Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Манжула В. Г.,
4.1 Микросхема мощного операционного усилителя с системой комплексной защиты
Предложенные методы построения и структурные схемы универсальных перестраиваемых операционных усилителей (рис.3.1) легли в основу разработанной микросхемы мощного операционного усилителя. В состав данной микросхемы входит система комплексной защиты, предотвращающая выход из строя элементов микросхемы при возникновении аварийных режимов. Мощные элементы ОУ защищены быстродействующей системой защиты, позволяющей повысить функциональную надежность микросхемы и уровень пиковой мощности, отдаваемой в нагрузку.
Принципиальная электрическая схема микросхемы мощного операционного усилителя представлена на рис.4.1. Входной каскад VT18-VT19, R19, R20 построен на основе дифференциального каскада (рис.3.5,а); к его выходу подключена активная нагрузка VТ21A, VT23, VT24, R22, R23. Элементы VT22A, VT21 предотвращают насыщение транзисторов активной нагрузки. Рабочую точку транзистора VT21A определяют токозадающие элементы VT25, VT26, R21, подключенные к опорному напряжению Uв. (Uэ9). Дифференциальный каскад развязан от входных клемм при помощи эмиттерных повторителей VT11,VT12, а от выходного каскада - при помощи согласующего каскада VT22, статический режим по току данных узлов определяется токозадающими элементами VT13, VТ14, VT27, R14, R15, R16. Источник тока VT15-VT17, R17, R18 определяет рабочую точку дифференциального каскада.
.
Выходной каскад, работающий в режиме супер-А (рис.3.12,3.13), состоит из дифференциального усилителя VТ38, VT41, формирующего противофазные сигналы управления для мощных элементов VT52, VT53 и VT45.VT46; первого узла смещения VT36-VT40, R33, RN6; второго узла смещения VT42-VT44, R35, R36, R51. Сигнал управления выходным каскадом поступает на базу транзистора VT38. Другой вход дифференциального усилителя подключен к источнику опорного напряжения VT35, R29, R30. Элементы VT20, R24A, R52, подключенные к опорному напряжению Uв, предотвращают режим перегрузки дифференциального каскада.
.
Значение сквозного тока мощных элементов при втекающем токе нагрузки задается резистором R31 первого узла смещения на уровне примерно 1 мА. Величина сквозного тока, при вытекающем токе нагрузки, определяется соотношением резисторов R35, R36 второго узла смещения и также соответствует 1 мА. Выходной каскад питается от многоканального источника тока VT29-V!T34,R25-R28,R53,R54, использующего компенсационную стабилизацию выходного тока. В нем в качестве опорного используется напряжение Uв.
Корректирующие цепи, включающие элементы R24A, C5 и R32, С6, позволяют получить идентичные ЛАЧХ для втекающего и вытекающего токов нагрузки. Результирующая ЛАЧХ выходного каскада корректируется цепью С1-С4, R50. Данный способ коррекции позволяет добиться устойчивости всего усилителя с цепями отрицательной обратной связи без применения внешних корректирующих звеньев.
Цепи защиты VT53-VT55, R37, R38, R42, С7 и VT46-VT48, R44, R45, R48, С8 предотвращают разрушение соединительных проводников между, кристаллом микросхемы и корпусом, когда другие цепи защиты не ограничили выходной ток на допустимом уровне.
Узел задания статического режима схемотехнически интегрирован с тепловой защитой и защитой от недопустимого снижения и повышения напряжения питания усилителя VT1-VT10, VT56, VT57, R1-R13, R55-R59, VD1-VD6. Выходные напряжения Uв(Uэ9) и Uz (Uэ9) используются источниками тока в качестве опорных и питают отдельные функциональные элементы усилителя.
При напряжении питания ниже заданного рабочего диапазона напряжения UZ и UB близки к нулю, источники тока обесточены и усилитель не функционирует. При превышении максимального предела питающего напряжении и при срабатывании тепловой защиты источники тока также обесточиваются, усилитель отключается, а через транзисторы VT56. VT57 протекают токи утечки мощных транзисторов. Элементы VT56, R60 исключают инверсный режим работы транзисторов выходного каскада при срабатывании элементов защиты. Датчиком температуры служит эмиттерный переход транзистора VT6. Пороги срабатывания защит от снижения и превышения напряжения питания определяются суммарными напряжениями пробоя стабилитронов VD1, VD2, VD3-VD6, отношением резисторов R10, R13 и составляют 12 В и 50 В соответственно.
Защиту от перегрузок по току, мощности и температуре мощных элементов операционного усилителя осуществляет быстродействующая функционально-интегрированная система защиты (рис.4.2), реализованная на основе функциональной схемы (рис.2.8,а).
.
Данная система построена для каждого мощного элемента усилителя (на схеме это транзисторы VT21,VT23). Датчиком температуры мощного элемента служит транзистор VT22. Усилитель VT&,VT8, VT12-VT18 ограничивает сигнал управления мощного элемента при нагреве его до температуры около 250°С, тогда как тепловая защита основной схемы срабатывает при температуре около 170 °С. Таким образом обеспечивается более полное использование силовых транзисторов по мощности.
Резистор R2 определяет значение выходных токов источника VT1-VT6, R1-R4, питающего основные функциональные узлы схемы. Низкие токи коллекторов транзисторов VT-9,VT10, выбранных в соотношении 1/18 к току коллектора транзистора VT11, и инверсное включение транзисторов VT14, VT16 позволяет использовать диффузионный конденсатор С1 емкостью 10 пФ, обеспечивающий устойчивость данной подсхемы.