3. Типовий оп-підсилювач

СТРУМ - 3. Типовий операційний підсилювач

Типовий оп-підсилювач

Більшість операційних підсилювачів спроектовані і побудовані відповідно до блок-схеми, показаної на малюнку 8.

Типовий оп-підсилювач

Малюнок 8 - Типова конфігурація операційного підсилювача

Диференціальний підсилювач і стадія підсилення напруги є єдиними етапами, які забезпечують збільшення напруги. Диференціальний підсилювач також забезпечує CMRR, який є настільки важливим в операційному підсилювачі. Вихід диференціального підсилювача часто з'єднується з емітерним повторювачем з великим емітерним резистором так, щоб забезпечити високе імпедансне навантаження на диференціальний підсилювач для того, щоб отримати високий коефіцієнт посилення. Пам'ятайте, що підсилювач загального випромінювача з високим коефіцієнтом посилення страждає від набагато меншого вхідного опору, ніж посилений підсилювач CE. Це дозволяє використовувати підсилювач CE з високим коефіцієнтом посилення для забезпечення додаткового посилення. Лінійні операційні підсилювачі безпосередньо з'єднані для забезпечення ac виграш. Це також виключає необхідність у конденсаторі зв'язку, який є занадто великим для розміщення на мікросхемі. Для того, щоб вихідний сигнал не мав жодного, необхідні перемикачі рівня dc зміщення. Операційні підсилювачі можуть бути дуже точно змодельовані за допомогою моделювання схеми. Ми продемонструємо це за допомогою онлайн-моделювання схеми TINACloud.

Упаковка 3.1

Схеми оп-підсилювачів упаковані в стандартні пакети IC, включаючи банки, пакунки з двома лініями (DIP) і плоскі пакети. Кожен з цих пакетів має щонайменше вісім контактів або з'єднань. Вони проілюстровані на малюнках 9, 10 і 11.

 

Типовий оп-підсилювач

Малюнок 9 - підключення Op-amp для пакета can (вид зверху)

Типовий оп-підсилювач

Рисунок 10 - Підключення Op-підсилювача 14-контактний DIP (вид зверху)

Типовий оп-підсилювач

Малюнок 11 - підключення Op-amp для плоскої пачки 10 (вид зверху)

 

 

 

 

 

 

 

При побудові схеми важливо правильно ідентифікувати різні підводи (вони зазвичай не пронумеровані). Цифри ілюструють розташування штифта 1. В може упакувати На малюнку 9, висновок 1 ідентифікується як перший висновок ліворуч від вкладки, і шпильки нумеруються послідовно проти годинникової стрілки, що дивляться зверху. В пакет з подвійною лінією На малюнку 10 у верхній частині пакета є відступ, щоб знайти штифт 1, а шпильки нумеруються вниз ліворуч і вгору справа. Зауважте, що більше одного операційного підсилювача (як правило, 2 або 4) упаковано в один DIP.

У плоский пакет На малюнку 11, висновок 1 ідентифікується крапкою, а висновки нумеруються як у DIP.

Вимоги до потужності 3.2

Багато операційні підсилювачі вимагають як негативного, так і позитивного джерела напруги. Типові джерела напруги знаходяться в діапазоні від ± 5 V до ± 25 V. Рисунок 12 показує типові підключення джерела живлення до операційного підсилювача.

Максимальне коливання вихідної напруги обмежено dc напруга, що подається на операційний підсилювач. Деякі операційні підсилювачі можуть працювати від одного джерела напруги. Технічні характеристики виробника визначають межі роботи в тих випадках, коли операційний підсилювач використовує лише одне джерело живлення.

Op-amps, типові оп-підсилювачі

Малюнок 12 - Підключення джерела живлення

Максимальне коливання вихідної напруги обмежено dc напруга, що подається на операційний підсилювач. Деякі операційні підсилювачі можуть працювати від одного джерела напруги. Технічні характеристики виробника визначають межі роботи в тих випадках, коли операційний підсилювач використовує лише одне джерело живлення.

3.3 Op-amp 741

Оп-підсилювач μA741 ілюструється в еквівалентній схемі на малюнку 13. Це було вироблено з 1966 більшістю IC виробників, і хоча було багато досягнень з моменту його введення, 741 як і раніше широко використовується.

операційні підсилювачі, типові оптичні підсилювачі

Малюнок 13 - оп-підсилювач 741

Оп-підсилювач 741 має внутрішню компенсацію що відноситься до мережі RC, яка викликає високочастотний амплітудний відгук, щоб впасти. Оскільки підсилювач має високий коефіцієнт посилення (на замовлення 104 в 105 на низьких частотах) і тому, що паразитні ємності в транзисторах дозволяють паразитичний зворотний зв'язок, операційний підсилювач стане нестабільним і коливається, якщо не буде внутрішньої компенсації. Два каскадних різницевих підсилювача керують додатковим підсилювачем потужності симетрії через інший підсилювач напруги.

Оп-підсилювач 741 складається з трьох етапів: підсилювача вхідного диференціала, проміжного підсилювача з високим коефіцієнтом посилення, і підсилювача вихідної буферизації. Іншою схемою, важливою для її функціонування, є перемикач рівнів для перемикання dc Рівень сигналу так, що на виході можна покрутити як позитивні, так і негативні схеми зсуву для забезпечення опорних струмів для різних підсилювачів, і схеми, що захищають ОУ від коротких замикань на виході. 741 внутрішньо компенсується за допомогою мікросхеми конденсатора-резистора.

Оп-підсилювач додатково покращується шляхом додавання додаткових етапів посилення, ізоляції вхідних ланцюгів і додавання більшої кількості емітерних послідовників на виході для зменшення вихідного опору. Інші поліпшення призводять до збільшення CMRR, більш високого вхідного опору, більш широкої частотної характеристики, зниження вихідного опору і збільшення потужності.

Схеми зсуву

Кілька постійних джерел можна побачити в операційному підсилювачі 741 на малюнку 13. Транзистори Q8 та Q9 є поточним джерелом для IEE диференціального підсилювача, утвореного Q1, Q2, Q3 та Q4. Транзистори Q5, Q6 та Q7, є активними навантаженнями, що замінюють RC резистори диференціального підсилювача. Транзистори Q10, Q11 та Q12 формують мережу зміщення для джерел струму диференціального підсилювача. Транзистори Q10 та Q11 утворюють джерело струму Widlar для цієї мережі зміщення з іншими транзисторами, що діють як поточне дзеркало.

Захист від короткого замикання

Схема 741 включає в себе ряд транзисторів, які зазвичай відсікаються і проводять тільки в тому випадку, якщо на виході існує великий струм. Зміщення на вихідних транзисторах потім змінюється, щоб зменшити цей струм до прийнятного рівня. У схемі з малюнка 13 ця мережа захисту від короткого замикання складається з транзисторів Q15 та Q22 і резистор R11.

Вхідний етап

Вхідний каскад операційного підсилювача 741 необхідний для забезпечення посилення напруги, перемикання рівнів і одновимірного виходу диференціального підсилювача. Складність схеми викликає велику похибку напруги зсуву. На відміну від цього, стандартний резистор-навантажений диференціальний підсилювач викликає меншу похибку напруги зсуву. Тим не менш, стандартний підсилювач має обмежений коефіцієнт посилення, що означає, що для досягнення бажаного посилення буде потрібно більше етапів. Резистор-навантажені диференціальні підсилювачі використовуються в ОУ, які мають менший дрейф напруги, ніж 741.

BJTs використовуються у вхідному етапі вимагають великих струмів зміщення, вводячи зсув поточних проблем. Щоб зменшити поточну помилку зміщення, інші типи операційних підсилювачів використовують MOSFETs на вході.

Вхідним каскадом 741 є диференціальний підсилювач з активним навантаженням, що формується транзисторами Q5, Q6 та Q7 і резистори R1, R2 та R3. Ця схема забезпечує високий опір навантаження і перетворює сигнал з диференціала в одноконтурний без погіршення коефіцієнта посилення або загального режиму відхилення. Вихід з одного кінця виводиться з колектора Q6. Вхідний ступінь перемикання рівня складається з бічних PNP транзистори, Q3 та Q4, які з'єднані в конфігурацію загальної бази.

Використання бічних транзисторів, Q3 та Q4, призводить до додаткової переваги. Вони допомагають захистити вхідні транзистори, Q1 та Q2, по відношенню до пробою виходу емітера-бази. Емітерно-базовий перехід npn транзистор зламається, коли зворотне зміщення перевищує близько 7 V. Латеральний пробій транзистора не відбувається, поки зворотне зміщення не перевищує близько 50 V. Оскільки транзистори послідовно з Q1 та Q2, напруга пробою вхідного ланцюга збільшується.

Проміжний етап

Проміжні етапи в більшості оп-амперів забезпечують високий коефіцієнт посилення через кілька підсилювачів. У 741 вихід на першому етапі з'єднаний з базою Q16 яка знаходиться в конфігурації повторювача емітера. Це забезпечує високий вхідний опір вхідному каскаду, що мінімізує навантаження. Проміжний етап також складається з транзисторів Q16 та Q17і резисторів R8 та R9. Вихід проміжної стадії береться з колектора Q17і надаються Q14 через спліттер фаз. Конденсатор в 741 використовується для компенсації частоти, що обговорюється в наступних розділах цього тексту.

Вихідний етап

Вихідний каскад операційного підсилювача необхідний, щоб забезпечити високий коефіцієнт посилення струму до низького вихідного опору. Більшість операційних підсилювачів використовують додатковий симетричний вихідний каскад для підвищення ефективності без шкоди для посилення струму. Максимально досяжна ефективність додаткової симетрії підсилювача класу В становить 78%. Односторонній вихідний підсилювач має максимальну ефективність лише 25%. Деякі операційні підсилювачі використовують додаткову симетрію пари Дарлінгтона для збільшення своїх вихідних можливостей. Додатковий вихідний етап симетрії у 741 складається з Q14 та Q20.

Малі резистори, R6 та R7, забезпечують обмеження струму на виході. Пара Дарлінгтона, Q18 та Q19, використовується замість діода в диодно-компенсованій додатковій симетрії вихідного каскаду, як описано в главі 8. Розташування пар Дарлінгтона є кращим у порівнянні з двома транзисторами, сполученими як діод, оскільки він може бути виготовлений у меншій площі. Джерело струму, що замінює резистор зміщення в схемі додаткової симетрії, реалізується однією частиною транзистора Q13. Транзистори Q22, Q23 та Q24 є частиною пристрою перемикання рівнів, який гарантує, що вихідна напруга знаходиться в центрі навколо нульової осі.

ТОК - 3. Типовий операційний підсилювач