3. L'ampli amplificador típic
ACTUAL - 3. El típic amplificador operatiu
ANTERIOR- 2. Desplaçadors de nivellL'ampli amplificador típic
La majoria dels amplificadors operacionals estan dissenyats i construïts d'acord amb el diagrama de blocs que es mostra a la figura 8.
Figura 8: configuració típica d’un amplificador d’opcions
L'amplificador diferencial i l'etapa de guany de tensió són les úniques etapes que proporcionen el guany de tensió. L’amplificador diferencial també proporciona el CMRR que és tan important en l’opper-amp. La sortida de l’amplificador diferencial es connecta sovint a un seguidor emissor amb una resistència emissora gran per tal de proporcionar una càrrega d’impedància alta a l’amplificador diferencial per tal d’obtenir un guany elevat. Recordeu que un amplificador emissor comú amb alt rendiment pateix una impedància d’entrada molt menor que un amplificador CE de guany moderat. Això permet l’ús d’un amplificador CE de gran guany per proporcionar el guany addicional. Els op-amplis lineals són acoblats directament a proporcionar ac guany. Això també elimina la necessitat d’un condensador d’acoblament massa gran per poder col·locar-lo en un xip IC. Es requereix un canvi de nivell per assegurar que el senyal de sortida no té cap dc compensar. Els amplificadors operatius es poden modelar amb molta precisió mitjançant la simulació de circuits. Ho demostrarem mitjançant la simulació de circuits en línia de TINACloud.
3.1 Packaging
Els circuits d’amplificadors d’opció s’embalen en paquets IC estàndard, incloent llaunes, paquets d’una en línia (DIP) i paquets plans. Cadascun d’aquests paquets té almenys vuit agulles o connexions. Es mostren a les figures 9, 10 i 11.
Figura 9 - Connexió de l'amplificador op per al paquet de pot (vista superior)
Figura 10 - Connexió d'amplificador operatiu DIP de 14 pins (vista superior)
Figura 11: connexió d'amplificador opcional per a paquets plans 10-pin (Vista superior)
Quan es construeix un circuit, és important identificar correctament els diferents cables (normalment no estan numerats). Les xifres il·lustren la ubicació del pin 1. A la pàgina pot empaquetar A la figura 9, el pin 1 s'identifica com el primer pin a l'esquerra de la pestanya i els pins es numeren consecutivament en sentit antihorari des de la part superior. A la pàgina paquet en línia dual A la figura 10, la part superior del paquet té un sagnat per localitzar el pin 1 i els pins estan numerats a l’esquerra i cap amunt a la dreta. Tingueu en compte que més d’un op-amp (normalment 2 o 4) s’embalen en un DIP.
A la paquet pla de la figura 11, el pin 1 s'identifica mitjançant un punt i els pins estan numerats com al DIP.
Requisits d'energia de 3.2
Molts op-amps requereixen una font de tensió negativa i positiva. Les fonts de tensió típiques oscil·len entre ± 5 V i ± 25 V. Figura 12 mostra les connexions de subministrament típics a l'amplificador.
El voltatge de sortida màxim és limitat pel dc tensió subministrada a l'amplificador operatiu. Alguns amplificadors operatius es poden operar des d’una única font de tensió. Les especificacions del fabricant defineixen els límits d’operació en aquells casos en què l’amplificador operatiu només utilitza una font d’alimentació.
Figura 12: connexions d'alimentació
El voltatge de sortida màxim és limitat pel dc tensió subministrada a l'amplificador operatiu. Alguns amplificadors operatius es poden operar des d’una única font de tensió. Les especificacions del fabricant defineixen els límits d’operació en aquells casos en què l’amplificador operatiu només utilitza una font d’alimentació.
3.3 Op-amp 741
L'amplificador op μA741 s'il·lustra al circuit equivalent de la figura 13. Ha estat produïda des de 1966 per la majoria de fabricants d’IC, i encara que hi ha hagut molts avenços des de la seva introducció, el 741 segueix sent àmpliament utilitzat.
Figura 13: l’amplificador 741
L’amplificador opcional 741 té compensació interna que es refereix a la xarxa RC que fa que la resposta d'amplitud d'alta freqüència caigui. Com que l’amplificador té un guany elevat (segons l’ordre de 10)4 a 105 a baixes freqüències) i perquè les capacitats parasitàries dels transistors permeten retroalimentació parasitària, l’amplificador es tornaria inestable i oscil·laria si no fos per la compensació interna. Dos amplificadors de diferència en cascada condueixen un amplificador de potència de simetria complementari a través d'un altre amplificador de tensió.
L'amplificador opcional 741 consta de tres etapes: un amplificador diferencial d'entrada, un amplificador intermedi de gran guany d'alta intensitat i un amplificador de memòria intermèdia de sortida. Un altre circuit important per al seu funcionament és un canvi de nivell per canviar la dc nivell del senyal de manera que la sortida pugui oscil·lar tant amb positius com amb negatius, per proporcionar corrents de referència als diferents amplificadors i circuits que protegeixen l’amplificador de curtcircuits a la sortida. El 741 és compensat internament mitjançant una xarxa de resistències de condensadors en xip.
L’amplificador op és millorat afegint més etapes d’amplificació, aïllant els circuits d’entrada i afegint més seguidors d’emissor a la sortida per disminuir la impedància de sortida. Altres millores comporten un augment del CMRR, una major impedància d’entrada, una resposta de freqüència més àmplia, una disminució de la impedància de sortida i un augment de la potència.
Circuits de biaixos
Es poden veure diverses fonts constants a l’amplificador 741 de la figura 13. Transistors Q8 i Q9 són la font actual de IEE del amplificador diferencial format per Q1, Q2, Q3i Q4. Transistors Q5, Q6i Q7, són les càrregues actives que substitueixen la RC resistències de l’amplificador diferencial. Transistors Q10, Q11i Q12 formen la xarxa de polarització de les fonts de corrent de l'amplificador diferencial. Transistors Q10 i Q11 formeu una font de corrent Widlar per a aquesta xarxa de polarització amb els altres transistors que actuen com a mirall de corrent.
Protecció contra curtcircuits
El circuit 741 inclou una sèrie de transistors que normalment es tallen i es duen a terme només en cas que existeixi un corrent gran a la sortida. El biaix dels transistors de sortida es canvia per reduir aquest corrent a un nivell acceptable. En el circuit de la figura 13, aquesta xarxa de protecció contra curtcircuits es compon de transistors Q15 i Q22 i resistència R11.
Etapa d’entrada
La fase d’entrada de l’amplificador opcional 741 és necessària per proporcionar un augment de tensió, un canvi de nivell i una sortida d’un amplificador diferencial únic. La complexitat del circuit provoca un error de tensió de desplaçament gran. A diferència d’aquest, l’amplificador diferencial carregat de resistència estàndard produeix menys error de tensió. No obstant això, l’amplificador estàndard té un guany limitat, la qual cosa significa que es necessitarien més etapes per aconseguir l’amplificació desitjada. Els amplificadors diferencials carregats amb resistència s’utilitzen en op-amplificadors que tenen menys deriva de tensió que la 741.
Els BJT utilitzats en l’etapa d’entrada requereixen corrents de biaix grans, que introdueixen problemes de corrent de compensació. Per reduir l’error de corrent offset, altres tipus d’amplificadors operatius utilitzen MOSFET a l’etapa d’entrada.
La fase d’entrada del 741 és un amplificador diferencial amb una càrrega activa formada per transistors Q5, Q6i Q7 i resistències R1, R2i R3. Aquest circuit proporciona una elevada càrrega de resistència i converteix el senyal de diferencial en un sol acabat sense degradació de guany o relació de rebuig en mode comú. La sortida d’un sol final es pren del col·lector de Q6. El canvi de nivell d'etapa d'entrada consisteix en laterals pnp transistors, Q3 i Q4, que estan connectats en una configuració de base comuna.
Ús dels transistors laterals, Q3 i Q4, resulta en un avantatge afegit. Ajuden a protegir els transistors d’entrada, Q1 i Q2, contra la ruptura de la unió emissor-base. La unió emissor-base d'un npn el transistor es descomposarà quan el biaix invers és superior a 7 V. La transició lateral del transistor no es produeix fins que el biaix invers sigui superior a 50 V. Atès que els transistors són en sèrie amb Q1 i Q2, augmenta la tensió de trencament del circuit d’entrada.
Etapa intermèdia
Les etapes intermèdies de la majoria dels op-amps proporcionen un alt guany a través de diversos amplificadors. A la 741, la sortida finalitzada de la primera etapa està connectada a la base de Q16 que es troba en una configuració de seguidor d’emissor. Això proporciona una elevada impedància d’entrada al nivell d’entrada que minimitza la càrrega. L'etapa intermèdia també consta de transistors Q16 i Q17, i resistències R8 i R9. La sortida de l’etapa intermèdia es pren del col·lector de Q17, i subministrat a Q14 mitjançant un divisor de fase. El condensador de la 741 s'utilitza per a la compensació de freqüències que es discuteix en els capítols següents d'aquest text.
Etapa de sortida
L'etapa de sortida d'un amplificador operacional és necessària per proporcionar un guany de corrent elevat a una impedància de sortida baixa. La majoria dels amplificadors operatius utilitzen una etapa de sortida de simetria complementària per augmentar l’eficiència sense sacrificar el guany de corrent. L'eficiència màxima assolible per a l'amplificador de simetria complementària de classe B és del 78%. L’amplificador de sortida d’un sol extrem té una eficiència màxima de només un 25%. Alguns amplificadors d'operacions utilitzen la simetria complementària de parells Darlington per augmentar la seva capacitat de sortida. L'etapa de sortida de simetria complementària del 741 consta de Q14 i Q20.
Les resistències petites, R6 i R7, proporciona una limitació de corrent a la sortida. La parella de Darlington, Q18 i Q19, s’utilitza en lloc del díode en l’etapa de sortida de simetria complementària compensada per díodes, com es descriu al capítol 8. La configuració de parells de Darlington és preferible sobre els dos transistors connectats com a díode, ja que es pot fabricar en una àrea més petita. La font actual que substitueix la resistència de biaix en el circuit de simetria complementària es realitza mitjançant una part del transistor Q13. Transistors Q22, Q23i Q24 formen part d’una disposició de canvi de nivell que assegura que la tensió de sortida està centrada al voltant de l’eix zero.
ACTUAL - 3. El típic amplificador operatiu