3. Il tipico amplificatore operazionale
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La maggior parte degli amplificatori operazionali sono progettati e costruiti in conformità con lo schema a blocchi mostrato in Figura 8.
Figura 8 - Configurazione tipica di un amplificatore operazionale
L'amplificatore differenziale e lo stadio di guadagno di tensione sono gli unici stadi che forniscono il guadagno di tensione. L'amplificatore differenziale fornisce anche il CMRR che è così importante nell'amplificatore operazionale. L'uscita dell'amplificatore differenziale è spesso collegata ad un seguitore di emettitore con un grande resistore di emettitore in modo da fornire un carico di elevata impedenza all'amplificatore differenziale al fine di ottenere un elevato guadagno. Ricorda che un amplificatore a emettitore comune ad alto guadagno presenta un'impedenza di ingresso molto più bassa rispetto a un amplificatore CE a guadagno moderato. Ciò consente quindi l'uso di un amplificatore CE ad alto guadagno per fornire il guadagno aggiuntivo. Gli amplificatori operazionali lineari sono accoppiati direttamente per fornire ac guadagno. Ciò elimina anche la necessità di un condensatore di accoppiamento troppo grande per essere posizionato su un chip IC. I cambi di livello sono necessari per assicurare che il segnale di uscita non ne abbia dc compensare. Gli amplificatori operazionali possono essere modellati in modo molto accurato dalla simulazione del circuito. Lo dimostreremo utilizzando la simulazione del circuito online TINACloud.
Confezione 3.1
I circuiti op-amp sono confezionati in pacchetti IC standard, tra cui lattine, pacchetti dual-in-line (DIP) e flat pack. Ognuno di questi pacchetti ha almeno otto pin o connessioni. Sono illustrati nelle figure 9, 10 e 11.
Figura 9 - Connessione Op-amp per pacchetto can (vista dall'alto)
Figura 10 - Collegamento amplificatore operazionale DIP a 14 pin (vista dall'alto)
Figura 11 - Connessione Op-amp per flat pack 10-pin (Vista dall'alto)
Quando si costruisce un circuito, è importante identificare correttamente i vari conduttori (di solito non sono numerati). Le figure illustrano la posizione del pin 1. Nel può confezionare di Figura 9, il pin 1 viene identificato come il primo pin a sinistra della scheda e i pin sono numerati in senso antiorario guardando dall'alto in alto. Nel pacchetto dual-in-line di Figura 10, la parte superiore del pacchetto ha una rientranza per localizzare il pin 1 ei pin sono numerati a sinistra e in alto a destra. Si noti che più di un op-amp (tipicamente 2 o 4) è confezionato in un DIP.
Nel Pacco piatto di Figura 11, il pin 1 è identificato da un punto e i pin sono numerati come nel DIP.
3.2 Requisiti di alimentazione
Molti op-amp richiedono una fonte di tensione sia negativa che positiva. Le tipiche sorgenti di voltaggio vanno da ± 5 V a ± 25 V. La figura 12 mostra i tipici collegamenti dell'alimentatore all'amplificatore operazionale.
La massima oscillazione della tensione di uscita è limitata dal dc tensione fornita all'amplificatore operazionale. Alcuni amplificatori operazionali possono essere azionati da una singola sorgente di tensione. Le specifiche del produttore definiscono i limiti di funzionamento nei casi in cui l'amplificatore operazionale utilizza un solo alimentatore.
Figura 12 - Connessioni di alimentazione
La massima oscillazione della tensione di uscita è limitata dal dc tensione fornita all'amplificatore operazionale. Alcuni amplificatori operazionali possono essere azionati da una singola sorgente di tensione. Le specifiche del produttore definiscono i limiti di funzionamento nei casi in cui l'amplificatore operazionale utilizza un solo alimentatore.
3.3 L'amplificatore operazionale 741
L'amplificatore operazionale μA741 è illustrato nel circuito equivalente di Figura 13. È stato prodotto da 1966 dalla maggior parte dei produttori di circuiti integrati e, sebbene siano stati introdotti molti progressi dalla sua introduzione, 741 è ancora ampiamente utilizzato.
Figura 13 - L'amplificatore operazionale 741
L'op-amp 741 ha compensazione interna che si riferisce alla rete RC che fa cadere la risposta dell'ampiezza ad alta frequenza. Perché l'amplificatore ha un guadagno elevato (nell'ordine di 104 a 105 a basse frequenze) e perché le capacità parassite nei transistor lo consentono feedback parassita, l'amplificatore operazionale diventerebbe instabile e oscillerebbe se non fosse per la compensazione interna. Due amplificatori di differenza in cascata pilotano un amplificatore di potenza di simmetria complementare attraverso un altro amplificatore di tensione.
L'amplificatore operazionale 741 è costituito da tre fasi: un amplificatore differenziale di ingresso, un amplificatore ad alto guadagno single-ended intermedio e un amplificatore buffer di uscita. Altri circuiti importanti per il suo funzionamento è un cambio di livello per spostare il dc livello del segnale in modo che l'uscita possa far oscillare sia i circuiti positivi e negativi, i circuiti di polarizzazione per fornire correnti di riferimento ai vari amplificatori, sia i circuiti che proteggono l'amplificatore operazionale dai cortocircuiti in uscita. 741 è compensato internamente tramite una rete di condensatori-condensatori su chip.
L'amplificatore operazionale viene ulteriormente migliorato aggiungendo più stadi di amplificazione, isolando i circuiti di ingresso e aggiungendo più follower di emettitore all'uscita per diminuire l'impedenza di uscita. Altri miglioramenti si traducono in aumento del CMRR, maggiore impedenza di ingresso, maggiore risposta in frequenza, minore impedenza di uscita e maggiore potenza.
Circuiti bias
Diverse fonti costanti possono essere viste nell'op-amp 741 di 13. transistor Q8 ed Q9 sono la fonte corrente per IEE dell'amplificatore differenziale formato da Q1, Q2, Q3e Q4. transistor Q5, Q6e Q7, sono i carichi attivi che sostituiscono il RC resistori dell'amplificatore differenziale. transistor Q10, Q11e Q12 formano la rete di polarizzazione per le sorgenti di corrente dell'amplificatore differenziale. Transistor Q10 ed Q11 forma una sorgente di corrente Widlar per questa rete di polarizzazione con gli altri transistor che fungono da specchio corrente.
Protezione di cortocircuito
Il circuito 741 include un numero di transistor normalmente interrotti e condotti solo nel caso in cui all'uscita sia presente una grande corrente. La polarizzazione sui transistor di uscita viene quindi modificata per ridurre questa corrente a un livello accettabile. Nel circuito di Figura 13, questa rete di protezione da cortocircuito è costituita da transistor Q15 ed Q22 e resistenza R11
Input Stage
Lo stadio di ingresso dell'amplificatore operazionale 741 è necessario per fornire guadagno di tensione, spostamento del livello e un'uscita dell'amplificatore differenziale single-ended. La complessità del circuito provoca un errore di tensione di offset di grandi dimensioni. Al contrario, l'amplificatore differenziale caricato a resistenza standard causa meno errore di offset. Tuttavia, l'amplificatore standard ha un guadagno limitato, il che significa che sarebbero necessari più stadi per ottenere l'amplificazione desiderata. Gli amplificatori differenziali caricati a resistenza sono usati negli amplificatori operazionali che hanno meno deriva di tensione rispetto a 741.
I BJT utilizzati nello stadio di ingresso richiedono forti correnti di polarizzazione, introducendo problemi di corrente sfalsata. Per ridurre l'errore di corrente di offset, altri tipi di op-amp utilizzano MOSFET nello stadio di ingresso.
Lo stadio di ingresso di 741 è un amplificatore differenziale con un carico attivo formato da transistor Q5, Q6e Q7 e resistori R1, R2e R3. Questo circuito fornisce un carico ad alta resistenza e converte il segnale da differenziale a single-ended senza degrado del guadagno o rapporto di reiezione di modo comune. L'output single-ended è preso dal collezionista di Q6. Il cambio di livello del livello di ingresso è costituito da un lato PNP transistori, Q3 ed Q4, che sono collegati in una configurazione di base comune.
Uso dei transistor laterali, Q3 ed Q4, si traduce in un ulteriore vantaggio. Aiutano a proteggere i transistor di ingresso, Q1 ed Q2, contro la rottura della giunzione della base dell'emettitore. La giunzione base-emettitore di un npn il transistor si romperà quando la polarizzazione inversa supererà circa 7 V. La rottura del transistor laterale non si verificherà fino a quando la polarizzazione inversa supera circa 50 V. Poiché i transistor sono in serie con Q1 ed Q2, la tensione di breakdown del circuito di ingresso è aumentata.
Stage intermedio
Le fasi intermedie nella maggior parte degli amplificatori operazionali offrono un guadagno elevato attraverso diversi amplificatori. Nell'741, l'uscita single-ended del primo stadio è collegata alla base di Q16 che si trova in una configurazione di follower di emettitore. Ciò fornisce un'impedenza di ingresso elevata allo stadio di ingresso che riduce al minimo il carico. Lo stadio intermedio comprende anche transistor Q16 ed Q17e resistori R8 ed R9. L'uscita dello stadio intermedio viene presa dal raccoglitore di Q17e fornito a Q14 attraverso uno splitter di fase. Il condensatore nell'741 viene utilizzato per la compensazione della frequenza, che viene discusso nei capitoli successivi di questo testo.
Stadio di uscita
Lo stadio di uscita di un amplificatore operazionale è necessario per fornire un guadagno di corrente elevato a un'impedenza di uscita bassa. La maggior parte degli amplificatori operazionali utilizza uno stadio di uscita simmetrico complementare per aumentare l'efficienza senza sacrificare il guadagno di corrente. La massima efficienza ottenibile per la simmetria complementare, amplificatore di classe B è del 78%. L'amplificatore di uscita single-ended ha un'efficienza massima di solo il 25%. Alcuni amplificatori operazionali utilizzano la simmetria complementare della coppia Darlington per aumentare la loro capacità di uscita. Lo stadio di uscita della simmetria complementare nel 741 è costituito da Q14 ed Q20.
I piccoli resistori, R6 ed R7, fornire limitazione di corrente all'uscita. La coppia di Darlington, Q18 ed Q19, viene utilizzato al posto del diodo nello stadio di uscita della simmetria complementare compensato dai diodi come descritto nel Capitolo 8. La disposizione delle coppie Darlington è preferita rispetto ai due transistor collegati come diodi poiché può essere fabbricata in un'area più piccola. La sorgente di corrente che sostituisce il resistore di polarizzazione nel circuito di simmetria complementare è realizzata da una parte del transistor Q13. transistor Q22, Q23e Q24 fanno parte di un dispositivo di cambio livello che assicura che la tensione di uscita sia centrata attorno all'asse zero.
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