De typische Op-amp-TINA- en TINACloud-bronnen

De typische Op-versterker

De meeste operationele versterkers zijn ontworpen en geconstrueerd in overeenstemming met het blokschema in afbeelding 8.

Figuur 8 - Typische configuratie van een op-amp

De verschilversterker en de spanningversterkingstrap zijn de enige trappen die de spanningsversterking verschaffen. De differentiële versterker levert ook de CMRR die zo belangrijk is in de op-amp. De uitgang van de verschilversterker is vaak verbonden met een emittervolger met een grote emitterweerstand om een hoge impedantiebelasting aan de verschilversterker te verschaffen om een hoge versterking te verkrijgen. Vergeet niet dat een common-emitter-versterker met veel versterking te lijden heeft van een veel lagere ingangsimpedantie dan een CE-versterker met matige versterking. Dit maakt dan het gebruik van een CE-versterker met hoge versterking mogelijk om de extra versterking te verschaffen. Lineaire op-amps worden direct gekoppeld om te voorzien ac krijgen. Dit elimineert ook de noodzaak voor een koppelcondensator die te groot is om op een IC-chip te worden geplaatst. Niveauverschuivers zijn vereist om ervoor te zorgen dat het uitgangssignaal er geen heeft dc compensatie. Op-amps kunnen zeer nauwkeurig worden gemodelleerd door middel van circuitsimulatie. We zullen dit demonstreren met behulp van de TINACloud online circuitsimulatie.

3.1 verpakking

Opamp-circuits zijn verpakt in standaard IC-pakketten, waaronder blikjes, dual-in-line-pakketten (DIP) en flat packs. Elk van deze pakketten heeft ten minste acht pinnen of verbindingen. Ze worden geïllustreerd in de figuren 9, 10 en 11.

Figuur 9 - Op-amp-aansluiting voor blikpakket (bovenaanzicht)

Figuur 10 - Op-amp-aansluiting 14-pins DIP (bovenaanzicht)

Figuur 11 - Op-amp-aansluiting voor 10-pin flat pack (bovenaanzicht)

Bij het bouwen van een circuit is het belangrijk om de verschillende leads correct te identificeren (ze zijn meestal niet genummerd). De afbeeldingen illustreren de locatie van pin 1. In de kan verpakken van figuur 9 wordt pin 1 geïdentificeerd als de eerste pin links van het lipje, en zijn de pinnen vanaf de bovenkant opeenvolgend genummerd, tegen de klok in. In de dual-in-line pakket van figuur 10 heeft de bovenkant van het pakket een inkeping om pin 1 te vinden, en de pinnen zijn links en rechts genummerd. Merk op dat meer dan één op-amp (meestal 2 of 4) is verpakt in één DIP.

In het platte verpakking van figuur 11 wordt pin 1 geïdentificeerd door een punt en zijn de pinnen genummerd zoals in de DIP.

3.2 Stroomvereisten

Veel op-amps vereisen zowel een negatieve als een positieve spanningsbron. Typische spanningsbronnen variëren van ± 5 V tot ± 25 V. Afbeelding 12 toont typische voedingsaansluitingen naar de op-amp.

De maximale uitgangsspanningszwaai wordt beperkt door de dc spanning geleverd aan de op-amp. Sommige operationele versterkers kunnen worden bediend vanaf een enkele spanningsbron. De specificaties van de fabrikant bepalen de werkingsgrenzen in die gevallen waarin de op-amp slechts één voeding gebruikt.

Figuur 12 - Voedingsaansluitingen

3.3 De 741 Op-amp

De μA741-op-amp wordt geïllustreerd in het equivalente circuit van figuur 13. Het is geproduceerd sinds 1966 door de meeste IC-fabrikanten en hoewel er veel vooruitgang is geboekt sinds de introductie, wordt de 741 nog steeds veel gebruikt.

operationele versterkers, typische opamps

Figuur 13 - De 741-op-versterker

De 741 op-amp heeft interne compensatie die verwijst naar het RC-netwerk waardoor de hoogfrequente amplituderespons wegvalt. Omdat de versterker een hoge versterking heeft (in de volgorde van 10⁴ naar 10⁵ bij lage frequenties) en omdat parasitaire capaciteiten in de transistors dit toestaan parasitaire feedback, zou de op-amp onstabiel worden en oscilleren als het niet voor de interne compensatie was. Twee gecascadeerde verschilversterkers sturen een complementaire symmetrische eindversterker door een andere spanningsversterker.

De 741-op-amp bestaat uit drie fasen: een ingangsverschilversterker, een tussenliggende versterker met enkele eindversterker en een uitgangsbufferversterker. Andere circuits die belangrijk zijn voor de werking ervan, zijn een niveauverschuiver om de dc niveau van het signaal zodat de uitgang zowel positieve als negatieve, bias-circuits kan zwaaien om referentiestromen naar de verschillende versterkers te leveren, en circuits die de op-amp beschermen tegen kortsluitingen aan de uitgang. De 741 wordt intern gecompenseerd door middel van een on-chip condensatorweerstandnetwerk.

De op-amp wordt verder verbeterd door meer stappen van versterking toe te voegen, de ingangscircuits te isoleren en meer emittervolgers aan de uitgang toe te voegen om de uitgangsimpedantie te verlagen. Andere verbeteringen resulteren in verhoogde CMRR, hogere ingangsimpedantie, bredere frequentierespons, verminderde uitgangsimpedantie en verhoogd vermogen.

Bias Circuits

Verschillende constante bronnen zijn te zien in de 741-op-amp van Figure 13. transistors Q₈ en Q₉ zijn de huidige bron voor I_EE van de differentiële versterker gevormd door Q₁, Q₂, Q₃ en Q₄. transistors Q₅, Q₆ en Q₇, zijn de actieve belastingen vervangen door de R_C weerstanden van de differentiaalversterker. transistors Q₁₀, Q₁₁ en Q₁₂ vormen het bias-netwerk voor de stroombronnen van de differentiële versterker. Transistors Q₁₀ en Q₁₁ vormen een Widlar-stroombron voor dit bias-netwerk waarbij de andere transistors werken als een huidige spiegel.

Short Circuit Protection

Het 741-circuit bevat een aantal transistoren die normaal worden afgesneden en alleen worden geleid in het geval dat er een grote stroom aan de uitgang aanwezig is. De voorspanning op de uitgangstransistoren wordt dan veranderd om deze stroom tot een acceptabel niveau te reduceren. In het circuit van figuur 13 bestaat dit kortsluitbeveiligingsnetwerk uit transistors Q₁₅ en Q₂₂ en weerstand R_11.

Invoerfase

De ingangstrap van de 741 op-amp is vereist om spanningsversterking, niveauverschuiving en een uitgang voor enkelvoudige differentiële versterker te bieden. De complexiteit van de schakelingen veroorzaakt een grote offset-spanningsfout. In tegenstelling hiermee veroorzaakt de standaard weerstandbelaste differentiaalversterker minder offset-spanningsfouten. De standaardversterker heeft echter een beperkte versterking, wat betekent dat meer trappen vereist zouden zijn om de gewenste versterking te bereiken. De met weerstand belaste differentiële versterkers worden gebruikt in op-amps die minder spanningsafwijkingen hebben dan de 741.

BJT's die in de invoerstap worden gebruikt, vereisen grote biasstromen en introduceren offset-stroomproblemen. Om de offset-stroomfout te verminderen, gebruiken andere op-amp-typen MOSFET's in de ingangstrap.

De ingangstrap van de 741 is een differentiaalversterker met een actieve belasting die wordt gevormd door transistors Q₅, Q₆ en Q₇ en weerstanden R₁, R₂ en R₃. Deze schakeling zorgt voor een hoge weerstandsbelasting en converteert het signaal van differentieel naar enkelzijdig zonder degradatie van versterking of common-mode rejectieverhouding. De uitgang met één uitgang wordt afgenomen van de verzamelaar van Q₆. De niveauschuiver van de ingangstrap bestaat uit een zijwaartse beweging PNP transistors, Q₃ en Q₄, die zijn verbonden in een common-base-configuratie.

Gebruik van de laterale transistors, Q₃ en Q₄, resulteert in een extra voordeel. Ze helpen de ingangstransistors te beschermen, Q₁ en Q₂, tegen verdeling van de emitter-basisovergang. De emitter-basis knooppunt van een nPN De transistor wordt afgebroken wanneer de tegendruk groter is dan ongeveer 7 V. Laterale transistordoorslag treedt niet op totdat de tegendruk groter is dan ongeveer 50 V. Aangezien de transistors in serie zijn met Q₁ en Q₂, de doorslagspanning van het ingangscircuit is verhoogd.

Tussenfase

De tussenstadia in de meeste op-amps bieden een hoge versterking via verschillende versterkers. In de 741 is de uitgang met één uitgang van de eerste trap verbonden met de basis van Q₁₆ welke in een emittervolgerconfiguratie is. Dit verschaft een hoge ingangsimpedantie voor de ingangstrap die het laden minimaliseert. De tussenfase bestaat ook uit transistors Q₁₆ en Q₁₇en weerstanden R₈ en R₉. De output van de tussenstap wordt genomen van de collector van Q₁₇, en verstrekt aan Q₁₄ via een fasesplitser. De condensator in de 741 wordt gebruikt voor frequentiecompensatie die in de volgende hoofdstukken van deze tekst wordt besproken.

Uitgangsfase

De eindtrap van een op-amp is vereist om een hoge stroomversterking te leveren aan een lage uitgangsimpedantie. De meeste op-amps gebruiken een complementaire symmetrie-eindtrap om de efficiëntie te verhogen zonder in te boeten aan stroomversterking. De maximaal haalbare efficiëntie voor de complementaire symmetrie, klasse B-versterker is 78%. De single-ended uitgangsversterker heeft een maximale efficiëntie van slechts 25%. Sommige op-amps gebruiken complementaire symmetrie van Darlington-paar om hun outputvermogen te vergroten. De complementaire symmetrie-eindtrap in de 741 bestaat uit Q₁₄ en Q₂₀.

De kleine weerstanden, R₆ en R₇, geef stroombeperking aan de uitgang. Het Darlington-paar, Q₁₈ en Q₁₉, wordt gebruikt in plaats van de diode in de diode-gecompenseerde complementaire symmetrie-uitgangstrap zoals beschreven in hoofdstuk 8. De rangschikking van Darlington-paren heeft de voorkeur boven de twee transistoren die als een diode zijn verbonden, aangezien deze in een kleiner gebied kan worden vervaardigd. De stroombron die de voorspanningweerstand in de complementaire symmetriekring vervangt, wordt gerealiseerd door één deel van de transistor Q₁₃. transistors Q₂₂, Q₂₃ en Q₂₄ maken deel uit van een niveauverschuivingsinrichting die verzekert dat de uitgangsspanning gecentreerd is rond de nulas.

CURRENT - 3. De typische opamp

VORIGE- 2. Level shifters

VOLGENDE - 4. Fabrikanten specificaties