3. Le typique ampli
ACTUEL - 3. L'ampli opérationnel typique
PRÉCÉDENT-2. Niveau shiftersLe typique ampli
La plupart des amplificateurs opérationnels sont conçus et construits conformément au schéma fonctionnel présenté à la figure 8.
Figure 8 - Configuration typique d'un ampli-op
L'amplificateur différentiel et l'étage de gain de tension sont les seuls étages qui fournissent le gain de tension. L'amplificateur différentiel fournit également le CMRR qui est si important dans l'ampli-op. La sortie de l'amplificateur différentiel est souvent connectée à un émetteur suiveur avec une grande résistance d'émetteur afin de fournir une charge à haute impédance à l'amplificateur différentiel afin d'obtenir un gain élevé. N'oubliez pas qu'un amplificateur à émetteur commun à gain élevé présente une impédance d'entrée bien inférieure à celle d'un amplificateur CE à gain modéré. Cela permet ensuite d'utiliser un amplificateur CE à gain élevé pour fournir le gain supplémentaire. Les amplificateurs opérationnels linéaires sont couplés directement pour fournir ac Gain. Cela élimine également le besoin d'un condensateur de couplage trop volumineux pour être placé sur une puce. Des décaleurs de niveau sont nécessaires pour s’assurer que le signal de sortie n’a aucune dc décalage. Les amplificateurs opérationnels peuvent être modélisés de manière très précise par simulation de circuit. Nous allons le démontrer à l'aide de la simulation de circuit en ligne TINACloud.
Emballage 3.1
Les circuits op-amp sont fournis dans des boîtiers de circuits intégrés standard, comprenant des canettes, des boîtiers à double entrée (DIP) et des boîtiers plats. Chacun de ces packages comporte au moins huit broches ou connexions. Ils sont illustrés aux figures 9, 10 et 11.
Figure 9 - Connexion op-amp pour le conditionnement de canettes
Figure 10 - Connexion de l'amplificateur opérationnel DIP 14 broches (vue de dessus)
Figure 11 - Connexion op-amp pour pack plat 10 (vue de dessus)
Lors de la construction d'un circuit, il est important d'identifier correctement les différentes dérivations (elles ne sont généralement pas numérotées). Les figures illustrent l'emplacement de la broche 1. dans le peut emballer de la figure 9, la broche 1 est identifiée comme la première broche à gauche de la languette, et les broches sont numérotées consécutivement dans le sens anti-horaire, en partant du haut. dans le package double en ligne de la figure 10, le haut de l’emballage présente une empreinte pour localiser la broche 1 et les broches sont numérotées à gauche et en haut à droite. Notez que plusieurs amplificateurs opérationnels (généralement 2 ou 4) sont regroupés dans un DIP.
Dans le pack plat de la figure 11, la broche 1 est identifiée par un point et les broches sont numérotées comme dans le DIP.
Exigences d'alimentation 3.2
De nombreux amplis-op nécessitent une source de tension négative et positive. Les sources de tension typiques vont de ± 5 V à ± 25 V. La figure 12 montre les connexions d'alimentation typiques à l'amplificateur opérationnel.
L’oscillation de tension de sortie maximale est limitée par la dc tension fournie à l'ampli-op. Certains amplificateurs opérationnels peuvent fonctionner à partir d'une seule source de tension. Les spécifications du fabricant définissent les limites de fonctionnement dans les cas où l'ampli-op n'utilise qu'une seule alimentation.
Figure 12 - Connexions d’alimentation
L’oscillation de tension de sortie maximale est limitée par la dc tension fournie à l'ampli-op. Certains amplificateurs opérationnels peuvent fonctionner à partir d'une seule source de tension. Les spécifications du fabricant définissent les limites de fonctionnement dans les cas où l'ampli-op n'utilise qu'une seule alimentation.
3.3 Le 741 Op-amp
Le μA741 op-amp est illustré dans le circuit équivalent de la figure 13. Il a été produit depuis 1966 par la plupart des fabricants de circuits intégrés et, bien que de nombreux progrès aient été accomplis depuis son introduction, le 741 est encore largement utilisé.
Figure 13 - L'ampli op 741
L’amplificateur 741 a compensation interne qui fait référence au réseau RC qui provoque la chute de la réponse en amplitude haute fréquence. Parce que l’amplificateur a un gain élevé (de l’ordre de 104 - 105 basses fréquences) et parce que les capacités parasites dans les transistors permettent rétroaction parasitaire, l’op-ampli deviendrait instable et oscillerait sans la compensation interne. Deux amplificateurs de différence en cascade pilotent un amplificateur de puissance à symétrie complémentaire via un autre amplificateur de tension.
L'op-amplificateur 741 comprend trois étapes: un amplificateur différentiel d'entrée, un amplificateur intermédiaire à gain élevé asymétrique et un amplificateur à tampon de sortie. Un autre circuit important pour son fonctionnement est un sélecteur de niveau permettant de déplacer le dc niveau du signal de sorte que la sortie puisse faire basculer les circuits de polarisation positif et négatif afin de fournir des courants de référence aux divers amplificateurs et les circuits qui protègent l'ampli-op contre les courts-circuits à la sortie. Le 741 est compensé en interne au moyen d’un réseau de condensateurs / résistances intégré.
L'ampli-op est encore amélioré en ajoutant plus d'étages d'amplification, en isolant les circuits d'entrée et en ajoutant plus de suiveurs d'émetteur à la sortie pour diminuer l'impédance de sortie. D'autres améliorations se traduisent par une CMRR accrue, une impédance d'entrée plus élevée, une réponse en fréquence plus large, une impédance de sortie réduite et une puissance accrue.
Circuits de biais
Plusieurs sources constantes sont visibles dans l'ampli-tuner 741 de la figure 13. Transistors Q8 et Q9 sont la source actuelle de IEE de l'amplificateur différentiel formé par Q1, Q2, Q3et Q4. Transistors Q5, Q6et Q7, sont les charges actives se substituant à la RC résistances de l'amplificateur différentiel. Transistors Q10, Q11et Q12 forment le réseau de polarisation pour les sources de courant d'amplificateur différentiel. Transistors Q10 et Q11 forment une source de courant large pour ce réseau de polarisation, les autres transistors jouant le rôle de miroir de courant.
Protection de court circuit
Le circuit 741 comprend un certain nombre de transistors qui sont normalement coupés et ne conduisent que dans le cas où un courant important existe à la sortie. La polarisation sur les transistors de sortie est ensuite modifiée pour réduire ce courant à un niveau acceptable. Dans le circuit de la figure 13, ce réseau de protection contre les courts-circuits est constitué de transistors Q15 et Q22 et résistance R11.
Etape d'entrée
L'étage d'entrée de l'amplificateur opérationnel 741 est requis pour fournir un gain de tension, un décalage de niveau et une sortie d'amplificateur différentiel asymétrique. La complexité du circuit provoque une grande erreur de tension de décalage. En revanche, l’amplificateur différentiel chargé par résistance génère moins d’erreurs de tension offset. Cependant, l'amplificateur standard a un gain limité, ce qui signifie qu'il faudrait plus d'étages pour obtenir l'amplification souhaitée. Les amplificateurs différentiels à résistance sont utilisés dans les amplificateurs opérationnels qui présentent une dérive de tension inférieure à celle du 741.
Les BJT utilisés dans l’étage d’entrée nécessitent de forts courants de polarisation, ce qui pose des problèmes de courants de décalage. Pour réduire l'erreur de courant d'offset, d'autres types d'ampli-op utilisent des transistors MOSFET à l'étage d'entrée.
L’étage d’entrée du 741 est un amplificateur différentiel à charge active formée de transistors Q5, Q6et Q7 et des résistances R1, R2et R3. Ce circuit fournit une charge à haute résistance et convertit le signal différentiel en asymétrique sans dégradation du gain ni du taux de réjection en mode commun. La sortie asymétrique est extraite du collecteur de Q6. Le sélecteur de niveau de l’étage d’entrée se compose de PNP transistors, Q3 et Q4, qui sont connectés dans une configuration à base commune.
Utilisation des transistors latéraux, Q3 et Q4, procure un avantage supplémentaire. Ils aident à protéger les transistors d'entrée, Q1 et Q2, contre la rupture de jonction émetteur-base. La jonction émetteur-base d'un npn le transistor tombera en panne lorsque la polarisation inverse dépassera environ 7 V. La panne de transistor latérale ne se produira pas tant que la polarisation inverse ne dépassera pas environ 50 V. Les transistors étant en série avec Q1 et Q2, la tension de claquage du circuit d'entrée est augmentée.
Etape intermédiaire
Les étages intermédiaires de la plupart des amplis-op offrent un gain élevé via plusieurs amplificateurs. Dans le 741, la sortie asymétrique du premier étage est connectée à la base de Q16 qui est dans une configuration émetteur suiveur. Ceci fournit une impédance d'entrée élevée à l'étage d'entrée, ce qui minimise le chargement. L'étage intermédiaire comprend également des transistors Q16 et Q17et résistances R8 et R9. La sortie de l’étage intermédiaire provient du collecteur de Q17et fourni à Q14 à travers un séparateur de phase. Le condensateur du 741 est utilisé pour la compensation de fréquence, ce qui est décrit dans les chapitres suivants de ce texte.
Étape de sortie
L'étage de sortie d'un ampli opérationnel est nécessaire pour fournir un gain de courant élevé à une impédance de sortie faible. La plupart des amplificateurs opérationnels utilisent un étage de sortie à symétrie complémentaire pour augmenter l'efficacité sans sacrifier le gain de courant. L'efficacité maximale réalisable pour l'amplificateur à symétrie complémentaire de classe B est de 78%. L'amplificateur de sortie asymétrique a une efficacité maximale de seulement 25%. Certains amplificateurs opérationnels utilisent la symétrie complémentaire de paires Darlington pour augmenter leur capacité de sortie. L'étage de sortie à symétrie complémentaire du 741 se compose de Q14 et Q20.
Les petites résistances, R6 et R7, fournit une limitation de courant à la sortie. La paire de Darlington, Q18 et Q19, est utilisé à la place de la diode dans l’étage final symétrique à compensation de diode, comme décrit au chapitre 8. La configuration à paires Darlington est privilégiée par rapport aux deux transistors connectés en tant que diode car elle peut être fabriquée dans une zone plus petite. La source de courant substituant la résistance de polarisation dans le circuit de symétrie complémentaire est réalisée par une partie du transistor Q13. Transistors Q22, Q23et Q24 font partie d'un arrangement de décalage de niveau qui assure que la tension de sortie est centrée autour de l'axe zéro.
ACTUEL - 3. L'ampli op typique