Operationsförstärkare 741

Operationsförstärkare 741 (andra beteckningar: uA741, μA741) ären andra generationens universella integrerade operationsförstärkare baserad på bipolära transistorer . Den ursprungliga μA741 designades 1968 av David Fullagar från Fairchild Semiconductor , baserad på en design av Bob WidlarLM101. Till skillnad från LM101, som använde en extern utjämningskondensator, implementerade μA741 denna kondensator direkt på IC-matrisen. Användarvänligheten för μA741 och egenskaperna perfekta för sin tid bidrog till den utbredda användningen av den nya kretsen och gjorde den till en "typisk" universell op-förstärkare. Trots utseendet på mycket bättre liknande mikrokretsar när det gäller egenskaper, produceras op-amp 741 och dess kloner, från och med 2015, fortfarande av många tillverkare (till exempel LM741, AD741, K140UD7).

OU-struktur

Även om det är enklare och mer användbart att tänka på en op-förstärkare som en svart låda med egenskaperna hos en ideal op-förstärkare, är det också viktigt att ha en förståelse för den interna strukturen hos op-förstärkaren och hur den fungerar, som att designa med en op-förstärkare kan vara problematisk på grund av begränsningarna i dess kretsdesign.

Strukturerna för op-amps från olika märken är olika, men samma princip är grunden. OS för den andra och efterföljande generationerna består av följande funktionsblock:

  1. Differentialförstärkare
    • Ingångssteg - Ger låg brusförstärkning, hög ingångsimpedans . Har vanligtvis en differentialutgång.
  2. Spänningsförstärkare
    • Har en högspänningsförstärkning, roll- off som ett enpoligt lågpassfilter, vanligtvis en enkel (d.v.s. icke-differentiell) utgång.
  3. Utgångsförstärkare

Aktuella speglar

De delar av kretsen som är inringade i rött är strömspeglar . Primärströmmen, som ställer in alla andra strömmar, bestäms av matningsspänningen för op-förstärkaren och ett 39 kΩ -motstånd (plus två spänningsfall över diodövergången). Primärströmmen är ca.

(ett)

DC - ingångsstegsläget ställs in av de två strömspeglarna till vänster. Strömspegeln som bildas av transistorerna Q8 / Q9 låter dig arbeta med stora common-mode- spänningar vid ingången, utan att lämna transistorernas aktiva driftläge. Strömspegeln Q10/Q11 används indirekt för att ställa in viloströmmen för ingångssteget. Denna ström ställs in av ett 5 kΩ motstånd. Kretsen för att ställa in förspänningsströmmen fungerar enligt följande. Om ingångsstegets ström börjar skilja sig (vilket Q8 detekterar) från värdet som ställts in av Q10, reflekteras detta i Q9:s ström, vilket resulterar i en spänningsförändring i korsningen mellan Q9 och Q10 kollektorer. Denna spänning, som verkar på basen av Q3 och Q4, minskar avvikelsen hos ingångsstegets ström från den nominella. Således stabiliseras DC-komponenten i ingångsstegets ström av djup negativ återkoppling .

Strömspegeln Q12/Q13 ger en konstant belastningsström för klass A-förstärkaren , denna ström är praktiskt taget oberoende av op-förstärkarens utspänning.

Differential frontend

Den del av kretsen som är inringad i blått är differentialförstärkaren. Transistorerna Q1 och Q2 fungerar som emitterföljare , de laddas på ett par transistorer Q3 och Q4, som ingår som vanliga basförstärkare . Dessutom matchar Q3 och Q4 spänningsnivån och ger förförstärkning av signalen innan den matas till klass A-förstärkaren.

Differentialförstärkaren för transistorer Q1 - Q4 har en aktiv belastning - en strömspegel, bestående av transistorer Q5 - Q7. Transistor Q7 ökar noggrannheten (lika strömmar i grenarna) hos strömspegeln genom att minska signalströmmen som tas från kollektorn på Q3 för att styra baserna för transistorerna Q5 och Q6. Denna nuvarande spegel ger differential till icke-differentiell konvertering enligt följande:

Således är summan två gånger strömmarna som flyter genom transistorerna Q3 och Q4. Signalspänningen vid Q4-kollektorn i viloläge är lika med produkten av summan av signalströmmarna och resistanserna hos Q4- och Q6-kollektorerna parallellkopplade. Denna produkt är relativt stor eftersom kollektorresistanserna för signalströmmarna är stora [1] .

Det bör noteras att basströmmen för ingångstransistorerna är icke-noll och differentialresistansen för ingången på op-amp 741 är ungefär 2 MΩ .

Op-ampen har två balanseringsstift (anges i figuren Offset ), som ger möjlighet att justera förspänningen för op-amp-ingången till noll. För att justera måste du ansluta en potentiometer till terminalerna .

Klass A förstärkningssteg

Den del av kretsen som är inringad i lila är förstärkarsteget klass A. Den består av två npn-transistorer kopplade som ett Darlington-par . Kollektorbelastningen är utgångsdelen av Q12/Q13-strömspegeln, vilket resulterar i den höga förstärkningen för detta steg. Kondensatorn på 30 pF ger frekvensberoende negativ återkoppling , vilket ökar stabiliteten hos op-förstärkaren när man arbetar med extern återkoppling. Denna teknik kallas Miller compensation , den fungerar på nästan samma sätt som en integrator byggd på en op-amp. Polen kan ha en tillräckligt låg frekvens, till exempel 10 Hz för op-amp 741. Följaktligen, vid denna frekvens, sker en minskning med -3 dB i amplitud-frekvenskarakteristiken för op- amp med en öppen loop av extern feedback. Frekvenskompensation ger ovillkorlig stabilitet för op-ampen i ett brett spektrum av förhållanden och förenklar på så sätt dess användning.

Utgångsförspänningskretsar

Den del av kretsen som är inringad i grönt är för korrekt förspänning av slutstegstransistorerna. Denna del av kretsen är en bas-emitterspänningsmultiplikator - ett nätverk med två terminaler som upprätthåller en konstant potentialskillnad vid sina terminaler, oavsett strömmen som flyter. I själva verket är detta en analog av en zenerdiod , gjord på en Q16-transistor. Om vi ​​antar att basströmmen för Q16 är noll och bas-emitterspänningen är 0,625 V (typisk bas-emitterspänning för bipolära kiseltransistorer), så kommer strömmarna som flyter genom 4,5 kΩ- och 7,5 kΩ-motstånden att vara desamma, och spänningen över ett 4,5 kΩ-motstånd kommer att vara 0,375 V. Spänningen över hela nätverket med två terminaler kommer således att vara 0,625 + 0,375 \u003d 1 V. Denna spänning håller utgångstransistorerna i ett något öppet tillstånd, vilket minskar " steg " typförvrängning.

Att bibehålla förspänningen genom att multiplicera bas-emitterspänningen är anmärkningsvärt genom att med temperaturförändringar ändras bas-emitterspänningarna samtidigt för både det förspända steget och förspänningskretsen, det vill säga temperaturberoende effekter subtraheras ömsesidigt. Denna omständighet förbättrar avsevärt den termiska stabiliteten hos de förspända transistorerna, särskilt i integrerade kretsar, där alla transistorer har samma temperatur (eftersom de är på samma chip).

I vissa förstärkare gjorda på diskreta komponenter utförs funktionen att förspänna utgångstransistorerna av seriekopplade halvledardioder (vanligtvis två dioder).

Utgångssteg

Slutsteget (inringat i blått) klass AB  är en push-pull emitterföljare (Q14, Q20), vars offset ställs in av spänningsmultiplikatorn V be (Q16 och resistorer anslutna till dess bas). Slutsteget tar emot en signal från kollektorerna hos transistorerna Q13 och Q19. Utspänningsområdet för op-förstärkaren är ungefär 1 V mindre än matningsspänningen; detta beror på spänningsfallet på slutstegets helt öppna transistorer.

Ett 25 Ω motstånd i slutsteget fungerar som strömsensor. Detta motstånd, tillsammans med transistor Q17, begränsar strömmen för Q14:s emitterföljare till cirka 25 mA. Strömbegränsning i den låga sidan (transistor Q20) av push-pull-utgångssteget utförs genom att mäta strömmen genom emittern på transistor Q19 och sedan begränsa strömmen som flyter in i basen av Q15. Nyare 741 op amp-kretsar kan använda något annorlunda utströmsbegränsningsmetoder.

Anteckningar

  1. ↑ Transistorns kollektor i aktivt läge beter sig som en strömgenerator

Länkar