Operaatiovahvistin 741

Operaatiovahvistin 741 (muut nimitykset: uA741, μA741) ontoisen sukupolven yleinen integroitu operaatiovahvistin, joka perustuu bipolaarisiin transistoreihin . Alkuperäisen μA741:n suunnitteli vuonna 1968 Fairchild Semiconductorin David Fullagar Bob Widlarin suunnittelun perusteella.LM101. Toisin kuin LM101, joka käytti ulkoista taajuuskorjauskondensaattoria, μA741 toteutti tämän kondensaattorin suoraan IC-suuttimeen. μA741:n helppokäyttöisyys ja aikansa täydelliset ominaisuudet vaikuttivat uuden piirin laajaan käyttöön ja tekivät siitä "tyypillisen" yleiskäyttöisen operaatiovahvistimen. Huolimatta ominaisuuksiltaan paljon parempien samankaltaisten mikropiirien ulkonäöstä, monet valmistajat (esimerkiksi LM741, AD741, K140UD7) ovat edelleen valmistaneet op-amp 741:tä ja sen klooneja vuodesta 2015 lähtien.

OU-rakenne

Vaikka on helpompaa ja hyödyllisempää ajatella, että operaatiovahvistin on musta laatikko , jolla on ihanteellisen operaatiovahvistimen ominaisuudet, on myös tärkeää ymmärtää operaatiovahvistimen sisäinen rakenne ja sen toiminta. operaatiovahvistin voi olla ongelmallinen sen piirien rajoitusten vuoksi.

Eri merkkien op-vahvistimien rakenteet ovat erilaisia, mutta lähtökohtana on sama periaate. Toisen ja sitä seuraavien sukupolvien käyttöjärjestelmä koostuu seuraavista toiminnallisista lohkoista:

  1. Differentiaalivahvistin
    • Input Stage - Tarjoaa alhaisen kohinan vahvistuksen, korkean tuloimpedanssin . Yleensä siinä on differentiaalilähtö.
  2. Jännitteen vahvistin
    • Siinä on korkea jännitevahvistus, yksinapainen alipäästösuodatin, yleensä yksi (eli ei-differentiaalinen) lähtö.
  3. Lähtövahvistin

Nykyiset peilit

Punaisella ympyröidyt piirin osat ovat virtapeilejä . Ensiövirta, joka asettaa kaikki muut virrat, määräytyy operaatiovahvistimen ja 39 kΩ vastuksen syöttöjännitteellä (plus kaksi jännitepudotusta diodiliitoksen yli). Ensiövirta on n.

(yksi)

DC - tulovaihetila asetetaan kahdella vasemmalla olevalla virtapeilillä. Transistoreiden Q8 / Q9 muodostaman virtapeilin avulla voit työskennellä suurilla yhteismoodin jännitteillä tulossa poistumatta transistorien aktiivisesta toimintatilasta. Virtapeiliä Q10/Q11 käytetään epäsuorasti asettamaan tuloasteen lepovirta. Tämä virta asetetaan 5 kΩ vastuksella. Bias-virran asetuspiiri toimii seuraavasti. Jos tuloasteen virta alkaa poiketa (jonka Q8 havaitsee) Q10:n asettamista arvosta, tämä heijastuu Q9:n virrassa, mikä johtaa jännitteen muutokseen Q9:n ja Q10:n kollektoreiden liitoksessa. Tämä jännite, joka vaikuttaa Q3:n ja Q4:n kantamiin, vähentää tuloasteen virran poikkeamaa nimellisarvosta. Siten tuloasteen virran DC-komponentti stabiloituu syvällä negatiivisella takaisinkytkimellä .

Virtapeili Q12/Q13 tarjoaa vakiokuormitusvirran luokan A vahvistimelle , tämä virta on käytännössä riippumaton operaatiovahvistimen lähtöjännitteestä.

Differentiaalinen etupää

Sinisellä ympyröity piirin osa on differentiaalivahvistin. Transistorit Q1 ja Q2 toimivat emitteriseuraajina , ne on ladattu transistorien Q3 ja Q4 parille, jotka sisältyvät yhteisiin kantavahvistimiin . Lisäksi Q3 ja Q4 vastaavat jännitetasoa ja tarjoavat signaalin esivahvistuksen ennen kuin se syötetään luokan A vahvistimeen.

Transistorien Q1 - Q4 differentiaalivahvistimessa on aktiivinen kuorma - virtapeili, joka koostuu transistoreista Q5 - Q7. Transistori Q7 lisää virtapeilin tarkkuutta (virtojen yhtäläisyyttä haaroissa) vähentämällä Q3:n kollektorista otettua signaalivirtaa transistorien Q5 ja Q6 kantojen ohjaamiseksi. Tämä nykyinen peili tarjoaa differentiaalisen muunnoksen ei-differentiaaliseen muunnoksen seuraavasti:

Summa on siis kaksinkertainen transistorien Q3 ja Q4 läpi kulkeviin virtoihin verrattuna. Q4-kollektorin signaalijännite lepotilassa on yhtä suuri kuin rinnan kytkettyjen Q4- ja Q6-kollektoreiden signaalivirtojen ja resistanssien summa. Tämä tuote on suhteellisen suuri, koska signaalivirtojen kollektorivastukset ovat suuret [1] .

On huomattava, että tulotransistoreiden kantavirta on nollasta poikkeava ja operaatiovahvistimen 741 tulon differentiaalinen resistanssi on noin 2 MΩ .

Operaatiovahvistimessa on kaksi tasapainotusnastaa (merkitty kuvassa Offset ), jotka mahdollistavat op-amp-tulon bias-jännitteen säätämisen nollaan. Säätääksesi sinun on kytkettävä potentiometri liittimiin .

Luokan A vahvistinaste

Purppuralla ympyröity piirin osa on luokan A vahvistinaste, joka koostuu kahdesta npn-transistorista, jotka on kytketty Darlington-pariksi . Kollektorikuorma on Q12/Q13 virtapeilin lähtöosa, mikä johtaa tämän portaan suureen vahvistukseen. 30 pF:n kondensaattori antaa taajuudesta riippuvan negatiivisen takaisinkytkennän , mikä lisää operaatiovahvistimen vakautta käytettäessä ulkoista palautetta. Tätä tekniikkaa kutsutaan Millerin kompensaatioksi , se toimii lähes samalla tavalla kuin op-vahvistimeen rakennettu integraattori . Napa voi olla riittävän matalalla taajuudella, esim. 10 Hz operaatiovahvistimelle 741. Vastaavasti tällä taajuudella tapahtuu -3 dB :n lasku operatiivisen vahvistimen amplitudi-taajuusominaiskäyrässä avoimella. ulkoisen palautteen silmukka. Taajuuskompensointi tarjoaa operatiivisen vahvistimen ehdottoman vakauden monenlaisissa olosuhteissa ja yksinkertaistaa siten sen käyttöä.

Lähtöbias-piirit

Vihreällä ympyröity piirin osa on tarkoitettu lähtöasteen transistoreiden oikeaa esijännitettä varten. Tämä piirin osa on kanta-emitterijännitteen kertoja - kaksinapainen verkko, joka ylläpitää vakiona potentiaalieroa liittimissään virtavasta virrasta riippumatta. Itse asiassa tämä on Zener-diodin analogi , joka on valmistettu Q16-transistorilla. Jos oletetaan, että Q16:n kantavirta on nolla ja kantaemitterijännite on 0,625 V (tyypillinen kantaemitterijännite piibipolaarisille transistoreille), niin 4,5 kΩ ja 7,5 kΩ vastusten läpi kulkevat virrat ovat samat, ja jännite 4,5 kΩ vastuksen yli on 0,375 V. Näin ollen jännite koko kaksinapaisessa verkossa on 0,625 + 0,375 \u003d 1 V. Tämä jännite pitää lähtötransistorit hieman avoimessa tilassa, mikä vähentää " askelmaa " tyypin vääristymä.

Bias-jännitteen ylläpitäminen kertomalla kanta-emitterijännite on huomionarvoista siinä mielessä, että lämpötilan muutoksissa kantaemitterijännitteet muuttuvat samanaikaisesti sekä biasoidussa porras- että bias-piirissä, eli lämpötilasta riippuvat vaikutukset vähennetään keskenään. Tämä seikka parantaa merkittävästi biasoitujen transistorien lämpöstabiilisuutta, erityisesti integroiduissa piireissä, joissa kaikilla transistoreilla on sama lämpötila (koska ne ovat samalla sirulla).

Joissakin vahvistimissa, jotka on valmistettu erillisistä komponenteista, lähtötransistorien biasointitoiminto suoritetaan sarjaan kytketyillä puolijohdediodeilla (yleensä kaksi diodia).

Lähtövaihe

Pääteaste (ympyröity sinisellä) luokka AB  on push-pull-emitteriseuraaja (Q14, Q20), jonka offset asetetaan jännitekertoimella V be (Q16 ja sen kantaan kytketyt vastukset). Pääteaste vastaanottaa signaalin transistorien Q13 ja Q19 kollektoreista. Operaatiovahvistimen lähtöjännitealue on noin 1 V pienempi kuin syöttöjännite; tämä johtuu jännitehäviöstä lähtöasteen täysin avoimissa transistoreissa.

Pääteasteen 25 Ω vastus toimii virta-anturina. Tämä vastus yhdessä transistorin Q17 kanssa rajoittaa Q14:n emitteriseuraajan virran noin 25 mA:iin. Virran rajoitus push-pull-lähtöasteen alapuolella (transistori Q20) suoritetaan mittaamalla virta transistorin Q19 emitterin läpi ja sitten rajoittamalla Q15:n kantaan menevää virtaa. Uudemmat 741-operaatiovahvistinpiirit voivat käyttää hieman erilaisia ​​lähtövirran rajoitusmenetelmiä.

Muistiinpanot

  1. ↑ Aktiivitilassa olevan transistorin kollektori käyttäytyy kuin virtageneraattori

Linkit