3. Typický operační zesilovač
AKTUÁLNÍ - 3. Typický operační zesilovač
PREVIOUS- 2. PosuvníkyTypický operační zesilovač
Většina operačních zesilovačů je navržena a zkonstruována v souladu s blokovým schématem znázorněným na obrázku 8.
Obrázek 8 - Typická konfigurace operačního zesilovače
Diferenciální zesilovač a stupeň zesílení napětí jsou jedinými stupni, které poskytují zesílení napětí. Diferenciální zesilovač také poskytuje CMRR, který je tak důležitý v operačním zesilovači. Výstup diferenciálního zesilovače je často spojen s emitorovým sledovačem s velkým emitorovým rezistorem tak, aby bylo dosaženo vysokého impedančního zatížení diferenciálního zesilovače, aby se dosáhlo vysokého zisku. Nezapomeňte, že zesilovač s vysokým ziskem a společným emitorem trpí mnohem nižší vstupní impedancí než zesilovač střední úrovně CE. To pak umožňuje použití zesilovače s vysokým ziskem CE, který poskytuje dodatečný zisk. Lineární op-zesilovače jsou spojeny přímo ac získat. To také eliminuje potřebu příliš velkého kondenzátorového kondenzátoru pro umístění na čip IC. Aby se zajistilo, že výstupní signál nebude mít žádný signál, je nutné použít řadiče úrovně dc offset. Operační zesilovače lze velmi přesně modelovat simulací obvodů. Ukážeme to pomocí online simulace obvodu TINACloud.
3.1 Balení
Obvody Op-amp jsou baleny ve standardních IC balíčcích, včetně plechovek, duálních balíčků (DIP) a plochých balení. Každý z těchto balíčků má nejméně osm pinů nebo spojení. Jsou znázorněny na obrázcích 9, 10 a 11.
Obrázek 9 - Op-amp připojení pro can can (pohled shora)
Obrázek 10 - Připojení operačního zesilovače 14kolíkový DIP (pohled shora)
Obrázek 11 - Op-amp připojení pro 10-pin flat pack (pohled shora)
Při konstrukci obvodu je důležité správně identifikovat různé vodiče (obvykle nejsou číslovány). Obrázky znázorňují umístění čepu 1. V může balit Obrázek 9, pin 1 je identifikován jako první pin nalevo od karty a kolíky jsou číslovány postupně proti směru hodinových ručiček při pohledu shora. V dvojitý in-line balíček na obrázku 10, horní část balíčku má odsazení pro vyhledání pin 1 a kolíky jsou číslovány dolů vlevo a vpravo nahoře. Všimněte si, že více než jeden operační zesilovač (typicky 2 nebo 4) je balen v jednom DIP.
v ploché balení Obrázek 11, pin 1 je označen tečkou a kolíky jsou číslovány jako v DIP.
3.2 Požadavky na napájení
Mnoho operačních zesilovačů vyžaduje záporný i kladný zdroj napětí. Typické zdroje napětí se pohybují v rozmezí od ± 5 V do ± 25 V. Obrázek 12 ukazuje typická připojení napájecího zdroje k operačnímu zesilovači.
Maximální výkyv výstupního napětí je omezen dc napětí dodávané do operačního zesilovače. Některé operační zesilovače lze provozovat z jednoho zdroje napětí. Specifikace výrobce definují provozní limity v případech, kdy operační zesilovač používá pouze jeden napájecí zdroj.
Obrázek 12 - Připojení napájení
Maximální výkyv výstupního napětí je omezen dc napětí dodávané do operačního zesilovače. Některé operační zesilovače lze provozovat z jednoho zdroje napětí. Specifikace výrobce definují provozní limity v případech, kdy operační zesilovač používá pouze jeden napájecí zdroj.
3.3 Operační zesilovač 741
Operační zesilovač μA741 je znázorněn v ekvivalentním obvodu na obrázku 13. To bylo produkováno od 1966 většinou IC výrobci, a ačkoli tam bylo mnoho záloh od jeho zavedení, 741 je ještě široce použitý.
Obrázek 13 - Operační zesilovač 741
Operační zesilovač 741 má vnitřní kompenzace což se týká RC sítě, která způsobuje, že odezva vysokofrekvenční amplitudy klesá. Protože zesilovač má vysoký zisk (na objednávku 10)4 na 105 při nízkých frekvencích) a protože parazitní kapacity v tranzistorech umožňují parazitní zpětná vazba, operační zesilovač by se stal nestabilním a osciloval, kdyby nebyl pro vnitřní kompenzaci. Dva kaskádové diferenční zesilovače pohánějí komplementární zesilovač symetrie prostřednictvím jiného zesilovače napětí.
Operační zesilovač 741 se skládá ze tří fází: vstupního diferenciálního zesilovače, mezilehlého zesilovače s vysokým ziskem a výstupního vyrovnávacího zesilovače. Dalším důležitým obvodem pro jeho provoz je řazení posunu dc úroveň signálu tak, že výstup může houpat kladné i záporné, zkreslené obvody pro poskytování referenčních proudů do různých zesilovačů a obvodů, které chrání operační zesilovač před zkraty na výstupu. 741 je interně kompenzován pomocí čipové kondenzátorové odporové sítě.
Operační zesilovač je dále vylepšen přidáním více stupňů zesílení, izolováním vstupních obvodů a přidáním dalších sledovačů emitoru na výstup, aby se snížila výstupní impedance. Další zlepšení mají za následek zvýšení CMRR, vyšší vstupní impedanci, širší frekvenční odezvu, sníženou výstupní impedanci a zvýšený výkon.
Biasové obvody
V systému 741 op-amp na obrázku 13 lze vidět několik konstantních zdrojů. Tranzistory Q8 a Q9 jsou aktuální zdroj pro IEE diferenciálního zesilovače tvořeného Q1, Q2, Q3, a Q4. Tranzistory Q5, Q6, a Q7jsou aktivní zatížení nahrazující RC odpory diferenciálního zesilovače. Tranzistory Q10, Q11, a Q12 tvoří zkreslenou síť pro zdroje proudu diferenciálního zesilovače. Tranzistory Q10 a Q11 tvoří Šířkový zdroj proudu pro tuto síť předpětí s ostatními tranzistory působícími jako aktuální zrcadlo.
Ochrana proti zkratu
Obvod 741 obsahuje řadu tranzistorů, které jsou normálně odříznuty a prováděny pouze v případě, že na výstupu existuje velký proud. Předpětí na výstupních tranzistorech se pak změní, aby se tento proud snížil na přijatelnou úroveň. V obvodu podle obr. 13 se tato zkratová ochranná síť skládá z tranzistorů Q15 a Q22 a odpor R11.
Vstupní fáze
Vstupní fáze operačního zesilovače 741 je nutná pro zajištění zesílení napětí, posunu hladiny a výstupu s jedním koncovým diferenciálním zesilovačem. Složitost obvodu způsobuje velkou odchylku napětí. Na rozdíl od tohoto, standardní diferenciální zesilovač zatížený odporem způsobuje menší odchylku napětí. Standardní zesilovač má však omezený zisk, což znamená, že pro dosažení požadovaného zesílení bude zapotřebí více stupňů. Odporové zesilovače se používají v operačních zesilovačích, které mají menší napěťový drift než 741.
BJT používané ve vstupní fázi vyžadují velké předpětí, což představuje problémy s posunem proudu. Chcete-li snížit odchylku proudu chyba, jiné typy operačních zesilovačů použít MOSFETs ve vstupní fázi.
Vstupní fáze 741 je diferenciální zesilovač s aktivním zatížením tvořeným tranzistory Q5, Q6, a Q7 a odpory R1, R2, a R3. Tento obvod poskytuje vysoké odporové zatížení a převádí signál z diferenciálního na jednostranný bez degradace poměru zesílení nebo odmítnutí běžného režimu. Jednostranný výstup je odebírán z kolektoru Q6. Posunovač stupně vstupů se skládá z bočních PNP tranzistory, Q3 a Q4, které jsou spojeny ve společné konfiguraci.
Použití laterálních tranzistorů, Q3 a Q4, má za následek další výhodu. Pomáhají chránit vstupní tranzistory, Q1 a Q2, proti rozpadu emitor-base. Spojení emitor-základna npn tranzistor se rozpadne, když reverzní zkreslení převýší o 7 V. Porucha postranního tranzistoru se nevyskytne, dokud reverzní zkreslení nepřesáhne hodnotu 50 V. Protože tranzistory jsou v sérii s Q1 a Q2je zvýšeno průrazné napětí vstupního obvodu.
Střední fáze
Mezistupně ve většině op-zesilovačů poskytují vysoký zisk přes několik zesilovačů. V 741 je jeden konec prvního stupně připojen k základně Q16 který je v konfiguraci sledovače emitoru. To poskytuje vstupní vstupní impedanci, která minimalizuje zatížení. Mezistupeň také sestává z tranzistorů Q16 a Q17a rezistory R8 a R9. Výstup mezistupně je odebírán z kolektoru Q17a poskytovány Q14 přes fázový rozdělovač. Kondenzátor v 741 se používá pro kompenzaci kmitočtu, která je popsána v následujících kapitolách tohoto textu.
Výstupní fáze
Koncový stupeň operačního zesilovače je vyžadován, aby poskytoval vysoký proudový zisk při nízké výstupní impedanci. Většina operačních zesilovačů používá ke zvýšení efektivity komplementární výstupní stupeň symetrie bez obětování proudového zisku. Maximální dosažitelná účinnost komplementární symetrie zesilovače třídy B je 78%. Jednostranný výstupní zesilovač má maximální účinnost pouze 25%. Některé operační zesilovače používají ke zvýšení své výstupní schopnosti komplementární symetrii párů Darlingtonova páru. Výstupní stupeň doplňkové symetrie v 741 sestává z Q14 a Q20.
Malé odpory, R6 a R7, poskytovat omezení proudu na výstupu. Darlingtonův pár, Q18 a Q19se používá místo diody v diodově kompenzovaném komplementárním stupni symetrie, jak je popsáno v kapitole 8. Uspořádání Darlingtonova páru je upřednostňováno před dvěma tranzistory spojenými jako dioda, protože může být vyrobeno v menší oblasti. Proudový zdroj nahrazující předpětí v komplementárním symetrickém obvodu je realizován jednou částí tranzistoru Q13. Tranzistory Q22, Q23, a Q24 jsou součástí uspořádání řadiče úrovně, které zajišťuje, že výstupní napětí je vycentrováno kolem nulové osy.
AKTUÁLNÍ - 3. Typický operační zesilovač