3. Ο τυπικός ενισχυτής
ΤΡΕΧΟΝ - 3. Το τυπικό op-amp
ΠΡΟΗΓΟΥΜΕΝΟ- 2. Μετατοπιστές επιπέδουΟ τυπικός ενισχυτής
Οι περισσότεροι επιχειρησιακοί ενισχυτές σχεδιάζονται και κατασκευάζονται σύμφωνα με το διάγραμμα βαθμίδων που φαίνεται στο σχήμα 8.
Εικόνα 8 - Τυπική διαμόρφωση ενός op-amp
Ο διαφορικός ενισχυτής και το στάδιο κέρδους τάσης είναι τα μόνα στάδια που παρέχουν το κέρδος τάσης. Ο διαφορικός ενισχυτής παρέχει επίσης το CMRR το οποίο είναι τόσο σημαντικό στο op-amp. Η έξοδος του διαφορικού ενισχυτή συνδέεται συχνά με έναν ανιχνευτή εκπομπής με μεγάλη αντίσταση εκπομπής έτσι ώστε να παρέχει ένα φορτίο υψηλής σύνθετης αντίστασης στον διαφορικό ενισχυτή προκειμένου να επιτευχθεί ένα υψηλό κέρδος. Θυμηθείτε ότι ένας ενισχυτής κοινής εκπομπής υψηλού κέρδους πάσχει από πολύ χαμηλότερη αντίσταση εισόδου από έναν ενισχυτή CE με μέτριο κέρδος. Αυτό επιτρέπει στη συνέχεια τη χρήση ενός ενισχυτή CE υψηλής απόδοσης για να παράσχει το πρόσθετο κέρδος. Τα γραμμικά op-amp είναι απευθείας συνδεδεμένα για να παρέχουν ac κέρδος. Αυτό εξαλείφει επίσης την ανάγκη για έναν πυκνωτή ζεύξης που είναι πολύ μεγάλος για να τοποθετηθεί σε ένα τσιπ IC. Οι μετατοπιστές επιπέδου απαιτούνται για να εξασφαλίσουν ότι το σήμα εξόδου δεν έχει κανένα dc αντισταθμίζεται. Τα Op-amp μπορούν να μοντελοποιηθούν με ακρίβεια με προσομοίωση κυκλώματος. Αυτό θα το αποδείξουμε χρησιμοποιώντας την ηλεκτρονική προσομοίωση κυκλώματος TINACloud.
Συσκευασία 3.1
Τα κυκλώματα Op-amp είναι συσκευασμένα σε τυποποιημένα πακέτα IC, συμπεριλαμβανομένων δοχείων, συσκευασιών διπλής γραμμής (DIP) και επίπεδων πακέτων. Κάθε ένα από αυτά τα πακέτα έχει τουλάχιστον οκτώ ακίδες ή συνδέσεις. Αυτά απεικονίζονται στα σχήματα 9, 10 και 11.
Εικόνα 9 - Σύνδεση op-amp για το πακέτο μπορεί (προβολή από πάνω)
Εικόνα 10 - Σύνδεση Op-amp 14 ακίδων DIP (Κάτοψη)
Εικόνα 11 - Σύνδεση op-amp για επίπεδη συσκευασία 10-pin (Κορυφή)
Κατά την κατασκευή ενός κυκλώματος, είναι σημαντικό να αναγνωρίζετε σωστά τους διάφορους αγωγούς (συνήθως δεν είναι αριθμημένοι). Τα σχήματα απεικονίζουν τη θέση του pin 1. Στο μπορεί να συσκευάσει του Σχήματος 9, ο ακροδέκτης 1 αναγνωρίζεται ως ο πρώτος ακροδέκτης στα αριστερά της καρτέλας και οι ακίδες αριθμούνται διαδοχικά αριστερόστροφα από την κορυφή. Στο πακέτο διπλής γραμμής του Σχήματος 10, η κορυφή της συσκευασίας έχει μια εγκοπή για να εντοπίσει τον πείρο 1 και οι καρφίτσες αριθμούνται προς τα κάτω στα αριστερά και στα δεξιά. Σημειώστε ότι περισσότερα από ένα op-amp (συνήθως 2 ή 4) συσκευάζονται σε ένα DIP.
Στο επίπεδη συσκευασία του Σχήματος 11, ο ακροδέκτης 1 αναγνωρίζεται από μια κουκκίδα και οι ακίδες είναι αριθμημένες όπως στο DIP.
Απαιτήσεις ισχύος 3.2
Πολλοί ενισχυτές-ενισχυτές απαιτούν τόσο αρνητική όσο και θετική πηγή τάσης. Οι τυπικές πηγές τάσης κυμαίνονται από ± 5 V έως ± 25 V. Το σχήμα 12 δείχνει τυπικές συνδέσεις τροφοδοσίας στον ενισχυτή.
Η μέγιστη ταλάντωση της τάσης εξόδου περιορίζεται από το dc τάση που παρέχεται στο op-amp. Ορισμένοι λειτουργικοί ενισχυτές μπορούν να λειτουργούν από μία μόνο πηγή τάσης. Οι προδιαγραφές του κατασκευαστή καθορίζουν τα όρια λειτουργίας στις περιπτώσεις όπου το op-amp χρησιμοποιεί μόνο ένα τροφοδοτικό.
Εικόνα 12 - Συνδέσεις τροφοδοσίας ρεύματος
Η μέγιστη ταλάντωση της τάσης εξόδου περιορίζεται από το dc τάση που παρέχεται στο op-amp. Ορισμένοι λειτουργικοί ενισχυτές μπορούν να λειτουργούν από μία μόνο πηγή τάσης. Οι προδιαγραφές του κατασκευαστή καθορίζουν τα όρια λειτουργίας στις περιπτώσεις όπου το op-amp χρησιμοποιεί μόνο ένα τροφοδοτικό.
3.3 Το ενισχυτή 741
Ο μA741 op-amp απεικονίζεται στο ισοδύναμο κύκλωμα του Σχήματος 13. Έχει παραχθεί από το 1966 από τους περισσότερους κατασκευαστές IC, και παρόλο που υπήρξαν πολλές προόδους από την εισαγωγή του, το 741 εξακολουθεί να χρησιμοποιείται ευρέως.
Εικόνα 13 - Ο ενισχυτής ενισχυτή 741
Το op-amp 741 έχει εσωτερική αντιστάθμιση που αναφέρεται στο δίκτυο RC που προκαλεί την απόσβεση της απόκρισης εύρους υψηλής συχνότητας. Επειδή ο ενισχυτής έχει υψηλό κέρδος (με τη σειρά του 104 να 105 σε χαμηλές συχνότητες) και επειδή επιτρέπουν παρασιτικές χωρητικότητες στα τρανζίστορ παρασιτική ανατροφοδότηση, ο op-amp θα γίνει ασταθής και θα κυλήσει αν δεν ήταν για την εσωτερική αντιστάθμιση. Δύο ενισχυτές διαφορικής κασέτας οδηγούν έναν συμπληρωματικό ενισχυτή ισχύος συμμετρίας μέσω ενός άλλου ενισχυτή τάσης.
Ο ενισχυτής ενισχυτή 741 αποτελείται από τρία στάδια: έναν ενισχυτή διαφορικής εισόδου, έναν ενδιάμεσο ενισχυτή υψηλού κέρδους απλού άκρου και έναν ενισχυτή ρύθμισης εξόδου. Άλλα κυκλώματα που είναι σημαντικά για τη λειτουργία του είναι ένας μετατοπιστής επιπέδου για να μετατοπιστεί dc έτσι ώστε η έξοδος να μπορεί να ταλαντεύει τόσο τα θετικά όσο και τα αρνητικά κυκλώματα πόλωσης για να παρέχουν ρεύματα αναφοράς στους διάφορους ενισχυτές και κυκλώματα που προστατεύουν τον ενισχυτή από τα βραχυκύκλωμα στην έξοδο. Το 741 αντισταθμίζεται εσωτερικά μέσω ενός δικτύου αντιστάσεων πυκνωτών σε τσιπ.
Ο op-ενισχυτής βελτιώνεται περαιτέρω προσθέτοντας περισσότερα στάδια ενίσχυσης, απομονώνοντας τα κυκλώματα εισόδου και προσθέτοντας περισσότερους οπαδούς εκπομπής στην έξοδο για να μειώσετε την αντίσταση εξόδου. Άλλες βελτιώσεις οδηγούν σε αυξημένη CMRR, υψηλότερη αντίσταση εισόδου, ευρύτερη απόκριση συχνότητας, μειωμένη αντίσταση εξόδου και αυξημένη ισχύ.
Κυκλώματα Bias
Υπάρχουν πολλές σταθερές πηγές στο 741 op-amp του Σχήματος 13. Τρανζίστορ Q8 και Q9 είναι η τρέχουσα πηγή για IEE του διαφορικού ενισχυτή που σχηματίζεται από Q1, Q2, Q3, να Q4. Τρανζίστορ Q5, Q6, να Q7, είναι τα ενεργά φορτία που υποκαθιστούν το RC αντιστάσεις του διαφορικού ενισχυτή. Τρανζίστορ Q10, Q11, να Q12 σχηματίστε το δίκτυο πόλωσης για τις πηγές ρεύματος διαφορικού ενισχυτή. Τρανζίστορ Q10 και Q11 σχηματίζουν μια πηγή ρεύματος Widlar για αυτό το δίκτυο προκατάληψη με τα άλλα τρανζίστορ που ενεργούν ως καθρέφτης ρεύματος.
Προστασία βραχυκυκλώματος
Το κύκλωμα 741 περιλαμβάνει έναν αριθμό τρανζίστορ που κανονικά αποκόπτονται και διεξάγονται μόνο σε περίπτωση που υπάρχει μεγάλο ρεύμα στην έξοδο. Η μεροληψία στα τρανζίστορ εξόδου μεταβάλλεται στη συνέχεια για να μειώσει αυτό το ρεύμα σε αποδεκτό επίπεδο. Στο κύκλωμα του Σχήματος 13, αυτό το δίκτυο προστασίας από βραχυκύκλωμα αποτελείται από τα τρανζίστορ Q15 και Q22 και αντίσταση R11.
Φάση εισόδου
Το στάδιο εισόδου του ενισχυτή-ενισχυτή 741 απαιτείται για την παροχή κέρδους τάσης, μετατόπισης στάθμης και εξόδου διαφορικού ενισχυτή απλού άκρου. Η πολυπλοκότητα του κυκλώματος προκαλεί μεγάλο σφάλμα τάσης μετατόπισης. Σε αντίθεση με αυτό, ο τυπικός διαφορικός ενισχυτής με φορτίο αντιστάσεως προκαλεί μικρότερο σφάλμα τάσης μετατόπισης. Ωστόσο, ο τυποποιημένος ενισχυτής έχει περιορισμένο κέρδος, πράγμα που σημαίνει ότι απαιτούνται περισσότερα στάδια για την επίτευξη της επιθυμητής ενίσχυσης. Οι διαφορικοί ενισχυτές με φορτίο αντίστασης χρησιμοποιούνται σε ενισχυτές-ενισχυτές οι οποίοι έχουν μικρότερη μετατόπιση τάσης από το 741.
Τα BJT που χρησιμοποιούνται στο στάδιο εισόδου απαιτούν μεγάλα ρεύματα μεροληψίας, εισάγοντας προβλήματα αντιστάθμισης ρεύματος. Για να μειωθεί το σφάλμα ρεύματος αντιστάθμισης, άλλοι τύποι op-amp χρησιμοποιούν MOSFETs στο στάδιο εισόδου.
Το στάδιο εισαγωγής του 741 είναι ένας διαφορικός ενισχυτής με ενεργό φορτίο που σχηματίζεται από τρανζίστορ Q5, Q6, να Q7 και αντιστάσεις R1, R2, να R3. Αυτό το κύκλωμα παρέχει ένα φορτίο υψηλής αντίστασης και μετατρέπει το σήμα από διαφορικό σε μονοκόμματο χωρίς υποβάθμιση του κέρδους ή του λόγου απόρριψης κοινής λειτουργίας. Η έξοδος ενός τερματισμού λαμβάνεται από τον συλλέκτη του Q6. Ο μετατοπιστής βαθμίδας εισόδου αποτελείται από πλευρικό PNP τρανζίστορ, Q3 και Q4, τα οποία συνδέονται σε μια κοινή βάση.
Η χρήση των πλευρικών τρανζίστορ, Q3 και Q4, έχει ως αποτέλεσμα ένα πρόσθετο πλεονέκτημα. Βοηθούν στην προστασία των τρανζίστορ εισόδου, Q1 και Q2, κατά της βλάβης του κόμβου εκπομπής-βάσης. Η κόμβος εκπομπής-βάσης ενός npn το τρανζίστορ θα σπάσει όταν η αντίστροφη προκατάληψη υπερβεί το 7 V. Η διάσπαση του πλευρικού τρανζίστορ δεν συμβαίνει έως ότου η αντίστροφη προκατάληψη υπερβεί το 50 V. Δεδομένου ότι τα τρανζίστορ είναι σε σειρά με Q1 και Q2, αυξάνεται η τάση διάσπασης του κυκλώματος εισόδου.
Ενδιάμεση σκηνή
Τα ενδιάμεσα στάδια στους περισσότερους op-amp προσφέρουν υψηλό κέρδος μέσω διαφόρων ενισχυτών. Στο 741, η έξοδος ενός άκρου του πρώτου σταδίου συνδέεται στη βάση του Q16 το οποίο είναι σε διαμόρφωση παραληπτών εκπομπού. Αυτό παρέχει μια υψηλή σύνθετη αντίσταση εισόδου στο στάδιο εισόδου που ελαχιστοποιεί τη φόρτιση. Το ενδιάμεσο στάδιο αποτελείται επίσης από τρανζίστορ Q16 και Q17, και αντιστάσεις R8 και R9. Η έξοδος της ενδιάμεσης βαθμίδας λαμβάνεται από τον συλλέκτη του Q17, και παρέχονται σε Q14 μέσω ενός διαχωριστή φάσης. Ο πυκνωτής στο 741 χρησιμοποιείται για την αντιστάθμιση συχνότητας που συζητείται σε επόμενα κεφάλαια αυτού του κειμένου.
Στάδιο εξόδου
Το στάδιο εξόδου ενός op-amp απαιτείται για να παρέχει υψηλό κέρδος ρεύματος σε αντίσταση χαμηλής εξόδου. Οι περισσότεροι op-amp χρησιμοποιούν ένα συμπληρωματικό στάδιο εξόδου συμμετρίας για να αυξήσουν την απόδοση χωρίς να θυσιάζουν το τρέχον κέρδος. Η μέγιστη εφικτή απόδοση για τη συμπληρωματική συμμετρία, ενισχυτής κατηγορίας Β είναι 78%. Ο ενισχυτής εξόδου ενός άκρου έχει μέγιστη απόδοση μόνο 25%. Ορισμένα op-amp χρησιμοποιούν συμπληρωματική συμμετρία ζεύγους Darlington για να αυξήσουν την ικανότητα εξόδου τους. Το συμπληρωματικό στάδιο εξόδου συμμετρίας στο 741 αποτελείται από Q14 και Q20.
Οι μικρές αντιστάσεις, R6 και R7, να παρέχει περιορισμό ρεύματος στην έξοδο. Το ζεύγος Darlington, Q18 και Q19, χρησιμοποιείται στη θέση της διόδου στη βαθμίδα εξόδου συμπληρωματικής συμμετρίας με αντιστάθμιση διόδου όπως περιγράφεται στο κεφάλαιο 8. Η διάταξη ζεύγους Darlington ευνοείται πάνω από τα δύο τρανζίστορ που συνδέονται ως δίοδος δεδομένου ότι μπορεί να κατασκευαστεί σε μια μικρότερη περιοχή. Η τρέχουσα πηγή που υποκαθιστά την αντιστάθμιση πόλωσης στο συμπληρωματικό κύκλωμα συμμετρίας πραγματοποιείται από ένα τμήμα του τρανζίστορ Q13. Τρανζίστορ Q22, Q23, να Q24 αποτελούν μέρος μιας διάταξης αλλαγής στάθμης που εξασφαλίζει ότι η τάση εξόδου είναι κεντραρισμένη γύρω από τον μηδενικό άξονα.
ΤΡΕΧΟΝ - 3. Ο τυπικός ενισχυτής