Den typiske OP-amp-TINA og TINACloud Resources

Den typiske opp-amp

De fleste operasjonsforsterkere er konstruert og konstruert i samsvar med blokkdiagrammet vist i Figur 8.

Figur 8 - Typisk konfigurasjon av en op-amp

Differensialforsterkeren og spenningsforsterkningsfasen er de eneste trinnene som gir spenningsforsterkningen. Differensialforsterkeren gir også CMRR som er så viktig i opp-amp. Utgangen fra differensialforsterkeren er ofte forbundet med en emitterfølger med en stor emittermotstand for å gi en høyimpedansbelastning til differensialforsterkeren for å oppnå en høy forsterkning. Husk at en forsterker med høy forsterkning har mye lavere inngangsimpedans enn en moderat forsterker CE-forsterker. Dette tillater da bruk av en høyforsterket CE-forsterker for å gi den ekstra gevinsten. Lineære opp-ampere er direkte koblet til å gi ac gevinst. Dette eliminerer også behovet for en koblingskondensator som er for stor til å bli plassert på en IC-chip. Nivåvifter er nødvendig for å sikre at utgangssignalet ikke har noen dc forskyvning. Op-forsterkere kan modelleres veldig nøyaktig ved kretssimulering. Vi vil demonstrere dette ved hjelp av TINACloud online kretssimulering.

3.1-emballasje

Op-amp kretser er pakket i standard IC pakker, inkludert bokser, dual-in-line pakker (DIP) og flate pakker. Hver av disse pakkene har minst åtte pins eller tilkoblinger. De er illustrert i figurene 9, 10 og 11.

Figur 9 - Op-amp-tilkobling for kanpakke (toppvisning)

Figur 10 - Op-amp-tilkobling 14-pin DIP (sett ovenfra)

Figur 11 - Op-amp-tilkobling for 10-stift flatpakke (toppvisning)

Ved konstruksjon av en krets er det viktig å identifisere de ulike lederne riktig (de er vanligvis ikke nummerert). Tallene illustrerer plasseringen av pin 1. I kan pakke i figur 9 er pin 1 identifisert som den første pinnen til venstre for fanen, og pinnene er nummerert etter hverandre mot urviseren fra toppen. I dual-in-line pakke i figur 10 har toppen av pakken en innrykk for å finne pin 1, og tappene er nummerert ned til venstre og oppe til høyre. Merk at mer enn én op-amp (vanligvis 2 eller 4) er pakket i ett DIP.

på flat pakke i figur 11, er pin 1 identifisert med en prikk, og tappene er nummerert som i DIP.

3.2 Power Requirements

Mange op-ampere krever både en negativ og en positiv spenningskilde. Typiske spenningskilder varierer fra ± 5 V til ± 25 V. Figur 12 viser typiske strømforsyningsforbindelser til forsterkeren.

Maksimal utgangsspenning swing er begrenset av dc spenning levert til op-amp. Noen operasjonsforsterkere kan betjenes fra en enkelt spenningskilde. Produsentens spesifikasjoner definerer grensene for drift i de tilfeller der op-amp bare bruker en strømforsyning.

Figur 12 - Strømforsyningstilkoblinger

3.3 741 Op-amp

ΜA741 op amp er illustrert i ekvivalent krets i figur 13. Det er produsert siden 1966 av de fleste IC-produsenter, og selv om det har vært mange fremskritt siden introduksjonen, er 741 fortsatt mye brukt.

operasjonsforsterkere, typiske op-ampere

Figur 13 - 741 opp-amp

741 opp-amp har intern kompensasjon som refererer til RC-nettverket som forårsaker at høyfrekvens amplitude respons faller av. Fordi forsterkeren har høy forsterkning (på rekkefølgen av 10⁴ til 10⁵ ved lave frekvenser) og fordi parasittiske kapasitanser i transistorene tillater det parasittisk tilbakemelding, vil forsterkeren bli ustabil og oscillere hvis det ikke var for den interne kompensasjonen. To kaskadeforskjellforsterkere driver en komplementær symmetriforsterker via en annen spenningsforsterker.

741-forsterkeren består av tre trinn: en inngangs differensialforsterker, en mellomforsterket forsterker med høy forsterkning og en utgangsbufferforsterker. Andre kretser som er viktige for driften er et nivåforskyvning for å skifte dc nivå av signalet slik at utgangen kan svinge både positive og negative, bias kretser for å gi referansestrømmer til de forskjellige forsterkerne, og kretser som beskytter OP-ampen fra kortslutning på utgangen. 741 kompenseres internt ved hjelp av et kondensator-motstandsnett på on-chip.

Op-ampten forbedres ytterligere ved å legge til flere stadier av forsterkning, isolere inngangskretsene og legge til flere emitterfølgere ved utgangen for å redusere utgangssimpedansen. Andre forbedringer gir økt CMRR, høyere inngangsimpedans, bredere frekvensrespons, redusert utgangsimpedans og økt effekt.

Bias kretser

Flere konstante kilder kan ses i 741-forsterkeren i figur 13. transistorer Q₈ og Q₉ er den nåværende kilden til I_EE av differensialforsterkeren dannet av Q₁, Q₂, Q₃og Q₄. transistorer Q₅, Q₆og Q₇, er de aktive belastningene erstatning for R_C motstander av differensialforsterkeren. transistorer Q₁₀, Q₁₁og Q₁₂ danne forspenningsnettverket for differensialforsterkerens strømkilder. Transistorer Q₁₀ og Q₁₁ danner en Widlar-strømkilde for dette biasnettet med de andre transistorene som fungerer som et aktuelt speil.

Kortslutning beskyttelse

741-kretsen inneholder et antall transistorer som normalt kuttes av og utføres bare dersom en stor strøm eksisterer ved utgangen. Forspenningen på utgangstransistorene blir da endret for å redusere denne strømmen til et akseptabelt nivå. I kretsen i figur 13 består dette kortslutningsvernnettverket av transistorer Q₁₅ og Q₂₂ og motstand R_11.

Inngangsstadium

Inngangsstedet til 741-forsterkeren er nødvendig for å gi spenningsforsterkning, nivåforskyving og en enkelt-endet differensialforsterkerutgang. Kompleksiteten til kretsløpet forårsaker en stor offset-spenningsfeil. I motsetning til dette medfører den standard motstandsbelastede differensialforsterkeren mindre motsatt spenningsfeil. Standardforsterkeren har imidlertid begrenset gevinst, hvilket innebærer at flere stadier vil bli nødvendig for å oppnå den ønskede amplifikasjon. Modstandsbelastede differensialforsterkere brukes i op-ampere som har mindre spenningsdrift enn 741.

BJTer som brukes i inngangsfasen krever store biasstrømmer, og innfører offset-strømproblemer. For å redusere offset-feilen, bruker andre op-amp-typer MOSFETer i inngangsstaten.

Inngangsstedet til 741 er en differensialforsterker med en aktiv last dannet av transistorer Q₅, Q₆og Q₇ og motstander R₁, R₂og R₃. Denne kretsen gir en høy motstandsbelastning og konverterer signalet fra differensial til enkelt-slutt uten forringelse av forsterkning eller fellesmodus avvisningsforhold. Enkelt-sluttproduksjonen er hentet fra samleren til Q₆. Inngangsstegnivåforskyvningen består av lateral pnp transistorer, Q₃ og Q₄, som er koblet til i en fellesbasert konfigurasjon.

Bruk av sidetransistorene, Q₃ og Q₄, resulterer i en ekstra fordel. De bidrar til å beskytte inngangstransistorene, Q₁ og Q₂, mot emitter-base veikryss sammenbrudd. Emitter-basen krysset av en npn transistoren vil bryte ned når den motsatte bias overstiger ca. 7 V. Lateral transistor nedbrytning skjer ikke før den motsatte bias overstiger ca. 50 V. Siden transistorene er i serie med Q₁ og Q₂, er spaltningen av inngangskretsen økt.

Mellomstadiet

De mellomliggende trinnene i de fleste op-ampere gir høy forsterkning gjennom flere forsterkere. I 741 er den engangs-utgangen av første etappe koblet til basen av Q₁₆ som er i en emitterfølgerkonfigurasjon. Dette gir en høy inngangsimpedans til inngangstrinnet som minimerer belastningen. Mellomstadiet består også av transistorer Q₁₆ og Q₁₇, og motstander R₈ og R₉. Utgangen av mellomstadiet er hentet fra samleren til Q₁₇, og gitt til Q₁₄ gjennom en fase splitter. Kondensatoren i 741 brukes til frekvenskompensasjon som diskuteres i de etterfølgende kapitlene i denne teksten.

Utgangstrinn

Utgangstrinnet til en op-amp kreves for å gi høy strømforsterkning til en lav-utgangsimpedans. De fleste op-forsterkere bruker et komplementært symmetriutgangstrinn for å øke effektiviteten uten å ofre strømforsterkningen. Maksimal oppnåelig effektivitet for komplementær symmetri, klasse B-forsterker er 78%. Utgangsforsterkeren med en ende har en maksimal effektivitet på bare 25%. Noen op-forsterkere bruker Darlington-par komplementær symmetri for å øke utgangsevnen. Det komplementære symmetriutgangstrinnet i 741 består av Q₁₄ og Q₂₀.

De små motstandene, R₆ og R₇, gi nåværende begrensning på utgangen. Darlington-paret, Q₁₈ og Q₁₉, brukes i stedet for dioden i det diodkompenserte komplementære symmetriutgangstrinn som beskrevet i kapittel 8. Darlington-pararrangementet er favorisert over de to transistorene forbundet som en diode siden den kan fremstilles i et mindre område. Den nåværende kilde som erstatter biasmotstanden i den komplementære symmetrikretsen, realiseres av en del av transistoren Q₁₃. transistorer Q₂₂, Q₂₃og Q₂₄ er en del av et nivåforskyvningsarrangement som sikrer at utgangsspenningen er sentrert rundt null-aksen.

AKTUELT - 3. Den typiske op-forsterkeren

TIDLIGERE - 2. Nivå shifters

NESTE-4. Produsent spesifikasjoner