Amplificator operațional 741

Amplificatorul operațional 741 (alte denumiri: uA741, μA741) este un amplificator operațional integrat universal de a doua generație bazat pe tranzistori bipolari . μA741 original a fost proiectat în 1968 de David Fullagar de la Fairchild Semiconductor , pe baza unui design de Bob WidlarLM101. Spre deosebire de LM101, care a folosit un condensator de egalizare extern, μA741 a implementat acest condensator direct pe matrița IC. Ușurința de utilizare a μA741 și caracteristicile perfecte pentru timpul său au contribuit la utilizarea pe scară largă a noului circuit și l-au făcut un op-amp universal „tipic”. În ciuda apariției unor microcircuite similare mult mai bune în ceea ce privește caracteristicile, amplificatorul operațional 741 și clonele sale, începând cu 2015, sunt încă produse de mulți producători (de exemplu, LM741, AD741, K140UD7).

Structura OU

Deși este mai ușor și mai util să ne gândim la un amplificator operațional ca la o cutie neagră cu caracteristicile unui amplificator operațional ideal, este, de asemenea, important să înțelegeți structura internă a amplificatorului operațional și modul în care funcționează, ca proiectarea cu un amplificator operațional poate fi problematic din cauza limitărilor circuitelor sale.

Structurile amplificatoarelor operaționale ale diferitelor mărci sunt diferite, dar același principiu stă la baza. Sistemul de operare al celei de-a doua generații și al celor ulterioare constă din următoarele blocuri funcționale:

  1. Amplificator diferential
  2. Amplificator de tensiune
    • Are un câștig de înaltă tensiune, declinat ca un filtru trece-jos cu un singur pol, de obicei o singură ieșire (adică, nediferențială).
  3. Amplificator de ieșire

Oglinzi curente

Părțile circuitului încercuite cu roșu sunt oglinzi de curent . Curentul primar, care stabilește toți ceilalți curenți, este determinat de tensiunea de alimentare a amplificatorului operațional și de un rezistor de 39 kΩ (plus două căderi de tensiune pe joncțiunea diodei). Curentul primar este de aprox.

(unu)

Modul de intrare DC este setat de cele două oglinzi de curent din stânga. Oglinda de curent formată din tranzistoarele Q8 / Q9 vă permite să lucrați cu tensiuni mari de mod comun la intrare, fără a părăsi modul activ de funcționare al tranzistorilor. Oglinda de curent Q10/Q11 este utilizată indirect pentru a seta curentul de repaus al treptei de intrare. Acest curent este stabilit de un rezistor de 5 kΩ. Circuitul pentru setarea curentului de polarizare funcționează după cum urmează. Dacă curentul treptei de intrare începe să difere (pe care Q8 o detectează) de valoarea setată de Q10, aceasta se reflectă în curentul lui Q9, rezultând o modificare a tensiunii la joncțiunea colectoarelor Q9 și Q10. Această tensiune, acționând pe bazele Q3 și Q4, reduce abaterea curentului treptei de intrare de la nominal. Astfel, componenta DC a curentului treptei de intrare este stabilizată printr -un feedback negativ profund .

Oglinda de curent Q12/Q13 oferă un curent de sarcină constant pentru amplificatorul de clasă A , acest curent este practic independent de tensiunea de ieșire a amplificatorului operațional.

Front end diferențial

Partea circuitului încercuită cu albastru este amplificatorul diferenţial. Tranzistoarele Q1 și Q2 funcționează ca adepți emițători , sunt încărcate pe o pereche de tranzistoare Q3 și Q4, incluse ca amplificatoare de bază comune . În plus, Q3 și Q4 se potrivesc cu nivelul de tensiune și asigură pre-amplificarea semnalului înainte ca acesta să fie alimentat la amplificatorul de clasă A.

Amplificatorul diferenţial al tranzistorilor Q1 - Q4 are o sarcină activă - o oglindă de curent, constând din tranzistoarele Q5 - Q7. Tranzistorul Q7 mărește precizia (egalitatea curenților în ramuri) oglinzii de curent prin reducerea curentului de semnal preluat de la colectorul lui Q3 pentru a controla bazele tranzistoarelor Q5 și Q6. Această oglindă de curent oferă conversie diferențială la non-diferențială, după cum urmează:

Astfel, suma este de două ori mai mare decât curenții care circulă prin tranzistoarele Q3 și Q4. Tensiunea semnalului la colectorul Q4 în modul inactiv este egală cu produsul dintre suma curenților de semnal și rezistențele colectoarelor Q4 și Q6 conectate în paralel. Acest produs este relativ mare deoarece rezistențele colectorului pentru curenții de semnal sunt mari [1] .

Trebuie remarcat faptul că curentul de bază al tranzistorilor de intrare este diferit de zero și rezistența diferențială a intrării amplificatorului operațional 741 este de aproximativ 2 MΩ .

Amplificatorul operațional are doi pini de echilibrare (indicați în figura Offset ), care oferă posibilitatea de a regla tensiunea de polarizare a intrării amplificatorului operațional la zero. Pentru a regla, trebuie să conectați un potențiometru la bornele .

Etapa de amplificare clasa A

Partea circuitului înconjurată în violet este etapa amplificatorului de clasa A. Este alcătuită din două tranzistoare npn conectate ca o pereche Darlington . Sarcina colectorului este partea de ieșire a oglinzii de curent Q12/Q13, ceea ce are ca rezultat câștigul ridicat al acestei etape. Condensatorul de 30 pF oferă feedback negativ dependent de frecvență , ceea ce crește stabilitatea amplificatorului operațional atunci când lucrați cu feedback extern. Această tehnică se numește compensare Miller , funcționează aproape în același mod ca un integrator construit pe un amplificator operațional. Polul poate fi la o frecvență suficient de joasă, de exemplu, 10 Hz pentru amplificatorul operațional 741. În consecință, la această frecvență, există o scădere de -3 dB a caracteristicii amplitudine-frecvență a amplificatorului operațional cu un deschis . bucla de feedback extern. Compensarea frecvenței asigură stabilitate necondiționată a amplificatorului operațional într-o gamă largă de condiții și simplifică astfel utilizarea acestuia.

Circuite de polarizare de ieșire

Partea circuitului încercuită cu verde este pentru polarizarea corespunzătoare a tranzistoarelor etajului de ieșire. Această parte a circuitului este un multiplicator de tensiune bază-emițător - o rețea cu două terminale care menține o diferență de potențial constantă la bornele sale, indiferent de curentul care curge. De fapt, acesta este un analog al unei diode zener , realizată pe un tranzistor Q16. Dacă presupunem că curentul de bază al lui Q16 este zero și tensiunea bază-emițător este de 0,625 V (tensiunea de bază-emițător tipică pentru tranzistoarele bipolare cu siliciu), atunci curenții care circulă prin rezistențele de 4,5 kΩ și 7,5 kΩ vor fi aceiași și tensiunea pe un rezistor de 4,5 kΩ va fi de 0,375 V. Astfel, tensiunea pe întreaga rețea cu două terminale va fi 0,625 + 0,375 \u003d 1 V. Această tensiune menține tranzistoarele de ieșire într-o stare ușor deschisă, ceea ce reduce „ pasul ” distorsiuni de tip.

Menținerea tensiunii de polarizare prin înmulțirea tensiunii bază-emițător este remarcabilă prin faptul că, odată cu schimbările de temperatură, tensiunile bază-emițător se modifică simultan atât pentru etapa polarizată, cât și pentru circuitul de polarizare, adică efectele dependente de temperatură sunt scazute reciproc. Această circumstanță îmbunătățește semnificativ stabilitatea termică a tranzistoarelor polarizate, în special în circuitele integrate, unde toți tranzistoarele au aceeași temperatură (pentru că sunt pe același cip).

La unele amplificatoare realizate pe componente discrete, funcția de polarizare a tranzistorilor de ieșire este îndeplinită de diode semiconductoare conectate în serie (de obicei două diode).

Etapa de ieșire

Etapa de ieșire (încercuită cu albastru) clasa AB  este un emițător follower push-pull (Q14, Q20), al cărui offset este stabilit de multiplicatorul de tensiune V be (Q16 și rezistențele conectate la baza sa). Etajul de ieșire primește un semnal de la colectorii tranzistorilor Q13 și Q19. Gama de tensiune de ieșire a amplificatorului operațional este cu aproximativ 1 V mai mică decât tensiunea de alimentare; aceasta se datorează căderii de tensiune pe tranzistoarele complet deschise ale etajului de ieșire.

Un rezistor de 25 Ω în treapta de ieșire servește ca senzor de curent. Acest rezistor, împreună cu tranzistorul Q17, limitează curentul adeptei emițătorului Q14 la aproximativ 25 mA. Limitarea curentului în partea inferioară (tranzistorul Q20) a etapei de ieșire push-pull se realizează prin măsurarea curentului prin emițătorul tranzistorului Q19 și apoi limitarea curentului care curge în baza lui Q15. Circuitul de amplificator operațional 741 mai nou poate utiliza metode de limitare a curentului de ieșire ușor diferite.

Note

  1. ↑ Colectorul tranzistorului în modul activ se comportă ca un generator de curent

Link -uri