Resurse tipice Op-amp-TINA și TINACloud

Amplificatorul tipic Op-amp

Majoritatea amplificatoarelor operaționale sunt proiectate și construite în conformitate cu diagrama bloc prezentată în figura 8.

Figura 8 - Configurația tipică a unui op-amp

Amplificatorul diferențial și treapta de câștig de tensiune sunt singurele etape care asigură câștigul de tensiune. Amplificatorul diferențial oferă, de asemenea, CMRR care este atât de important în op-amp. Iesirea amplificatorului diferențial este adesea conectată la un dispozitiv de emițător cu un rezistor emițător mare, astfel încât să asigure o încărcare cu impedanță ridicată amplificatorului diferențial pentru a obține un câștig mare. Amintiți-vă că un amplificator comun cu emițător obișnuit suferă de impedanță de intrare mult mai mică decât un amplificator CE cu amplificare moderată. Aceasta permite apoi utilizarea unui amplificator CE cu câștig ridicat pentru a obține câștigul suplimentar. Amplificatoarele optice liniar sunt cuplate direct pentru a oferi ac câştig. Acest lucru elimină de asemenea necesitatea unui condensator de cuplare prea mare pentru a fi introdus pe un cip IC. Sunt necesare schimbatoare de nivel pentru a se asigura ca semnalul de iesire nu are niciun element dc decalaj. Amplificatoarele operaționale pot fi modelate foarte precis prin simulare de circuit. Vom demonstra acest lucru folosind simularea circuitului online TINACloud.

3.1 Packaging

Circuitele op-amp sunt ambalate în pachete standard IC, inclusiv cutii, pachete dual-in-line (DIP) și pachete plate. Fiecare dintre aceste pachete are cel puțin opt pini sau conexiuni. Ele sunt ilustrate în figurile 9, 10 și 11.

Figura 9 - Conexiune op-amp pentru pachetul de cutii (vedere de sus)

Figura 10 - Conexiune amplificator operațional DIP cu 14 pini (vedere de sus)

Figura 11 - Conexiune op-amp pentru pachetul plat 10-pin (Vedere de sus)

Când se construiește un circuit, este important să se identifice corect diferitele cabluri (de obicei nu sunt numerotate). Cifrele ilustrează locația pinului 1. În poate pachet din figura 9, pinul 1 este identificat ca primul pin în stânga filei, iar pinii sunt numerotați în sens invers acelor de ceasornic din partea de sus. În pachet dual-in-line din Figura 10, partea superioară a pachetului are o indentare pentru a localiza pinul 1, iar știfturile sunt numerotate în partea stângă și în sus în dreapta. Rețineți că mai mult de un op-amp (de obicei 2 sau 4) este ambalat într-un singur DIP.

În ambalaj plat din figura 11, pinul 1 este identificat printr-un punct și pinii sunt numerotați ca în DIP.

Cerințe de alimentare 3.2

Multe op-amperi necesită atât o sursă de tensiune negativă, cât și una pozitivă. Sursele tipice de tensiune variază de la ± 5 V la ± 25 V. Figura 12 prezintă conexiuni tipice de alimentare la op-amp.

Turația maximă de ieșire a tensiunii de ieșire este limitată de dc tensiunea furnizată amplificatorului op. Unele amplificatoare operaționale pot fi operate de la o singură sursă de tensiune. Specificațiile producătorului definesc limitele de funcționare în acele cazuri în care amplificatorul operațional utilizează o singură sursă de alimentare.

Figura 12 - Conexiuni de alimentare

3.3 Op-ampul 741

Opamp-ul μA741 este ilustrat în circuitul echivalent din Figura 13. Acesta a fost produs de la 1966 de majoritatea producătorilor de IC și, deși au existat multe progrese de la introducerea sa, 741 este încă utilizat pe scară largă.

amplificatoare operaționale, op-amperi tipici

Figura 13 - Ampermetrul 741

Ampermetrul 741 are compensare internă care se referă la rețeaua RC care determină scăderea răspunsului de amplitudine de înaltă frecvență. Deoarece amplificatorul are câștig mare (la ordinea 10⁴ la 10⁵ la frecvențe joase) și datorită capacităților parazite din tranzistori feedback parazitar, op-amp ar deveni instabil și oscilează dacă nu ar fi pentru compensarea internă. Două amplificatoare diferențiale cascadate conduc un amplificator de putere simetric complementar prin intermediul unui alt amplificator de tensiune.

Ampermetrul 741 cuprinde trei etape: un amplificator diferențial de intrare, un amplificator intermediar cu un singur capăt și un amplificator de tampon de ieșire. Alte circuite importante pentru funcționarea sa sunt un schimbător de nivel pentru a comuta dc nivelul semnalului, astfel încât ieșirea să poată schimba atât circuitele de polarizare pozitivă, cât și negativă pentru a furniza curenți de referință diferiților amplificatoare și circuite care protejează op-ampul de scurtcircuit la ieșire. 741 este compensat intern prin intermediul unei retele de rezistoare de condensator pe cip.

Amplificatorul op-amp este îmbunătățit în continuare prin adăugarea mai multor etape de amplificare, prin izolarea circuitelor de intrare și prin adăugarea mai multor emițători la ieșire pentru a scădea impedanța de ieșire. Alte îmbunătățiri au ca rezultat creșterea CMRR, impedanța de intrare mai mare, răspunsul la frecvență mai mare, impedanța de ieșire scăzută și creșterea puterii.

Circuite bias

Mai multe surse constante pot fi văzute în op-ampul 741 din Figura 13. tranzistori Q₈ și Q₉ sunt sursa curenta pentru I_EE a amplificatorului diferențial format de Q₁, Q₂, Q₃, și Q₄. tranzistori Q₅, Q₆, și Q₇, sunt încărcăturile active care înlocuiesc sarcina R_C rezistențe ale amplificatorului diferențial. tranzistori Q₁₀, Q₁₁, și Q₁₂ formează rețeaua de polarizare pentru sursele de curent ale amplificatorului diferențial. Tranzistoare Q₁₀ și Q₁₁ formează o sursă de curent Widlar pentru această rețea de părtinire, cu celelalte tranzistoare care acționează ca o oglindă curentă.

Protecție la scurtcircuit

Circuitul 741 include un număr de tranzistoare care sunt în mod normal deconectate și realizate numai în cazul în care la ieșire există un curent mare. Deversarea tranzistorilor de ieșire este apoi modificată pentru a reduce acest curent la un nivel acceptabil. În circuitul din Figura 13, această rețea de protecție la scurtcircuit constă din tranzistoare Q₁₅ și Q₂₂ și rezistor R_11.

Stadiul de intrare

Etapa de intrare a op-amp-ului 741 este necesară pentru a asigura creșterea tensiunii, deplasarea nivelului și ieșirea unui amplificator diferențial cu un singur capăt. Complexitatea circuitului provoacă o eroare mare de tensiune de offset. Spre deosebire de aceasta, amplificatorul diferențial încărcat cu rezistență standard cauzează o eroare de tensiune mai mică decalată. Cu toate acestea, amplificatorul standard are un câștig limitat, ceea ce înseamnă că ar fi necesare mai multe etape pentru a obține amplificarea dorită. Amplificatoarele diferențiale încărcate cu rezistență sunt utilizate în op-amperi care au un drift mai scăzut decât 741.

BJT-urile utilizate în stadiul de intrare necesită curenți de polarizare mari, introducând probleme curente de compensare. Pentru a reduce eroarea curentului offset, alte tipuri de op-amp utilizează MOSFET-uri în stadiul de intrare.

Etapa de intrare a lui 741 este un amplificator diferențial cu o sarcină activă formată de tranzistori Q₅, Q₆, și Q₇ și rezistențe R₁, R₂, și R₃. Acest circuit oferă o sarcină de rezistență ridicată și convertește semnalul de la diferențial la un singur capăt fără a degrada câștigul sau rata de respingere comună. Ieșirea cu un singur capăt este preluată de la colectorul Q₆. Măsurătorul de nivel al treptei de intrare este format lateral pnp tranzistori, Q₃ și Q₄, care sunt conectate într-o configurație comună de bază.

Utilizarea tranzistoarelor laterale, Q₃ și Q₄, are ca rezultat un avantaj suplimentar. Ele ajută la protejarea tranzistoarelor de intrare, Q₁ și Q₂, împotriva distrugerii joncțiunii emițător-bază. Etapa de emițător-bază a unui NPN tranzistorul se va rupe în cazul în care părtinirea inversă depășește aproximativ 7 V. Defalcarea laterală a tranzistorului nu are loc până când părtinirea inversă depășește aproximativ 50 V. Deoarece tranzistoarele sunt în serie cu Q₁ și Q₂, tensiunea de rupere a circuitului de intrare este mărită.

Stadiul intermediar

Etapele intermediare în cele mai multe op-amperi oferă câștiguri mari prin intermediul câtorva amplificatoare. În 741, ieșirea cu un singur capăt al primei trepte este conectată la baza de Q₁₆ care este în configurația unui follower de emițător. Aceasta oferă o impedanță de intrare ridicată la stadiul de intrare care minimizează încărcarea. Etapa intermediară constă, de asemenea, din tranzistori Q₁₆ și Q₁₇, și rezistențe R₈ și R₉. Ieșirea fazei intermediare este preluată din colectorul Q₁₇, și furnizate la Q₁₄ printr-un splitter de fază. Condensatorul din 741 este utilizat pentru compensarea frecvenței, care este discutat în capitolele ulterioare ale acestui text.

Faza de ieșire

Etapa de ieșire a unui amplificator operațional este necesară pentru a oferi un câștig mare de curent la o impedanță de ieșire redusă. Majoritatea amplificatoarelor de operare utilizează o etapă de ieșire de simetrie complementară pentru a crește eficiența fără a sacrifica câștigul de curent. Eficiența maximă realizabilă pentru amplificarea de simetrie complementară, clasa B, este de 78%. Amplificatorul de ieșire cu un singur capăt are o eficiență maximă de doar 25%. Unele amplificatoare de operare utilizează simetria complementară a perechii Darlington pentru a-și crește capacitatea de ieșire. Etapa de ieșire a simetriei complementare din 741 constă din Q₁₄ și Q₂₀.

Rezistoarele mici, R₆ și R₇, asigurați limitarea curentului la ieșire. Perechea Darlington, Q₁₈ și Q₁₉, se utilizează în locul diodei în stadiul de ieșire a simetriei complementare compensată prin diode, așa cum este descris în capitolul 8. Aranjamentul de perechi Darlington este favorizat peste cele două tranzistoare conectate ca o diodă, deoarece poate fi fabricată într-o zonă mai mică. Sursa curentă care substituie rezistența de polarizare în circuitul de simetrie complementară este realizată de o parte a tranzistorului Q₁₃. tranzistori Q₂₂, Q₂₃, și Q₂₄ fac parte dintr-un aranjament de schimbare a nivelului care asigură că tensiunea de ieșire este centrat în jurul axei zero.

CURENT - 3. Amplificatorul tipic de operare

PREVIOUS- 2. Schimbătoare de nivel

NEXT- 4. Specificațiile producătorului