3. Typowy wzmacniacz operacyjny

CURRENT - 3. Typowy wzmacniacz operacyjny

POPRZEDNI 2. Przesuwniki poziomu

NASTĘPNY 4. Specyfikacje producentów

Typowy wzmacniacz operacyjny

Większość wzmacniaczy operacyjnych zaprojektowano i zbudowano zgodnie ze schematem blokowym przedstawionym na rysunku 8.

Rysunek 8 - Typowa konfiguracja wzmacniacza operacyjnego

Wzmacniacz różnicowy i stopień wzmocnienia napięcia są jedynymi etapami, które zapewniają wzmocnienie napięcia. Wzmacniacz różnicowy zapewnia również CMRR, który jest tak ważny w wzmacniaczu operacyjnym. Wyjście wzmacniacza różnicowego jest często połączone z nadajnikiem nadajnika z dużym rezystorem emiterowym, aby zapewnić wysokie obciążenie impedancji wzmacniacza różnicowego w celu uzyskania wysokiego wzmocnienia. Pamiętaj, że wzmacniacz o wysokim zysku wspólnego emitera ma znacznie niższą impedancję wejściową niż wzmacniacz CE o umiarkowanym wzmocnieniu. Pozwala to na użycie wzmacniacza CE o wysokim zysku, aby zapewnić dodatkowe wzmocnienie. Liniowe wzmacniacze operacyjne są bezpośrednio połączone, aby zapewnić ac zdobyć. Eliminuje to również potrzebę stosowania zbyt dużego kondensatora sprzęgającego do umieszczenia na układzie scalonym. Manetki poziomu są wymagane, aby upewnić się, że sygnał wyjściowy nie ma żadnego dc offsetowy. Wzmacniacze operacyjne można bardzo dokładnie modelować za pomocą symulacji obwodu. Pokażemy to za pomocą symulacji obwodu online TINACloud.

Opakowanie 3.1

Obwody wzmacniacza operacyjnego są pakowane w standardowe pakiety IC, w tym puszki, pakiety dual-in-line (DIP) i paczki płaskie. Każdy z tych pakietów ma co najmniej osiem pinów lub połączeń. Są one zilustrowane na rysunkach 9, 10 i 11.

Rysunek 9 - Połączenie wzmacniacza operacyjnego dla pakietu puszki (widok z góry)

Rysunek 10 - 14-stykowe złącze DIP wzmacniacza operacyjnego (widok z góry)

Rysunek 11 - Złącze wzmacniacza operacyjnego dla 10-pin płaskiej paczki (widok z góry)

Podczas konstruowania obwodu ważne jest prawidłowe zidentyfikowanie różnych odprowadzeń (zwykle nie są one numerowane). Rysunki ilustrują położenie sworznia 1. w może pakować na rysunku 9, szpilka 1 jest identyfikowana jako pierwsza szpilka po lewej stronie zakładki, a szpilki są numerowane kolejno przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, patrząc od góry. w Podwójny pakiet na rysunku 10, góra pakietu ma wcięcie, aby zlokalizować pin 1, a szpilki są ponumerowane w dół po lewej i prawej stronie. Zauważ, że więcej niż jeden wzmacniacz operacyjny (zazwyczaj 2 lub 4) jest zapakowany w jednym DIP.

W paczka płaska na rysunku 11, pin 1 jest identyfikowany za pomocą kropki, a piny są ponumerowane jak w DIP.

Wymagania mocy 3.2

Wiele wzmacniaczy operacyjnych wymaga zarówno ujemnego, jak i dodatniego źródła napięcia. Typowe źródła napięcia wahają się od ± 5 V do ± 25 V. Rysunek 12 pokazuje typowe połączenia zasilania do wzmacniacza operacyjnego.

Maksymalne wahanie napięcia wyjściowego jest ograniczone przez dc napięcie dostarczane do wzmacniacza operacyjnego. Niektóre wzmacniacze operacyjne mogą być zasilane z jednego źródła napięcia. Specyfikacje producenta określają granice działania w tych przypadkach, gdy wzmacniacz operacyjny korzysta tylko z jednego zasilacza.

Rysunek 12 - Połączenia zasilania

Maksymalne wahanie napięcia wyjściowego jest ograniczone przez dc napięcie dostarczane do wzmacniacza operacyjnego. Niektóre wzmacniacze operacyjne mogą być zasilane z jednego źródła napięcia. Specyfikacje producenta określają granice działania w tych przypadkach, gdy wzmacniacz operacyjny korzysta tylko z jednego zasilacza.

3.3 Wzmacniacz 741

Wzmacniacz operacyjny μA741 jest zilustrowany w równoważnym układzie z rysunku 13. Został on wyprodukowany od 1966 przez większość producentów układów scalonych i pomimo wielu postępów od jego wprowadzenia, 741 jest nadal szeroko stosowany.

Rysunek 13 - Op-amp 741

Op-amp 741 ma rekompensata wewnętrzna który odnosi się do sieci RC, która powoduje spadek amplitudy wysokiej częstotliwości. Ponieważ wzmacniacz ma duże wzmocnienie (na zamówienie 10⁴ do 10⁵ na niskich częstotliwościach) i ponieważ pozwalają na to pasożytnicze pojemności w tranzystorach pasożytnicza informacja zwrotna, wzmacniacz operacyjny stałby się niestabilny i oscylowałby, gdyby nie kompensacja wewnętrzna. Dwa kaskadowe wzmacniacze różnicowe napędzają komplementarny wzmacniacz symetrii poprzez inny wzmacniacz napięcia.

Op-amp 741 składa się z trzech etapów: wejściowego wzmacniacza różnicowego, pośredniego single-ended wzmacniacza o wysokim wzmocnieniu i wzmacniacza buforującego wyjście. Inne obwody ważne dla jego działania to przesuwnik poziomu, który przesuwa dc poziom sygnału tak, aby wyjście mogło wychylać zarówno dodatnie, jak i ujemne obwody polaryzacji, aby dostarczyć prądy odniesienia do różnych wzmacniaczy oraz obwody, które chronią wzmacniacz operacyjny przed zwarciami na wyjściu. 741 jest wewnętrznie kompensowany za pomocą wbudowanej sieci rezystorów kondensatorów.

Wzmacniacz operacyjny jest dodatkowo ulepszany przez dodanie kolejnych etapów wzmacniania, izolowanie obwodów wejściowych i dodawanie kolejnych nadajników nadajnika na wyjściu, aby zmniejszyć impedancję wyjściową. Inne ulepszenia powodują wzrost CMRR, wyższą impedancję wejściową, szersze pasmo przenoszenia, zmniejszoną impedancję wyjściową i zwiększoną moc.

Obwody uprzedzeń

Kilka stałych źródeł można zobaczyć w op-amp 741 z rysunku 13. Tranzystory Q₈ i Q₉ są bieżącym źródłem dla I_EE wzmacniacza różnicowego utworzonego przez Q₁, Q₂, Q₃, Q₄. Tranzystory Q₅, Q₆, Q₇, czy aktywne obciążenia zastępują R_C rezystory wzmacniacza różnicowego. Tranzystory Q₁₀, Q₁₁, Q₁₂ tworzą sieć polaryzacji dla różnicowych źródeł prądu wzmacniacza. Tranzystory Q₁₀ i Q₁₁ utworzyć źródło prądu Widlar dla tej sieci polaryzacji z innymi tranzystorami działającymi jako zwierciadło prądowe.

Short Circuit Protection

Obwód 741 zawiera pewną liczbę tranzystorów, które normalnie są odcinane i przewodzą tylko w przypadku, gdy na wyjściu występuje duży prąd. Nastawienie tranzystorów wyjściowych jest następnie zmieniane w celu zmniejszenia tego prądu do akceptowalnego poziomu. W obwodzie z rysunku 13 ta sieć ochrony przed zwarciem składa się z tranzystorów Q₁₅ i Q₂₂ i rezystor R_11.

Etap wprowadzania

Stopień wejściowy wzmacniacza operacyjnego 741 jest wymagany do zapewnienia wzmocnienia napięcia, przesunięcia poziomu i wyjścia wzmacniacza różnicowego z pojedynczym zakończeniem. Złożoność obwodów powoduje duży błąd napięcia przesunięcia. W przeciwieństwie do tego standardowy wzmacniacz różnicowy obciążony rezystorem powoduje mniejszy błąd napięcia przesunięcia. Standardowy wzmacniacz ma jednak ograniczone wzmocnienie, co oznacza, że ​​do osiągnięcia pożądanego wzmocnienia wymagane będzie więcej stopni. Wzmacniacze różnicowe obciążone rezystorem są używane w wzmacniaczach operacyjnych, które mają mniejszy dryft napięcia niż 741.

BJT używane w stopniu wejściowym wymagają dużych prądów polaryzacji, wprowadzając problemy z prądem przesunięcia. Aby zmniejszyć błąd prądu offsetu, inne typy wzmacniaczy operacyjnych wykorzystują tranzystory MOSFET w stopniu wejściowym.

Stopień wejściowy 741 to wzmacniacz różnicowy z aktywnym obciążeniem utworzonym przez tranzystory Q₅, Q₆, Q₇ i oporniki R₁, R₂, R₃. Obwód ten zapewnia wysokie obciążenie rezystancji i przekształca sygnał z mechanizmu różnicowego na jednostronny bez degradacji wzmocnienia lub współczynnika odrzucenia w trybie wspólnym. Wyjście single-ended pochodzi z kolekcjonera Q₆. Przesuwnik poziomu wejściowego składa się z bocznego pnp tranzystory, Q₃ i Q₄, które są połączone w konfiguracji wspólnej bazy.

Korzystanie z tranzystorów bocznych, Q₃ i Q₄, daje dodatkową korzyść. Pomagają chronić tranzystory wejściowe, Q₁ i Q₂, przeciw uszkodzeniu złącza emiter-podstawa. Złącze emiter-baza an npn tranzystor załamie się, gdy odchylenie wsteczne przekroczy 7 V. Przebicie tranzystora bocznego nie występuje, dopóki polaryzacja wsteczna nie przekroczy 50 V. Ponieważ tranzystory są połączone szeregowo Q₁ i Q₂, napięcie przebicia obwodu wejściowego jest zwiększone.

Etap pośredni

Etapy pośrednie w większości wzmacniaczy operacyjnych zapewniają wysokie wzmocnienie poprzez kilka wzmacniaczy. W 741 pojedyncze wyjście pierwszego stopnia jest połączone z bazą Q₁₆ który jest w konfiguracji nadawcy emiterów. Zapewnia to wysoką impedancję wejściową do stopnia wejściowego, co minimalizuje obciążenie. Etap pośredni składa się również z tranzystorów Q₁₆ i Q₁₇i rezystory R₈ i R₉. Wyjście etapu pośredniego pochodzi z kolekcjonera Q₁₇i dostarczone do Q₁₄ przez rozdzielacz faz. Kondensator w 741 jest używany do kompensacji częstotliwości, co omówiono w kolejnych rozdziałach tego tekstu.

Etap wyjściowy

Stopień wyjściowy wzmacniacza operacyjnego jest wymagany do zapewnienia dużego wzmocnienia prądowego przy niskiej impedancji wyjściowej. Większość wzmacniaczy operacyjnych wykorzystuje komplementarny symetryczny stopień wyjściowy w celu zwiększenia wydajności bez poświęcania wzmocnienia prądu. Maksymalna osiągalna sprawność dla komplementarnej symetrii wzmacniacza klasy B wynosi 78%. Wzmacniacz wyjściowy single-ended ma maksymalną sprawność tylko 25%. Niektóre wzmacniacze operacyjne wykorzystują komplementarną symetrię par Darlingtona, aby zwiększyć swoje możliwości wyjściowe. Uzupełniający stopień wyjściowy symetrii w 741 składa się z Q₁₄ i Q₂₀.

Małe rezystory, R₆ i R₇, zapewnić ograniczenie prądu na wyjściu. Para Darlingtonów, Q₁₈ i Q₁₉, jest używany zamiast diody w komplementarnym stopniu wyjściowym symetrii kompensowanej diodą, jak opisano w rozdziale 8. Układ pary Darlingtona jest preferowany w stosunku do dwóch tranzystorów połączonych jako dioda, ponieważ może być wykonany na mniejszym obszarze. Źródło prądu zastępujące rezystor polaryzacji w komplementarnym obwodzie symetrii jest realizowane przez jedną część tranzystora Q₁₃. Tranzystory Q₂₂, Q₂₃, Q₂₄ są częścią układu przesuwnika poziomu, który zapewnia, że ​​napięcie wyjściowe jest wyśrodkowane wokół osi zerowej.

CURRENT - 3. Typowy wzmacniacz operacyjny

POPRZEDNI 2. Przesuwniki poziomu