Den typiska OP-amp-TINA och TINACloud Resources

Den typiska op-amp

De flesta operationsförstärkare är konstruerade och konstruerade i enlighet med blockschemat som visas i Figur 8.

Figur 8 - Typisk konfiguration av en op-amp

Differensförstärkaren och spänningsförstärkningssteget är de enda stegen som ger spänningsförstärkningen. Differentialförstärkaren ger också CMRR som är så viktig i upp-amp. Utgången från differentialförstärkaren är ofta ansluten till en emitterföljare med ett stort emittermotstånd för att åstadkomma en högimpedansbelastning till differentialförstärkaren för att erhålla en hög förstärkning. Kom ihåg att en förstärkare med hög förstärkning lider av mycket lägre ingångsimpedans än en måttlig förstärkare CE-förstärkare. Detta möjliggör då användningen av en högförstärkande CE-förstärkare för att ge den extra förstärkningen. Linjära ampere är direktkopplade för att ge ac få. Detta eliminerar också behovet av en kopplingskondensator som är för stor för att placeras på ett IC-chip. Nivåskiftare krävs för att försäkra sig om att utsignalen inte har något dc offset. Op-förstärkare kan modelleras mycket exakt med kretssimulering. Vi kommer att demonstrera detta med TINACloud online-kretssimulering.

3.1-förpackning

Op-amp-kretsar är förpackade i standard IC-paket, inklusive burkar, dubbla in-line-paket (DIP) och plana förpackningar. Var och en av dessa paket har minst åtta stift eller anslutningar. De illustreras i figurerna 9, 10 och 11.

Figur 9 - Op amp-anslutning för kanpaket (toppvy)

Figur 10 - Op-amp-anslutning 14-stifts DIP (Top View)

Figur 11 - Op-amp-anslutning för 10-stiftplatta (toppvy)

Vid konstruktion av en krets är det viktigt att identifiera de olika ledningarna korrekt (de är vanligtvis inte numrerade). Figurerna illustrerar placeringen av stift 1. I kan paketera i figur 9 identifieras stift 1 som den första stiften till vänster om fliken och stiften numreras i följd motsols från toppen. I dual-in-line-paket i figur 10 har överdelen av förpackningen ett inslag för att hitta pin 1, och stiften är numrerade ner till vänster och upp till höger. Observera att mer än en op-amp (vanligtvis 2 eller 4) är förpackad i en DIP.

I platt paket i figur 11 identifieras stift 1 med en punkt och stiften numreras som i DIP.

3.2 Power Requirements

Många op-ampar kräver både en negativ och en positiv spänningskälla. Typiska spänningskällor varierar från ± 5 V till ± 25 V. Figur 12 visar typiska strömförsörjningsanslutningar till op-amp.

Den maximala utspänningssvingningen är begränsad av dc spänningen levereras till op-amp. Vissa operationsförstärkare kan manövreras från en enda spänningskälla. Tillverkarens specifikationer definierar gränserna för drift i de fall där förstärkaren endast använder en strömförsörjning.

Figur 12 - Strömförsörjningsanslutningar

3.3 741 Op-amp

ΜA741-förstärkaren illustreras i ekvivalentkretsen i figur 13. Det har producerats sedan 1966 av de flesta IC-tillverkare, och även om det har gjorts många framsteg sedan introduktionen, används 741 fortfarande allmänt.

Figur 13 - 741-förstärkaren

741 op-amp har intern ersättning som hänvisar till RC-nätverket vilket medför att högfrekvensamplitudsvaret faller av. Eftersom förstärkaren har hög förstärkning (i storleksordningen 10⁴ till 10⁵ vid låga frekvenser) och eftersom parasitkapacitanserna i transistorerna tillåter parasitisk återkoppling, upp-amp skulle bli instabil och oscillera om det inte var för den interna kompensationen. Två kaskadskillnadsförstärkare driver en komplementär symmetriffektförstärkare genom en annan spänningsförstärkare.

741-förstärkaren består av tre steg: en ingångsdifferensförstärkare, en mellanförstärkare med en enda förstärkare och en buffertförstärkare. Andra kretsar som är viktiga för driften är en nivåskiftare för att flytta dc signalens nivå så att utsignalen kan svänga både positiva och negativa biaskretsar för att tillhandahålla referensströmmar till de olika förstärkare och kretsar som skyddar OP-ampen från kortslutning vid utgången. 741 kompenseras internt med hjälp av ett kondensator-motståndsnät på chip.

Op-ampen förbättras ytterligare genom att lägga till fler steg i amplifieringen, isolera ingångskretsarna och lägga till fler emitterföljare vid utgången för att minska utmatningsimpedansen. Andra förbättringar resulterar i ökad CMRR, högre ingångsimpedans, bredare frekvensrespons, minskad utgångsimpedans och ökad effekt.

Bias kretsar

Flera konstanta källor kan ses i 741-förstärkaren i Figur 13. transistorer Q₈ och Q₉ är den aktuella källan för I_EE av differentialförstärkaren bildad av Q₁, Q₂, Q₃och Q₄. transistorer Q₅, Q₆och Q₇, är de aktiva belastningarna ersättning för R_C motstånd av differentialförstärkaren. transistorer Q₁₀, Q₁₁och Q₁₂ bilda förspänningsnätverket för differentiella förstärkarströmskällor. Transistorer Q₁₀ och Q₁₁ bilda en Widlar-strömkälla för detta förspänningsnätverk med de andra transistorerna som fungerar som en aktuell spegel.

Kortslutningsskydd

741-kretsen innehåller ett antal transistorer som normalt skärs av och utförs endast om en stor ström finns vid utgången. Förspänningen på utgångstransistorerna ändras sedan för att minska denna ström till en acceptabel nivå. I kretsen i Figur 13 består detta kortslutningsskyddsnät av transistorer Q₁₅ och Q₂₂ och motstånd R_11.

Ingångsträcka

Ingångssteget i 741-förstärkaren krävs för att ge spänningsförstärkning, nivåförskjutning och en enda-ändrad differentialförstärkareutgång. Kretskomplexiteten orsakar ett stort offset-spänningsfel. I motsats till detta orsakar den standardmotståndsbelastade differentialförstärkaren mindre offset-spänningsfel. Standardförstärkaren har emellertid begränsad förstärkning vilket innebär att fler steg skulle krävas för att uppnå den önskade amplifieringen. Motståndsbelastade differentialförstärkare används i op-ampar som har mindre spänningsdrift än 741.

BJT som används i inmatningssteget kräver stora biasströmmar, som introducerar offsetströmproblem. För att minska offset-strömfelet använder andra op-amp-typer MOSFET i ingångssteget.

Ingångssteget i 741 är en differentialförstärkare med en aktiv last som bildas av transistorer Q₅, Q₆och Q₇ och motstånd R₁, R₂och R₃. Denna krets ger en hög motståndsbelastning och omvandlar signalen från differential till enkeländning utan nedbrytning av förstärkning eller gemensamt läge avstötningsförhållande. Den enstaka utgången tas från samlaren till Q₆. Ingångsstegsnivån växlar består av sidled pnp transistorer, Q₃ och Q₄, vilka är anslutna i en gemensam baskonfiguration.

Användning av laterala transistorer, Q₃ och Q₄, resulterar i en extra fördel. De hjälper till att skydda ingångstransistorerna, Q₁ och Q₂, mot korsningsfördelning av emitter-basen. Emitter-basanslutning av en npn transistoren kommer att bryta ner när den motsatta förspänningen överstiger ca 7 V. Sidotransistoravbrott uppstår inte förrän omvänd bias överstiger ca 50 V. Eftersom transistorerna är i serie med Q₁ och Q₂, inbrottsspänningen hos ingångskretsen ökas.

Mellanstadiet

De mellanliggande stadierna i de flesta op-amps ger hög förstärkning genom flera förstärkare. I 741 är den enstaka utgången från det första steget ansluten till basen av Q₁₆ som ligger i en konfiguration av emitterföljare. Detta ger en hög ingångsimpedans till ingångssteget vilket minimerar belastningen. Mellanstadiet består också av transistorer Q₁₆ och Q₁₇, och motstånd R₈ och R₉. Utgången från mellannivået tas från samlaren till Q₁₇, och tillhandahålls till Q₁₄ genom en fasskärare. Kondensatorn i 741 används för frekvenskompensation som diskuteras i efterföljande kapitel i denna text.

Utgångssteg

Utgångssteget för en op-amp krävs för att ge hög strömförstärkning till en lågutgångsimpedans. De flesta op-förstärkare använder ett kompletterande symmetriutgångssteg för att öka effektiviteten utan att offra strömförstärkningen. Den maximala effektiviteten för den kompletterande symmetrin, klass B-förstärkare är 78%. Enstaka utgångsförstärkare har en maximal verkningsgrad på endast 25%. Vissa op-förstärkare använder Darlington-par kompletterande symmetri för att öka deras uteffekt. Det kompletterande symmetriutgångssteget i 741 består av Q₁₄ och Q₂₀.

De små motstånden, R₆ och R₇, ge nuvarande begränsning vid utgången. Darlington-paret, Q₁₈ och Q₁₉, används i stället för dioden i det diodkompenserade komplementära symmetriutgångssteget som beskrivs i kapitel 8. Darlington-pararrangemanget gynnas över de två transistorerna som är anslutna som en diod eftersom den kan tillverkas i ett mindre område. Den nuvarande källan som ersätter biasmotståndet i den komplementära symmetriska kretsen realiseras av en del av transistorn Q₁₃. transistorer Q₂₂, Q₂₃och Q₂₄ är en del av ett nivåskift arrangemang som säkerställer att utspänningen är centrerad kring nollaxeln.

STRÖM - 3. Den typiska op-förstärkaren

TIDLIGARE - 2. Level shifters

NÄSTA4. Tillverkarens specifikationer