Собираем операционный усилитель на транзисторах

Когда возникает потребность построения интегрального ОУ
на дискретных элементах?

Казалось бы, в условиях существующего ассортимента промышленно выпускаемых операционных усилителей проблем с подбором компонента, имеющего подходящие параметры, возникать не должно. Однако не всё так просто, как хотелось бы! А в качестве иллюстрации можно привести ситуацию, в которой к ОУ одновременно предъявляются следующие требования: доступная цена, низкое энергопотребление, приемлемые искажения, высокое входное сопротивление и недюжинные шумовые характеристики.
Такими параметрами, к примеру, должны обладать входные каскады, используемые в гитарных примочках, обладающих высоким коэффициентом усиления сигнала (типа distortion-overdrive, compressor и т. д.).

Применяемые в фабричных устройствах данного типа интегральные микросхемы можно разместить по популярности приблизительно в следующем порядке: TL072, NE5532, LF353, NJM4558, M5218.

TL072 – это операционник с полевыми транзисторами на входе, что позволяет его подключать непосредственно к звукоснимателю электрогитары, характеристическое сопротивление которого исчисляется десятками килоом. Помимо этого, он имеет относительно низкое потребление тока (около 2-х с небольшим мА на канал), однако его шумовые характеристики в 15 nV/√Hz оставляют желать значительно лучшего.

NE5532 имеет эквивалентный шум уже поменьше – 5 nV/√Hz, однако наличие биполярных транзисторов на входе вынуждают использовать истоковый повторитель для согласования со звукоснимателем, который, хочешь не хочешь, но добавляет свои пару nV/√Hz. К тому же потребление тока в районе 10 мА на канал делает этот ОУ не слишком желательным для использования в аппаратуре с батарейным или аккумуляторным питанием.

Таким образом можно поочерёдно перебирать любой операционник, используемый в подобных устройствах, и каждый из них будет обладать своими теми или иными недостатками. В связи с этим, несмотря на некоторое усложнение схемотехники, зачастую более рациональным оказывается применение дискретного аналога вместо готового интегрального ОУ. При этом, выбирая различные компоненты и схемотехнические построения, создаётся возможность акцентировать внимание на тех или иных параметрах, будь то: быстродействие, шумы, потребление и т. д. и т. п.

Для примера приведём схему аналога операционного усилителя, выполненного на транзисторах и оптимизированного с учётом: простоты построения, минимального шума, высокого Rвх, относительно низкого потребления, приемлемых искажений, а также (по возможности) максимального размаха выходного напряжения (Рис.1).

Рис.1 Схема простого малошумящего аналога ОУ на транзисторах

В приведённой схеме используется классическое, хотя и несколько упрощённое построение операционного усилителя.

На полевых транзисторах Т1 и Т3 выполнен дифференциальный усилительный каскад, нагруженный на простое токовое зеркало (D1, T2).

Каскад с общим эмиттером на транзисторе Т4 служит для дополнительного усиления сигнала, поступающего с выхода диф. каскада, а его нагрузкой является двухтактный повторитель напряжения на транзисторах Т5, Т6, предназначенный для снижения выходного сопротивления ОУ. Этот повторитель в значительной степени определяет ток потребления всего усилителя. При желании увеличить экономичность ОУ можно снизить ток, протекающий через повторитель, посредством увеличения номинала R5, однако в этом случае понизится и нагрузочная способность усилителя.

Корректирующий конденсатор С1 формирует амплитудно-частотную характеристику ОУ для получения заданного запаса устойчивости по фазе.

Испытания и съём характеристик будем проводить при неинвертирующем включении аналога ОУ и однополярном источнике питания напряжением +9V (Рис.2).

Рис.2 Схема включения аналога ОУ в неинвертирующем включении

Резисторы R2 и Rос определяют коэффициент усиления ОУ. Здесь всё по классике – Ku = 1 + Rос/R2. При этом величину резистора R2 не следует выбирать значительно больше указанного номинала (1 кОм), т. к. в противном случае мы получим на входе источник шума, превышающий собственные шумы усилителя.

В зависимости от выбранного коэффициента усиления, а также качества монтажа, для сохранения устойчивости может потребоваться включение конденсатора Сос параллельно резистору Rос. Его номинал, как правило, выбирается в диапазоне от нескольких пикофарад до 47 пФ.

Характеристики усилителя напряжения на аналоге ОУ:

В случае использования VHF/UHF транзисторов (например, 2SK241 и КТ363) по схеме, приведённой на Рис.1, можно построить аналог ОУ с частотой единичного усиления, составляющей несколько сотен мегагерц. Само собой разумеется, что токи покоя всех каскадов при этом придётся в несколько раз увеличить, а номиналы корректирующих конденсаторов уменьшить.