами - соотношением длин и ширин каналов.

Таким образом, в общем счучае

fi = fi-, (14-26а)

а в частном случае, при Li = L,

fi=fi. (14-266)

Вариант (14-266) особенно ясно иллюстрирует, что значения коэффициента В непосредственно связаны с размерами транзисторов; если В > 1, то транзистор Ti больше , чем Т; если В < 1, го транзистор Ti меньше транзистора Т2. В гл. 5 отмечалось, что при линейной структуре транзисторов геометрический фактор Z/L ограничен: его трудно сделать более 100 и менее 1; значения В для такой структуры не превышают 40-50.

Подставляя (14-24) в (14-23), получаем:

К--Ув. (14-27)

Приближение основано на том, что обычно ц = 50 100 и более, а Кв не превышает 6-7.

Итак, коэффициент усиления в безрезисторной схеме на однотипных транзисторах очень невелик и принципиально ограничен геометрическими факторами. Для того чтобы получить К ~ Hi, необходимы значения В > 10*, что нереально даже в гребенчатых структурах (см. сноску на с. 313).

Относительно статического режима каскада можно сделать следующие замечания. Запишем очевидное равенство

£=(/е1 + (/з2, (14-28)

где оба напряжения отсчитываются от истоков. Выражая токи обоих транзисторов с помощью (5-60), приравнивая их друг другу и подставляя коэффициент В из (14-25), получаем соотношение

f = VB. (14-29)

и 31 - и о

Здесь пороговые напряжения обоих транзисторов приняты одинаковыми, что характерно для дискретных схем, в которых подложки можно соединять с истоками..

Подставляя U32 из (14-29) в (14-28), приходим к выводу, что напряжение питания и напряжения ifi, Ui, определяющие рабочую точку активного транзистора Tj, связаны однозначно:

E = VbU31+Ui-(VB-1)Uo. (14-ЗОа)

Если желательно выполнить условие Usi = Ui, то соотношение (14-ЗОа) переходит в следующее :

E={V-1-1)Ui-{VB-1)Uo. (14-306)

* Равенство {/3= U, если выполнить его во всех каскадах многокаскадного усилителя, позволяет сделать все каскады идентичными и соединять их друг с другомнепосредственно без всякого согласования. При этом начальный выходной потенциал (в отсутствие сигнала) будет равен в ход -