3. Der typische Operationsverstärker
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Die meisten Operationsverstärker sind gemäß dem in Abbildung 8 gezeigten Blockschaltbild konstruiert und konstruiert.
Abbildung 8 - Typische Konfiguration eines Operationsverstärkers
Der Differenzverstärker und die Spannungsverstärkungsstufe sind die einzigen Stufen, die die Spannungsverstärkung bereitstellen. Der Differenzverstärker bietet auch den CMRR, der für den Operationsverstärker so wichtig ist. Der Ausgang des Differenzverstärkers ist häufig an einen Emitterfolger mit einem großen Emitterwiderstand angeschlossen, um dem Differenzverstärker eine Last hoher Impedanz bereitzustellen, um eine hohe Verstärkung zu erhalten. Denken Sie daran, dass ein Common-Emitter-Verstärker mit hoher Verstärkung unter einer wesentlich niedrigeren Eingangsimpedanz als ein CE-Verstärker mit mittlerer Verstärkung leidet. Dies ermöglicht dann die Verwendung eines CE-Verstärkers mit hoher Verstärkung, um die zusätzliche Verstärkung bereitzustellen. Lineare Operationsverstärker sind direkt gekoppelt, um sie bereitzustellen ac gewinnen. Dies beseitigt auch die Notwendigkeit eines Kopplungskondensators, der zu groß ist, um auf einem IC-Chip angeordnet zu werden. Pegelumsetzer sind erforderlich, um sicherzustellen, dass das Ausgangssignal keine Signale enthält dc Versatz. Operationsverstärker können durch Schaltungssimulation sehr genau modelliert werden. Wir werden dies anhand der TINACloud-Online-Schaltungssimulation demonstrieren.
3.1 Verpackung
Operationsverstärkerschaltkreise sind in Standard-IC-Paketen untergebracht, einschließlich Dosen, Dual-In-Line-Paketen (DIP) und Flachpackungen. Jedes dieser Pakete hat mindestens acht Pins oder Verbindungen. Sie sind in den Abbildungen 9, 10 und 11 dargestellt.
Abbildung 9 - Op-Amp-Anschluss für Dosenverpackung (Draufsicht)
Abbildung 10 - Operationsverstärkeranschluss 14-poliges DIP (Draufsicht)
Abbildung 11 - Anschluss für Operationsverstärker für 10-Pin-Flachpackung (Draufsicht)
Beim Aufbau einer Schaltung ist es wichtig, die verschiedenen Leiter korrekt zu identifizieren (sie sind normalerweise nicht nummeriert). Die Abbildungen zeigen die Position von Pin 1. In dem kann verpacken In Abbildung 9 ist Pin 1 als der erste Pin links von der Lasche identifiziert, und die Pins sind von oben betrachtet gegen den Uhrzeigersinn fortlaufend nummeriert. In dem Dual-in-Line-Paket In Abbildung 10 hat der obere Teil des Pakets eine Vertiefung zum Auffinden des Pins 1. Die Pins sind links unten und rechts oben nummeriert. Beachten Sie, dass mehr als ein Operationsverstärker (normalerweise 2 oder 4) in einem DIP enthalten ist.
Im Flachgehäuse In Abbildung 11 ist Pin 1 durch einen Punkt gekennzeichnet und die Pins sind wie im DIP nummeriert.
3.2-Leistungsanforderungen
Viele Operationsverstärker benötigen sowohl eine negative als auch eine positive Spannungsquelle. Typische Spannungsquellen reichen von ± 5 V bis ± 25 V. Abbildung 12 zeigt typische Netzanschlüsse für den Operationsverstärker.
Der maximale Ausgangsspannungshub wird durch die begrenzt dc Spannung, die dem Operationsverstärker zugeführt wird. Einige Operationsverstärker können mit einer einzigen Spannungsquelle betrieben werden. Die Herstellerspezifikationen definieren die Betriebsgrenzen in den Fällen, in denen der Operationsverstärker nur ein Netzteil verwendet.
Abbildung 12 - Stromversorgungsanschlüsse
Der maximale Ausgangsspannungshub wird durch die begrenzt dc Spannung, die dem Operationsverstärker zugeführt wird. Einige Operationsverstärker können mit einer einzigen Spannungsquelle betrieben werden. Die Herstellerspezifikationen definieren die Betriebsgrenzen in den Fällen, in denen der Operationsverstärker nur ein Netzteil verwendet.
3.3 Der 741-Operationsverstärker
Der µA741-Operationsverstärker ist in der Ersatzschaltung von Abbildung 13 dargestellt. Es wurde seit den meisten IC-Herstellern seit 1966 produziert, und obwohl es seit seiner Einführung viele Fortschritte gab, wird der 741 immer noch weit verbreitet.
Abbildung 13 - Der 741-Operationsverstärker
Der 741-Operationsverstärker verfügt über interne Kompensation was sich auf das RC-Netzwerk bezieht, das bewirkt, dass die Hochfrequenzamplitudenantwort abfällt. Weil der Verstärker eine hohe Verstärkung hat (in der Größenordnung von 10)4 zu 105 bei tiefen Frequenzen) und weil parasitäre Kapazitäten in den Transistoren erlauben parasitäre Rückkopplungwürde der Operationsverstärker instabil werden und oszillieren, wenn er nicht für die interne Kompensation wäre. Zwei kaskadierte Differenzverstärker treiben einen komplementären Symmetrie-Leistungsverstärker über einen anderen Spannungsverstärker an.
Der 741-Operationsverstärker besteht aus drei Stufen: einem Eingangsdifferenzverstärker, einem zwischengeschalteten Single-Ended-Verstärker mit hoher Verstärkung und einem Ausgangspufferverstärker. Eine andere für den Betrieb wichtige Schaltung ist ein Pegelumsetzer zum Verschieben der dc Pegel des Signals, so dass der Ausgang sowohl positiv als auch negativ schwingen kann, Bias-Schaltungen, um den verschiedenen Verstärkern Referenzströme zuzuführen, und Schaltungen, die den Operationsverstärker vor Kurzschlüssen am Ausgang schützen. Das 741 wird intern über ein Kondensator-Widerstandsnetzwerk auf dem Chip kompensiert.
Der Operationsverstärker wird durch Hinzufügen weiterer Verstärkungsstufen, Isolieren der Eingangsschaltungen und Hinzufügen weiterer Emitterfolger am Ausgang verbessert, um die Ausgangsimpedanz zu verringern. Andere Verbesserungen führen zu einem erhöhten CMRR, einer höheren Eingangsimpedanz, einem breiteren Frequenzgang, einer verringerten Ausgangsimpedanz und einer erhöhten Leistung.
Bias-Schaltungen
Im 741-Operationsverstärker von Abbildung 13 sind mehrere konstante Quellen zu sehen. Transistoren Q8 und Q9 sind die aktuelle Quelle für IEE des Differenzverstärkers gebildet durch Q1, Q2, Q3 und Q4. Transistoren Q5, Q6 und Q7, ersetzen die aktiven Lasten die RC Widerstände des Differenzverstärkers. Transistoren Q10, Q11 und Q12 bilden das Vorspannungsnetz für die Stromquellen des Differenzverstärkers. Transistoren Q10 und Q11 Bilden Sie eine Widlar-Stromquelle für dieses Vorspannungsnetzwerk, wobei die anderen Transistoren als Stromspiegel fungieren.
Kurzschlussschutz
Die 741-Schaltung enthält eine Anzahl von Transistoren, die normalerweise abgeschaltet sind und nur dann leiten, wenn am Ausgang ein großer Strom vorhanden ist. Die Vorspannung an den Ausgangstransistoren wird dann geändert, um diesen Strom auf einen akzeptablen Pegel zu reduzieren. In der Schaltung von 13 besteht dieses Kurzschlussschutznetz aus Transistoren Q15 und Q22 und Widerstand R11
Eingangsstufe
Die Eingangsstufe des 741-Operationsverstärkers muss für Spannungsverstärkung, Pegelverschiebung und einen unsymmetrischen Differenzverstärkerausgang sorgen. Die Komplexität der Schaltung verursacht einen großen Offsetspannungsfehler. Im Gegensatz dazu verursacht der Standard-Widerstands-Differenzverstärker weniger Offset-Spannungsfehler. Der Standardverstärker hat jedoch eine begrenzte Verstärkung, was bedeutet, dass mehr Stufen erforderlich wären, um die gewünschte Verstärkung zu erzielen. Die widerstandsgeladenen Differenzverstärker werden in Operationsverstärkern eingesetzt, die eine geringere Spannungsdrift aufweisen als der 741.
In der Eingangsstufe verwendete BJTs erfordern große Vorspannungsströme, was zu Offsetstromproblemen führt. Um den Offsetstromfehler zu verringern, verwenden andere Operationsverstärkertypen MOSFETs in der Eingangsstufe.
Die Eingangsstufe des 741 ist ein Differenzverstärker mit einer aktiven Last, die von Transistoren gebildet wird Q5, Q6 und Q7 und Widerstände R1, R2 und R3. Diese Schaltung liefert eine hochohmige Last und wandelt das Signal ohne Verschlechterung der Verstärkung oder des Gleichtaktunterdrückungsverhältnisses von differentiell zu unsymmetrisch um. Der Single-Ended-Ausgang wird vom Kollektor von entnommen Q6. Der Pegelsteller der Eingangsstufe besteht aus Lateral PNP Transistoren, Q3 und Q4, die in einer Common-Base-Konfiguration verbunden sind.
Verwendung der lateralen Transistoren, Q3 und Q4ergibt sich ein zusätzlicher Vorteil. Sie helfen, die Eingangstransistoren zu schützen, Q1 und Q2, gegen Durchschlag am Emitter-Basis-Übergang. Der Emitter-Basis-Übergang eines NPN Der Transistor bricht zusammen, wenn die Sperrspannung ungefähr 7 V überschreitet. Der laterale Transistor bricht nicht zusammen, bis die Sperrspannung ungefähr 50 V überschreitet. Da die Transistoren in Reihe geschaltet sind mit Q1 und Q2wird die Durchbruchspannung der Eingangsschaltung erhöht.
Fortgeschrittenes Stadium
Die Zwischenstufen der meisten Operationsverstärker bieten über mehrere Verstärker eine hohe Verstärkung. Beim 741 ist der Single-Ended-Ausgang der ersten Stufe mit der Basis von verbunden Q16 Das ist in einer Emitterfolger-Konfiguration. Dies liefert eine hohe Eingangsimpedanz für die Eingangsstufe, wodurch die Belastung minimiert wird. Die Zwischenstufe besteht ebenfalls aus Transistoren Q16 und Q17und Widerstände R8 und R9. Der Ausgang der Zwischenstufe wird dem Kollektor von entnommen Q17und zur Verfügung gestellt Q14 durch einen Phasenteiler. Der Kondensator im 741 wird zur Frequenzkompensation verwendet, die in den folgenden Kapiteln dieses Textes erläutert wird.
Ausgangsstufe
Die Ausgangsstufe eines Operationsverstärkers ist erforderlich, um eine hohe Stromverstärkung für eine niedrige Ausgangsimpedanz bereitzustellen. Die meisten Operationsverstärker verwenden eine komplementäre Symmetrie-Ausgangsstufe, um die Effizienz zu steigern, ohne die Stromverstärkung zu beeinträchtigen. Der maximal erreichbare Wirkungsgrad für den Verstärker der Klasse B mit komplementärer Symmetrie beträgt 78%. Der Single-Ended-Ausgangsverstärker hat einen maximalen Wirkungsgrad von nur 25%. Einige Operationsverstärker verwenden komplementäre Darlington-Paar-Symmetrie, um ihre Ausgangsleistung zu erhöhen. Die komplementäre Symmetrie-Ausgangsstufe im 741 besteht aus Q14 und Q20.
Die kleinen Widerstände, R6 und R7, am Ausgang eine Strombegrenzung vorsehen. Das Darlington-Paar, Q18 und Q19wird anstelle der Diode in der diodenkompensierten komplementären Symmetrieausgangsstufe verwendet, wie in Kapitel 8 beschrieben. Die Darlington-Paar-Anordnung wird gegenüber den beiden als Diode geschalteten Transistoren bevorzugt, da sie auf kleinerer Fläche hergestellt werden kann. Die Stromquelle, die den Vorspannungswiderstand in der komplementären Symmetrieschaltung ersetzt, wird durch einen Teil des Transistors realisiert Q13. Transistoren Q22, Q23 und Q24 sind Teil einer Pegelumsetzeranordnung, die sicherstellt, dass die Ausgangsspannung um die Nullachse zentriert ist.
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