Den typiske op-amp-TINA og TINACloud Resources

Den typiske op-amp

De fleste driftsforstærkere er konstrueret og konstrueret i overensstemmelse med blokdiagrammet vist i figur 8.

Figur 8 - Typisk konfiguration af en op-amp

Differentialforstærkeren og spændingsforstærkningstrinnet er de eneste trin, der tilvejebringer spændingsforstærkning. Differentialforstærkeren giver også CMRR'en, som er så vigtig i op-amp'en. Udgangssignalet fra differentialforstærkeren er ofte forbundet med en emitterfølger med en stor emitterresistor for at tilvejebringe en højimpedansbelastning til differentialforstærkeren for at opnå en høj forstærkning. Husk, at en stærk forstærker med fælles emitter lider af en meget lavere indgangsimpedans end en moderat forstærker CE-forstærker. Dette tillader så brug af en høj forstærk CE-forstærker til at give den ekstra gevinst. Lineære op-ampere er direkte koblet til at give ac gevinst. Dette eliminerer også behovet for en koblingskondensator, der er for stor til at blive anbragt på en IC-chip. Level shifters er nødvendige for at sikre, at udgangssignalet ikke har nogen dc forskudt. Op-forstærkere kan modelleres meget nøjagtigt ved kredsløbssimulering. Vi vil demonstrere dette ved hjælp af TINACloud online kredsløbssimulering.

3.1 Emballage

Op-amp kredsløb er pakket i standard IC pakker, herunder dåser, dual-in-line pakker (DIP) og flade pakker. Hver af disse pakker har mindst otte pins eller forbindelser. De er illustreret i figurerne 9, 10 og 11.

Figur 9 - Op-amp-forbindelse til kanpakke (øverste billede)

Figur 10 - Op-amp-forbindelse 14-polet DIP (set ovenfra)

Figur 11 - Op-amp-forbindelse til 10-pin flad pakke (Top view)

Ved konstruktion af kredsløb er det vigtigt at identificere de forskellige ledninger korrekt (de er normalt ikke nummererede). Tallene illustrerer placeringen af pin 1. I kan pakke i figur 9 er pin 1 identificeret som den første knap til venstre for fanen, og stifterne er nummereret efter hinanden mod uret fra toppen. I dual-in-line pakke i figur 10 har toppen af pakken en indrykning for at finde pin 1, og stifterne er nummereret ned til venstre og op til højre. Bemærk, at mere end en op-amp (typisk 2 eller 4) er pakket i en DIP.

I flad pakke i figur 11 er pin 1 identificeret med en prik, og stifterne er nummereret som i DIP.

3.2 Power Requirements

Mange op-ampere kræver både en negativ og en positiv spændingskilde. Typiske spændingskilder ligger fra ± 5 V til ± 25 V. Figur 12 viser typiske strømforsyningsforbindelser til op-amp.

Den maksimale udgangsspændingssving er begrænset af dc spænding leveret til op-amp. Nogle driftsforstærkere kan betjenes fra en enkelt spændingskilde. Producentens specifikationer definerer grænserne for drift i de tilfælde, hvor op-amp kun bruger en strømforsyning.

Figur 12 - Strømforsyningsforbindelser

3.3 741 Op-amp

ΜA741 op-amp er illustreret i ækvivalent kredsløb i figur 13. Det er produceret siden 1966 af de fleste IC-producenter, og selv om der har været mange fremskridt siden introduktionen, er 741 stadig meget udbredt.

operationelle forstærkere, typiske op-ampere

Figur 13 - 741 op-amp

741 op-amp har intern kompensation som refererer til RC-netværket, hvilket forårsager højfrekvensamplitudresponsen at falde af. Fordi forstærkeren har høj forstærkning (i rækkefølgen af 10⁴ til 10⁵ ved lave frekvenser) og fordi parasitiske kapacitanser i transistorerne tillader det parasitisk feedback, op-amp ville blive ustabil og oscillere, hvis det ikke var for den interne kompensation. To kaskadeforskelle forstærkere drev en komplementær symmetri effektforstærker gennem en anden spændingsforstærker.

741 op-amp består af tre trin: en input differential forstærker, en mellemliggende single-ended high gain forstærker og en output buffering forstærker. Andre kredsløb, der er vigtige for dets drift, er et niveau skifter til at skifte dc niveau af signalet, således at output kan svinge både positive og negative, bias kredsløb for at tilvejebringe referencestrømme til de forskellige forstærkere og kredsløb, der beskytter op-amp fra kortslutninger ved udgangen. 741 kompenseres internt ved hjælp af et on-chip kondensator-modstand netværk.

Op-amp'en forbedres yderligere ved at tilføje flere trin af amplifikation, isolere indgangskredsløbene og tilføje flere emitterfølgere ved udgangen for at reducere outputimpedansen. Andre forbedringer medfører øget CMRR, højere inputimpedans, bredere frekvensrespons, reduceret outputimpedans og øget effekt.

Bias kredsløb

Flere konstante kilder kan ses i 741 op-amp i Figur 13. Transistorer Q₈ , Q₉ er den aktuelle kilde til I_EE af differentialforstærkeren dannet af Q₁, Q₂, Q₃og Q₄. Transistorer Q₅, Q₆og Q₇, er de aktive belastninger erstatning for R_C modstande af differentialforstærkeren. Transistorer Q₁₀, Q₁₁og Q₁₂ danne forspændingsnetværket for de forskellige forsterkeres strømkilder. Transistorer Q₁₀ , Q₁₁ danne en Widlar nuværende kilde for dette bias netværk med de andre transistorer, der virker som et nuværende spejl.

Short Circuit Protection

741 kredsløbet indeholder et antal transistorer, der normalt afskæres og udføres kun i tilfælde af, at der findes en stor strøm ved udgangen. Forspændingen på udgangstransistorerne ændres derefter for at reducere denne strøm til et acceptabelt niveau. I kredsløbet i figur 13 består dette kortslutningsbeskyttelsesnet af transistorer Q₁₅ , Q₂₂ og modstand R_11.

Indgangstrin

Indgangstrinnet i 741 op-amp er påkrævet for at tilvejebringe spændingsforstærkning, niveauforskydning og en enkelt-ended differentialforstærker output. Kretskompleksiteten forårsager en stor forskydningsspændingsfejl. I modsætning hertil forårsager den standardmodstandsbelastede differentialforstærker mindre forskydningsspændingsfejl. Standardforstærkeren har imidlertid begrænset forstærkning, hvilket betyder at flere trin ville være nødvendige for at opnå den ønskede amplifikation. De modstandsbelastede differentialforstærkere anvendes i op-ampere, som har mindre spændingsdrift end 741.

BJT'er, der anvendes i indgangstrinnet, kræver store biasstrømme, der indfører offset-strømproblemer. For at reducere offset-strømfejlen bruger andre op-amp-typer MOSFET'er i indgangsstadiet.

Indgangstrinnet i 741 er en differentialforstærker med en aktiv belastning dannet af transistorer Q₅, Q₆og Q₇ og modstande R₁, R₂og R₃. Dette kredsløb giver en høj modstandsbelastning og konverterer signalet fra differential til single-ended uden forringelse af forstærkning eller common-mode afstødningsforhold. Den enkelt-endede output er taget fra samleren af Q₆. Indgangsstegniveauet skifter består af lateral PNP transistorer, Q₃ , Q₄, der er forbundet i en fælles base konfiguration.

Anvendelse af laterale transistorer, Q₃ , Q₄, resulterer i en ekstra fordel. De hjælper med at beskytte indgangstransistorerne, Q₁ , Q₂, imod emitter-base sammenkørselsopdeling. Emitter-baseforbindelsen af en nPN transistor vil bryde ned, når den modsatte forspænding overstiger ca. 7 V. Lateral transistor nedbrydning sker ikke, før den omvendte forspænding overstiger ca. 50 V. Da transistorerne er i serie med Q₁ , Q₂, er indbrudsspændingen af indgangskredsløbet forøget.

Intermediate Stage

De mellemliggende trin i de fleste op-ampere giver høj forstærkning gennem flere forstærkere. I 741 er den ene ende af det første trin forbundet til basen af Q₁₆ som er i en emitterfølgerkonfiguration. Dette giver en høj inputimpedans til indgangsstadiet, hvilket minimerer belastningen. Den mellemliggende fase består også af transistorer Q₁₆ , Q₁₇, og modstande R₈ , R₉. Udgangen af mellemstadiet er taget fra samleren af Q₁₇, og leveres til Q₁₄ gennem en fase splitter. Kondensatoren i 741 anvendes til frekvenskompensation, som diskuteres i efterfølgende kapitler i denne tekst.

Udgangstrin

Udgangstrinnet til en op-amp kræves for at give en høj strømforstærkning til en lav-output impedans. De fleste op-forstærkere bruger et komplementært symmetrioutputtrin for at øge effektiviteten uden at ofre strømforstærkning. Den maksimalt opnåelige effektivitet for den komplementære symmetri, klasse B-forstærker, er 78%. Den udgangsforstærker med en ende har en maksimal effektivitet på kun 25%. Nogle op-forstærkere bruger Darlington-par komplementær symmetri for at øge deres outputkapacitet. Det komplementære symmetrioutputtrin i 741 består af Q₁₄ , Q₂₀.

De små modstande, R₆ , R₇, giver nuværende begrænsning ved udgangen. Darlington-parret, Q₁₈ , Q₁₉, anvendes i stedet for dioden i det diodkompenserede komplementære symmetriudgangstrin som beskrevet i kapitel 8. Darlington-pararrangementet er begunstiget over de to transistorer forbundet som en diode, da den kan fremstilles i et mindre område. Den aktuelle kilde, der erstatter forspændingsmotstanden i det komplementære symmetri kredsløb, realiseres af en del af transistoren Q₁₃. Transistorer Q₂₂, Q₂₃og Q₂₄ er en del af et niveau shifter arrangement, der sikrer, at udgangsspændingen er centreret omkring nulaksen.

AKTUEL - 3. Den typiske op-forstærker

TIDLIGERE - 2. Level shifters

NÆSTE-4. Fabrikant specifikationer