Операционный микроэлектронный усилитель
Введение
Современная радиоэлектронная
аппаратура (РЭА) характеризуется тремя основными чертами:
резким возрастанием количества
компонентов и в связи с этим значительным уплотнением аппаратуры;
мобильностью, так как РЭА
устанавливается на объектах, движущихся с космическими скоростями;
количественным ростом выпуска
аппаратуры и, следовательно, резким увеличением производства.
Использование средств
микроэлектроники - основа современного этапа развития всех отраслей
радиоэлектроники. Процессы производства и применения интегральных микросхем
(ИС) является совокупным отражением передовых научно-технических достижений в
области физики, радиотехники, электроники, автоматики, кибернетики,
машиностроения, металлургии. Применение ИС позволило существенно улучшить параметры
РЭА и открыло долговременную перспективу ее потенциального усовершенствования.
Переход к ИС дает возможность
существенно усложнить РЭА без усложнения технологии производства и
эксплуатации, обеспечивает выпуск РЭА нового поколения в требуемых количествах
при минимальных трудовых затратах.
ИС, используемые в радиотехнических
устройствах, могут быть условно разделены на три класса: аналоговые,
аналого-цифровые и цифровые. В составе аналоговых ИС преобладают операционные
усилители (ОУ), аналоговые перемножители сигналов (ПС) и стабилизаторы
напряжений.
За последние годы область применения
операционных усилителей очень расширилась. Практически все аналоговые и
цифро-аналоговые электронные устройства, в которых ранее применялись дискретные
транзисторы, строятся теперь с использованием микроэлектронных операционных
усилителей. Операционные усилители являются основным элементом аналоговых и
аналого-цифровых вычислительных систем, различных информационно-измерительных и
управляющих систем и приборов, устройств связи ЭВМ с объектом.
Операционные усилители широко
используются в различных радиотехнических устройствах, в аналого-цифровых и
цифро-аналоговых преобразователях, коммутаторах, функциональных
преобразователях, устройствах сжатия информации, активных фильтрах,
генераторах, источниках питания и ряде других устройств.
Задачей данного курсового проекта
является расчет операционного усилителя с защитой от короткого замыкания с
оптимально скорректированной амплитудно-частотной характеристикой на основе
данных, установленных техническим заданием.
1.
Выбор и обоснование структурной и принципиальной схем ОУ
Современные ОУ
реализуются преимущественно по двухкаскадной схеме-модели, включающей
два каскада усиления и эмиттерный повторитель (ЭП). Коэффициент передачи по
напряжению каждого из каскадов составляет примерно 300-1000, а ЭП - несколько
меньше единицы. В связи с этим общий коэффициент передачи ОУ без ООС обычно
находится в пределах от 
до 
(
).
Таким образом, в
разрабатываемый операционный усилитель будут входить следующие блоки:
1. Входной дифференциальный
усилитель (ДУ).
. Формирователь (усилитель)
амплитуды (ФА).
. Эмиттерный повторитель
(ЭП).
Схема ДУ, используемая в данном ОУ,
также находит применение в большинстве современных ОУ. Ее существенным
достоинством является отсутствие эффекта модуляции ширины базовой области
(эффекта Эрли) транзисторов дифференциальной пары, проявляющегося в базовой
схеме ДУ из-за разных величин коллекторных напряжений при балансе.
Второй каскад операционного
усилителя - формирователь (усилитель) амплитуды, практически не отличающийся от
аналогичного каскада базовой модели ОУ. Он выполнен на ТС, в качестве которой
работают транзисторы Т13 и Т15, и ДТС на транзисторах Т12 и Т14 в качестве
динамической нагрузки.
Третий каскад ОУ - эмиттерный
повторитель. Он представляет собой модифицированную схему двухтактного
усилителя мощности с защитой от случайных КЗ. Второй каскад ЭП является
двухтактным, работающим в режиме класса В с параллельным возбуждением
однофазным напряжением.
В выбранной нами схеме ОУ также
осуществляется автоматическое согласование по постоянному току выхода
формирователя амплитуды и входа ЭП. Так, в статическом режиме при
сбалансированном ДУ потенциал на выходе ЭП отсутствует, и это позволяет
соединять выход ОУ с инвертирующим входом ДУ непосредственно или через элементы
отрицательной обратной связи (ООС) без нарушения его режима работы.
2.
Расчет принципиальной схемы ОУ
В качестве данных на проектирование
операционного усилителя примем следующие:
1. Коэффициент
передачи 
;
. Максимальное
выходное напряжение 
;
. Максимальный
выходной ток в режиме КЗ 
;
. Сопротивление
нагрузки 
;
. Сопротивление
входное дифференциальное 
;
. Сопротивление
входное синфазное 
;
. Коэффициент
ослабления синфазного сигнала 
.
Расчету подлежат:
1. Частота
единичного усиления 
;
. Скорость
нарастания выходного напряжения 
;
. Напряжение
смещения нуля 
;
. Входной ток
(средний) 
. Температурный
дрейф напряжения смещения нуля 
. Температурный
дрейф входного тока 
. Разность
входных токов 
. Температурный
дрейф разности входных токов 
Постоянные величины, используемые
при расчете:
1. Температурный
потенциал 
;
. Напряжение
база-эмиттер всех используемых транзисторов:
;
3. Напряжение Эрли для
транзисторов структуры p-n-p:
;
4. Напряжение Эрли для
транзисторов структуры n-p-n:
.
2.1 Последовательность
расчета
Для расчета ОУ можно
воспользоваться следующей последовательностью действий. Сперва рассчитывается
эмиттерный повторитель (ЭП), по результатам расчетов которого устанавливают
величины входного сопротивления 
, коэффициента передачи
тока 
выходных транзисторов,
тока 
второго каскада ОУ -
формирователя амплитуды.
Затем приступают к
расчету ДУ с определением его рабочего тока 
, от величины которого
зависит такой параметр, как дифференциальное входное сопротивление 
.
После этого рассчитывают
все производные от и параметры, включая
параметры формирователя амплитуды, элементов схем задания режимов работы ОУ,
защиты от случайных коротких замыканий и т.д. При этом следует учитывать, что
получаемые параметры по своему номиналу должны иметь производственный запас не
менее 20-30 процентов.
В заключение производят
расчет параметров АЧХ и связанных с ней других параметров ОУ.
2.2 Расчет
эмиттерного повторителя
1. Исходя из максимального
выходного напряжения 
и максимального
выходного тока в режиме КЗ нагрузки 
, определяют напряжение
источника питания 
и номинальное значение
сопротивления резистора 
:
Целесообразно напряжение питания
привести к одному из общепринятых значений:
Номинал резистора 
выбирают примерно на 
меньше номинала
резистора :
2. Находят
эквивалентное сопротивление нагрузки второго каскада ЭП 
и среднее значение тока
эмиттера 
, по которому затем
определяют входные сопротивления транзистора Т23 
и второго каскада ЭП 
:
Т. к. превышает десятые доли
миллиампера, то коэффициент 
принимают равным
единице. Коэффициент передачи тока выходных транзисторов Т23 (Т24)
примем равным 150:
3. Определяют коэффициент
передачи второго каскада ЭП по формуле (2.8):
4. В соответствии
с выражением (2.9) выбирают рабочий ток первого каскада ЭП и,
следовательно, второго каскада ФА:
6.
По формулам (2.14) и (2.15) с учетом найденного значения коэффициента передачи 
(2.8) вычисляют
коэффициенты передачи 
и 
соответственно первого
каскада и ЭП в целом:
7. Производят
расчет выходных сопротивлений ЭП 
(2.17) и его первого
каскада 
(2.16), однако от
получения их численных значений следует воздержаться до тех пор, пока не будет
численно определено выходное сопротивление
формирователя
амплитуды:
8. Определяют
номинал резистора 
(2.18) и внутреннее
сопротивление 
(2.19) встроенного
источника опорного напряжения 
, а также его
нестабильность 
(2.20), принимая
нестабильность тока 
, протекающего через
данный источник, равной обратной величине выбранного при определении тока коэффициента, стоящего
в скобках выражения (2.9):
9. Расчет элементов
схемы ЭП (номинала резистора 
), которые определяют
режим защиты от случайных КЗ нагрузки, производят по формуле (2.21) после определения
рабочего тока ДУ , принимая коэффициент 
примерно равным 
, а 
. Если в результате
расчетов окажется, что номинал резистора будет превышать
примерно 
или становиться
отрицательным, то резистор в схему не вводят:
2.3 Расчет
дифференциального усилителя
1. Исходя из
заданного дифференциального входного сопротивления 
в соответствии с
формулой (2.22) определяют значение рабочего тока 
. Зная этот ток,
завершают выполнение поз. 9 из п. 2.2:
2. На основе
принятых значений и 
рассчитывают
эквивалентные параметры транзисторной структуры: входное сопротивление 
(2.24), крутизну 
(2.25), выходную
проводимость 
(2,26), полагая для
микрорежима 
:
3. Используя
соотношение (2.27), определяют номинал резистора 
, а затем по формуле
(2.28) рассчитывают входное синфазное сопротивление 
, величина которого
должна быть больше заданной:
Расчетная величина входного
синфазного сопротивления больше заданной.
4. Определяют
параметры нагрузки ДУ. Для этого, задавая номиналы резисторов 
и значение поправочного
коэффициента 
, а также соблюдая
условие идентичности по коэффициентам передачи тока 
по формулам (2.29),
(2.30), (2.31) рассчитывают номинал резистора 
, сопротивление 
источника сигнала,
возбуждающего транзистор 
, выходную проводимость
диодно-транзисторной структуры на 
, а затем и выходное
сопротивление ДУ 
:
5. Используя
вычисленные в поз. 2 данного расчета значения крутизны и выходной проводимости
эквивалентного
транзистора 
и заимствуя значения
входной проводимости формирователя амплитуды 
, по формуле (2.33)
определяют коэффициент передачи дифференциального сигнала 
:
. Производят
расчет коэффициента ослабления синфазного сигнала 
:
7. Рассчитывают
статические параметры ДУ (ОУ): напряжение смещения нуля 
(2.35), температурный
дрейф смещения нуля 
(2.36), средний входной
ток 
(2.37), разность
входных токов 
(2.38), температурный
дрейф разности входных токов 
(2.39), принимая
относительное рассогласование коэффициентов передачи тока 
транзисторов Т2* и Т6*
в пределах от 5 до 15 процентов, а температурный дрейф этого рассогласования
примерно 1 процент:
8. В завершение
расчета элементов схемы ДУ определяют номинал резистора 
по формуле (2.40):
2.4 Расчет
формирователя амплитуды
1. Первоначально
по формуле (2.41) при ранее выбранной величине резистора 
определяют номинал
резистора 
, удовлетворяющий
требованиям согласования по постоянному току уровней напряжений, действующих в
статическом режиме на выходе ДУ и входе ФА, а затем - номинал резистора 
(2.43), используя
коэффициент 
(2.42), входные
сопротивления транзисторов 
, соответственно 
(2.44) и 
(2.45), с помощью
которых находят эквивалентное сопротивление нагрузки 
, (2.46) входное
сопротивление 
(2.47) и коэффициент
передачи 
(2.48) повторителя на
транзисторе 
:
2. Полученное
значение , обратно
пропорциональное входной проводимости , подставляют в формулу
(2.33) и тем самым завершают количественное определение коэффициента передачи
дифференциального сигнала ДУ:
3. Определяют
выходное сопротивление повторителя на транзисторе 
(2.51), с помощью
которого и выходной проводимости 
(2.52) транзистора T15
находят выходную проводимость 
(2.53) эквивалентной ТС
на транзисторе Т15 и резисторе , а затем - крутизну 
(2.54) последней и
выходную проводимость 
(2.55) транзистора
Т`14:
4. На основании
полученных в предыдущем пункте данных с учетом входной проводимости ЭП
определяют коэффициент передачи 
второго каскада, а
также находят коэффициент передачи 
формирователя амплитуды
в целом:
5. Определяют
выходное сопротивление формирователя амплитуды 
(2.59), значение
которого подставляют в формулу (2.16) и заканчивают этим выполнение п. 7
подраздела 2.2, связанного с определением выходного сопротивления 
(2.17) ЭП:
6. Сравнивают
полученный путем перемножения коэффициентов передачи ДУ для дифференциального
сигнала
, формирователя
амплитуды и ЭП . Результирующий
коэффициент передачи ОУ 
(2.62) сравнивают с
заданным 
с учетом
производственного запаса:
Как видно из полученных
данных, больше 
, откуда следует, что
заданный коэффициент передачи ОУ успешно достигнут с производственным запасом
примерно в 
раза.
3.
Расчет параметров амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик и
элементов их коррекции
усилитель дифференциальный
микроэлектронный
1. Задаваясь
номинальными значениями коллекторной емкости
и емкости
коллектор-подложка 
всех участвующих в
формировании АЧХ транзисторов в пределах от 1 до 3 
, а емкости база-эмиттер
- в интервале от 10 до
30 пФ, рассчитывают входные динамические емкости повторителя на транзисторе Т13
(2.63) и формирователя
амплитуды 
(2.64) и находят
емкость 
(2.65) и активную
проводимость 
(2.66), на основании
которых определяют частоту среза 
(2.67):
;
;
2. Используя
расчетную величину выходного сопротивления первого каскада 
и определяя входное
сопротивление второго каскада 
(2.68) формирователя
амплитуды, рассчитывают емкость 
(2.69) и активную
проводимость 
(2.70) эквивалентной
схемы формирователя амплитуды и находят его частоту среза (2.71):
3. С помощью
найденных частот среза 
и 
и коэффициентов
передачи 
рассчитывают частоты 
(2.72) и 
(2.73) и строят в
двойном логарифмическом масштабе АЧХ и в полулогарифмическом масштабе ФЧХ ДУ и
формирователя амплитуды, а затем частоту единичного усиления 
(2.74), АЧХ и ФЧХ ОУ в
целом:
Формулы для построения АЧХ и ФЧХ.
Графики приведены в приложении:
4. Определяют
частоту среза 
(2.79) оптимально
скорректированной АЧХ, удовлетворяющей требованиям устойчивой работы ОУ с цепью
ООС произвольной глубины, на основании которой с использованием эквивалентной
активной проводимости (2.66) рассчитывают
эквивалентную емкость коррекции 
(2.80):
5. По полученной
эквивалентной емкости коррекции (2.80) и коэффициенту
передачи формирователя амплитуды
производят расчет емкости корректирующего конденсатора 
(2.81), на основании
которого и величины тока ДУ оценивают скорость
нарастания выходного напряжения 
(2.82) ОУ:
6. В заключение строят
нормированную оптимально скорректированную АЧХ (2.83) ОУ и его результирующую
ФЧХ (2.84):
Заключение
В данной работе был произведен
расчет принципиальной схемы операционного усилителя на примере усилителя
К14ОУД7. Рассчитанная схема обладает приемлемыми характеристиками с небольшим
производственным запасом и вполне пригодна для последующего интегрального
исполнения, особенности которого были учтены в рамках настоящего курсового
проекта.
Особенностью спроектированного
усилителя является то, что для коррекции АЧХ и обеспечения устойчивой работы
операционного усилителя применен один конденсатор небольшой емкости, который
можно выполнить на подложке интегральной схемы. В курсовой работе разработана
принципиальная схема операционного усилителя. Входной каскад ОУ представляет
собой дифференциальный усилитель с симметричным входом и несимметричным
выходом. Такое схемное решение имеет хорошие частотные свойства и высокое
входное сопротивление.
Существенным достоинством такого
схемного решения является отсутствие влияния модуляции ширины базы на
напряжение смещения. Это объясняется тем, что входные транзисторы в этой схеме
все время работают при одном и том же напряжении на коллекторе и через них
протекает одинаковый ток. Кроме того, наличие в схеме каскада с общей базой на
транзисторе p-n-p типа, включенного последовательно с входными транзисторами,
обуславливает более высокое входное сопротивление.
Литература
1. Проектирование аналоговых микроэлектронных устройств: учеб.
пособие / В.Л. Свирид. - Минск: БГУИР, 2010. - 296 с: ил.
2. Попов Э.Г., Свирид В.Л. Методическое пособие по
дипломному проектированию для студентов специальности «Радиотехника». - Мн.:
БГУИР, 2000. - 38 с., ил.
. Алексенко, А.Г. Основы микросхемотехники / А.Г. Алексенко
- 3-е изд., перераб. и доп. - М.:ЮНИМЕДИАСТАЙЛ, 2002. - 448 с.
. Попов Э.Г., Свирид В.Л. Методическое пособие по
дипломному проектированию для студентов специальности «Радиотехника». - Мн.:
БГУИР, 2000. - 38 с.