Операционный усилитель должен быть усилителем постоянного тока (УПТ) с высоким коэффициентом усиления по напряжению и, следовательно, содержать несколько каскадов усиления напряжения. Как будет показано далее, с ростом числа каскадов усиления напряжения увеличивается опасность нарушения устойчивости ОУ с обратными связями и усложняются цепи коррекции. Даже усилители с тремя каскадами усиления напряжения (например, 140УД2, 153УД1, 551УД1) имеют сложные схемы включения, и разработчики стараются их не применять. Это вызывает необходимость применения усилительных каскадов с очень высоким коэффициентом усиления по напряжению. Большие трудности проектирования усилителей постоянного тока связаны также со смещением нуля ОУ.
Смещение нуля ОУ проявляется в том, что при входном дифференциальном напряжении, равном нулю, выходное напряжение не равно нулю. Обычно определяют смещение нуля, приведенное к входу, как такое дифференциальное напряжение, которое нужно приложить к входу усилителя, чтобы его выходное напряжение было бы равно нулю. Смещение нуля является аддитивной погрешностью выполнения математических действий ОУ над входными сигналами. Смещение нуля может иметь существенные температурный и временной дрейфы. Операционные усилители на дискретных транзисторах имели неудовлетворительное смещение нуля, связанное с неидентичностью транзисторов. Только применение и усовершенствование интегральной технологии, позволившей изготавливать парные транзисторы дифференциального каскада в едином производственном цикле и на расстоянии несколько микрон друг от друга, привело к существенному снижению смещения нуля и дрейфов.
Первый каскад определяет важнейшие точностные параметры ОУ, такие, как напряжение смещения нуля, коэффициент ослабления синфазной составляющей, входные токи и входное сопротивление, поэтому он выполняется по схеме дифференциального усилителя (рис. 1.5).
Каскад дифференциального усилителя (см. рис. 1.5) создает большое усиление по напряжению для разностных сигналов, приложенных между его входами; в то же время усиление синфазных напряжений, общих для обоих входов, гораздо меньше. В результате полезные дифференциальные сигналы усиливаются при незначительном влиянии синфазных помех. Подобные помехи часто возникают вследствие падения напряжения источника сигнала в длинных линиях связи или от наводок, но они, как будет показано далее, сильно ослабляются дифференциальным каскадом. Дифференциальный каскад обеспечивает также развязку величин напряжений рабочих точек по входу и выходу благодаря своим синфазным характеристикам. Из-за малости синфазного усиления большие изменения синфазного сигнала на входах незначительно изменяют режим выходных цепей. Вследствие этого ДУ часто называют балансным или разностным (усилитель разницы между двумя сигналами, поданными на вход ДУ).
Если UВХL = UВХ2, т.е. изменения входных сигналов совпадают по фазе и одинаковы по амплитуде, то токи в плечах ДУ постоянны, равны и
UВЫХL = UВЫХ2 = UП+– IГ R1/2.
Дифференциальный усилитель тем лучше, чем меньшее изменение
DUВЫХ.С = UВЫХ1 – UВЫХ2
вызывает изменение
UВХL (UВХL = UВХ2).
В реальном ДУ из-за разбаланса плеч, т.е. разброса параметров резисторов и транзисторов, а также конечного значения выходного сопротивления генератора тока I, при
UВХ.С = UВХ1 = UВХ2
имеем
DUВЫХ ≈ 0.
Отношение
DUВЫХ.С/UВХ.С
называется коэффициентом усиления синфазного сигнала (КUC).
Если
UВХL – UВХ2 = UВХ.Д ¹ 0,
т.е. на вход ДУ подано дифференциальное напряжение UВХ.Д, то происходит перераспределение токов между плечами каскада, но сумма токов
Il + I2 = I
остается постоянной.
Значение крутизны усиления ДУ
S = dI / dUВХ.Д,
для дифференциального выхода равно 1/2jт.
Следовательно, коэффициент усиления дифференциального сигнала равен:
KUД = SRК = IRК/2jт,
где jт = 
– температурный потенциал прямосмещё
нного эмиттерного перехода.
Как видно из выражения для KU, его можно увеличить, увеличив ток I и сопротивление нагрузки. Однако в первом случае увеличивается входной ток ДУ:
IВХ = I/h21Э,
где h21Э – коэффициент передачи базового тока транзистора, что нежелательно, так как уменьшается входное сопротивление ДУ. Во втором случае увеличивается площадь резисторов на кристалле и возрастает требуемое напряжение питания (UП+) для сохранения активного режима работы транзисторов VT1, VT2, что также недопустимо.
Решением проблемы является замена резисторной нагрузки транзисторной нагрузкой. Простейшую схему транзисторной нагрузки (рис. 1.6) называют отражателем тока, или токовым зеркалом. Ток в отражателе задается по цепи транзистора VТa. Если транзисторы идентичны, а h21Э® ¥, то справедливо равенство:
UЭБ.a = jт
= UЭБ.б = jт ∙ ln
,
где UЭБ.а и UЭБ.б – соответственно падения напряжения на эмиттерно-базовых переходах транзисторов VTa и VТб.
Очевидно, что записанное равенство справедливо при Il = I2. Структура ДУ с активной транзисторной нагрузкой, подключаемой в точках А и Б схемы (см. рис. 1.6) вместо резисторов, является основой в ОУ. Использование токовых зеркал в качестве динамической нагрузки дифференциального каскада и в качестве источника тока в цепи эмиттеров позволяет получить коэффициент усиления входного дифференциального напряжения на одном каскаде свыше 5 000 (при условии, что нагрузка на выходе усилителя отсутствует) и КОСС свыше 100 000 (100 дБ).
Коэффициент ослабления синфазного сигнала определяется из выражения:
КОСС = KUД/KUС
или (в децибеллах)
KOCC = 20 ∙ lg
.
Для идеального операционного усилителя KUС = 0. Однако в реальном операционном усилителе KUС ≠ 0, хотя и достаточно мало. Неидеальность ОУ объясняется неполным согласованием параметров парных компонентов, и, в первую очередь, – во входном ДК.
Для задания тока (I) в ДУ используются транзисторные генераторы тока (ГТ). Одна из наиболее распространенных в аналоговых микросхемах структура ГТ (рис 1.7), по существу, – модифицированная схема отражателя тока, в которой транзистор VTa заменен резистором R, а VT2 включен в цепь ОС. Выходом ГТ является коллектор транзистора VT2, ток через который равен:
I2 = UЭ.Б1/R,
где UЭБ1 = jт ∙ln(I1/Iк.о).
Выходное сопротивление такого ГТ изменяется от 5·102 до 103 кOм в зависимости от значения I2 и параметров транзисторов. Ток I2 в схеме (см. рис. 1.7) является током I схемы (см. рис. 1.5), а ток I1 задаётся от источника питания ОУ через резистивные или транзисторные цепи.
В схеме (см. рис. 1.7):
I2 = UЭБ1/R,
где UЭБ1 = jт ln(I1/Iк.о). Выходной ток схемы почти повторяет входной, почему эта схема и называется токовым зеркалом. Использование токовых зеркал в качестве динамической нагрузки дифференциального каскада и в качестве источника тока в цепи эмиттеров позволяет получить коэффициент усиления входного дифференциального напряжения на одном каскаде свыше 5 000 (при условии, что нагрузка на выходе усилителя отсутствует) и КОСС свыше 100 000 (100 дБ).
