Operationsforstærker 741

Operationsforstærker 741 (andre betegnelser: uA741, μA741) eren andengenerations universal integreret operationsforstærker baseret på bipolære transistorer . Den originale μA741 blev designet i 1968 af David Fullagar fra Fairchild Semiconductor , baseret på et design af Bob WidlarLM101. I modsætning til LM101, som brugte en ekstern udligningskondensator, implementerede μA741 denne kondensator direkte på IC-chippen. Brugervenligheden af ​​μA741 og egenskaberne perfekt til sin tid bidrog til den udbredte brug af det nye kredsløb og gjorde det til en "typisk" universel op-forstærker. På trods af udseendet af meget bedre lignende mikrokredsløb med hensyn til egenskaber, produceres op-amp 741 og dens kloner fra 2015 stadig af mange producenter (for eksempel LM741, AD741, K140UD7).

OU struktur

Selvom det er nemmere og mere brugbart at tænke på en op-forstærker som en sort boks med egenskaberne som en ideel op-forstærker, er det også vigtigt at have en forståelse af den interne struktur af op-forstærkeren, og hvordan den fungerer, når man designer med en op-forstærker kan være problematisk på grund af begrænsningerne i dens kredsløbsdesign.

Strukturerne af op-amperne fra forskellige mærker er forskellige, men det samme princip er grundlaget. OS af anden og efterfølgende generationer består af følgende funktionelle blokke:

  1. Differentialforstærker
    • Input Stage - Giver lav støjforstærkning, høj indgangsimpedans . Har normalt en differentiel output.
  2. Spændingsforstærker
    • Har en højspændingsforstærkning, roll -off som et enkelt-polet lavpasfilter, normalt en enkelt (dvs. ikke-differentiel) udgang.
  3. Udgangsforstærker

Nuværende spejle

De dele af kredsløbet, der er cirklet med rødt, er strømspejle . Den primære strøm, som sætter alle andre strømme, bestemmes af op-ampens forsyningsspænding og en 39 kΩ modstand (plus to spændingsfald over diodeforbindelsen). Den primære strøm er ca.

(en)

DC - indgangstrinstilstanden indstilles af de to strømspejle til venstre. Strømspejlet dannet af transistorer Q8 / Q9 giver dig mulighed for at arbejde med store common-mode spændinger ved indgangen uden at forlade transistorernes aktive driftstilstand. Strømspejlet Q10/Q11 bruges indirekte til at indstille indgangstrinets hvilestrøm. Denne strøm indstilles af en 5 kΩ modstand. Kredsløbet til indstilling af forspændingsstrømmen fungerer som følger. Hvis indgangstrinsstrømmen begynder at afvige (hvilket Q8 detekterer) fra værdien sat af Q10, afspejles dette i Q9's strøm, hvilket resulterer i en spændingsændring i krydset mellem kollektorerne for Q9 og Q10. Denne spænding, der virker på basis af Q3 og Q4, reducerer afvigelsen af ​​indgangstrinsstrømmen fra den nominelle. Således stabiliseres DC-komponenten af ​​indgangstrinsstrømmen af ​​dyb negativ feedback .

Strømspejlet Q12/Q13 giver en konstant belastningsstrøm til klasse A-forstærkeren , denne strøm er praktisk talt uafhængig af op-ampens udgangsspænding.

Differentiel frontend

Den del af kredsløbet, der er cirklet med blåt, er differentialforstærkeren. Transistorer Q1 og Q2 fungerer som emitterfølgere , de er indlæst på et par transistorer Q3 og Q4, inkluderet som almindelige basisforstærkere . Derudover matcher Q3 og Q4 spændingsniveauet og giver forforstærkning af signalet, inden det føres til klasse A-forstærkeren.

Differentialforstærkeren af ​​transistorer Q1 - Q4 har en aktiv belastning - et strømspejl, der består af transistorer Q5 - Q7. Transistor Q7 øger nøjagtigheden (lighed af strømme i grenene) af strømspejlet ved at reducere signalstrømmen taget fra kollektoren på Q3 for at styre baserne af transistorerne Q5 og Q6. Dette nuværende spejl giver differential til ikke-differentiel konvertering som følger:

Summen er således det dobbelte af de strømme, der strømmer gennem transistorerne Q3 og Q4. Signalspændingen ved Q4-kollektoren i tomgangstilstand er lig med produktet af summen af ​​signalstrømmene og modstandene af Q4- og Q6-kollektorerne forbundet parallelt. Dette produkt er relativt stort, fordi kollektormodstandene for signalstrømmene er store [1] .

Det skal bemærkes, at indgangstransistorernes basisstrøm er ikke-nul, og differentialmodstanden for indgangen på op-amp 741 er ca. 2 MΩ .

Op-ampen har to balanceringsben (angivet i figuren Offset ), som giver mulighed for at justere forspændingen af ​​op-amp-indgangen til nul. For at justere skal du tilslutte et potentiometer til terminalerne .

Klasse A forstærkertrin

Den del af kredsløbet, der er cirklet i lilla, er klasse A-forstærkertrinnet. Det består af to npn-transistorer forbundet som et Darlington-par . Kollektorbelastningen er udgangsdelen af ​​Q12/Q13 strømspejlet, hvilket resulterer i den høje forstærkning af dette trin. 30 pF kondensatoren giver frekvensafhængig negativ feedback , hvilket øger stabiliteten af ​​op-ampen, når der arbejdes med ekstern feedback. Denne teknik kaldes Miller compensation , den fungerer næsten på samme måde som en integrator bygget på en op-amp. Polen kan have en tilstrækkelig lav frekvens, f.eks. 10 Hz for op-amp 741. Ved denne frekvens er der følgelig et fald på -3 dB i amplitude-frekvenskarakteristikken for op-ampen med en åben sløjfe af ekstern feedback. Frekvenskompensation giver ubetinget stabilitet af op-ampen under en lang række forhold og forenkler dermed brugen.

Output bias kredsløb

Den del af kredsløbet, der er cirklet med grønt, er til korrekt forspænding af udgangstrinstransistorerne. Denne del af kredsløbet er en base-emitter spændingsmultiplikator - et to-terminal netværk, der opretholder en konstant potentialforskel ved sine terminaler, uanset strømmen. Faktisk er dette en analog af en zenerdiode , lavet på en Q16 transistor. Hvis vi antager, at basisstrømmen af ​​Q16 er nul, og base-emitter-spændingen er 0,625 V (typisk base-emitter-spænding for bipolære siliciumtransistorer), så vil strømmene, der strømmer gennem 4,5 kΩ- og 7,5 kΩ-modstandene, være de samme, og spændingen over en 4,5 kΩ modstand vil være 0,375 V. Spændingen over hele to-terminal netværket vil således være 0,625 + 0,375 \u003d 1 V. Denne spænding holder udgangstransistorerne i en let åben tilstand, hvilket reducerer “ trin ” type forvrængning.

Opretholdelse af forspændingen ved at multiplicere basis-emitter-spændingen er bemærkelsesværdig ved, at ved temperaturændringer ændres basis-emitter-spændingerne samtidigt for både det forspændte trin og forspændingskredsløbet, det vil sige, at temperaturafhængige effekter subtraheres gensidigt. Denne omstændighed forbedrer markant den termiske stabilitet af de forspændte transistorer, især i integrerede kredsløb, hvor alle transistorer har samme temperatur (fordi de er på den samme chip).

I nogle forstærkere lavet på diskrete komponenter udføres funktionen med at forspænde udgangstransistorerne af serieforbundne halvlederdioder (normalt to dioder).

Udgangstrin

Udgangstrinnet (omkranset med blåt) klasse AB  er en push-pull emitterfølger (Q14, Q20), hvis offset indstilles af spændingsmultiplikatoren V be (Q16 og modstande forbundet til dens base). Udgangstrinnet modtager et signal fra kollektorerne på transistorerne Q13 og Q19. Udgangsspændingsområdet for op-ampen er ca. 1 V mindre end forsyningsspændingen; dette skyldes spændingsfaldet på udgangstrinets fuldt åbne transistorer.

En 25 Ω modstand i udgangstrinnet fungerer som strømføler. Denne modstand begrænser sammen med transistor Q17 strømmen af ​​Q14's emitterfølger til ca. 25 mA. Strømbegrænsning i den lave side (transistor Q20) af push-pull-udgangstrinnet udføres ved at måle strømmen gennem transistoren Q19's emitter og derefter begrænse strømmen, der løber ind i bunden af ​​Q15. Nyere 741 op amp kredsløb kan bruge lidt anderledes udgangsstrømbegrænsningsmetoder.

Noter

  1. ↑ Transistorens kollektor i aktiv tilstand opfører sig som en strømgenerator

Links