Операционный усилитель 741
Содержание:
Структура ОУ
Несмотря на то, что проще и полезнее рассматривать операционный усилитель как чёрный ящик с характеристиками идеального ОУ, важно также иметь представление о внутренней структуре ОУ и принципах его работы, так как при разработке с использованием ОУ могут возникнуть проблемы, обусловленные ограничениями его схемотехники.
Структуры ОУ различных марок различаются, но в основе лежит один и тот же принцип. ОУ второго и последующих поколений состоят из следующих функциональных блоков:
Внутренняя схема операционного усилителя 741
-
Дифференциальный усилитель
Входной каскад — обеспечивает усиление при малом уровне шума, высокое входное сопротивление. Обычно имеет дифференциальный выход.
- Усилитель напряжения
- Выходной усилитель
Datasheets
ProductFolder OrderNow TechnicalDocuments Support &Community Tools &Software uA741SLOS094G – NOVEMBER 1970 – REVISED JANUARY 2018 ВµA741 General-Purpose Operational Amplifiers1 Features 3 Description The ВµA741 device is a general-purpose operationalamplifier featuring offset-voltage null capability. 1 Short-Circuit ProtectionOffset-Voltage Null CapabilityLarge Common-Mode and Differential VoltageRangesNo Frequency Compensation RequiredNo Latch-Up The high common-mode input voltage range and theabsence of latch-up make the amplifier ideal forvoltage-followerapplications.Thedeviceisshort-circuit protected and the internal frequencycompensation ensures stability without externalcomponents. A low-value potentiometer may be …
Дифференциальный входной каскад
Часть схемы, обведённая синей линией, является дифференциальным усилителем. Транзисторы Q1 и Q2 работают как эмиттерные повторители, они нагружены на пару транзисторов Q3 и Q4, включённых как усилители с общей базой. Помимо этого Q3 и Q4 согласуют уровень напряжения и обеспечивают предварительное усиление сигнала перед подачей его на усилитель класса А.
Дифференциальный усилитель из транзисторов Q1 — Q4 имеет активную нагрузку — токовое зеркало, состоящее из транзисторов Q5 — Q7. Транзистор Q7 увеличивает точность (равенство токов в ветвях) токового зеркала путём уменьшения тока сигнала, отбираемого с коллектора Q3 для управления базами транзисторов Q5 и Q6. Это токовое зеркало обеспечивает преобразование дифференциального сигнала в недифференциальный следующим образом:
- Ток сигнала через коллектор Q3 поступает на вход токового зеркала, при этом выход зеркала (коллектор Q6) соединён с коллектором Q4.
- Здесь токи коллекторов Q3 и Q4 суммируются, поскольку для дифференциальных входных сигналов сигнальные токи через транзисторы Q3 и Q4 равны по абсолютному значению и противоположны по направлению.
Таким образом, сумма вдвое превышает токи, текущие через транзисторы Q3 и Q4. Напряжение сигнала на коллекторе Q4 в режиме холостого хода равно произведению суммы сигнальных токов и сопротивлений коллекторов Q4 и Q6, включённых параллельно. Это произведение относительно велико, поскольку сопротивления коллекторов для токов сигнала большие.
Следует отметить, что ток базы входных транзисторов ненулевой и дифференциальное сопротивление входа ОУ 741 составляет примерно 2 MΩ.
ОУ имеет два вывода балансировки (на рисунке обозначены Offset), которые обеспечивают возможность подстройки напряжения смещения входа ОУ до нулевого значения. Для подстройки нужно подключить к выводам потенциометр.
Токовые зеркала
Части схемы, обведённые красной линией, являются токовыми зеркалами. Первичный ток, который задаёт все остальные токи, определяется напряжением питания ОУ и резистором 39 kΩ (плюс два падения напряжения на диодном переходе). Первичный ток составляет примерно
| Iref=VS+−VS−−2Vbe39kΩ{\displaystyle I_{\text{ref}}={\frac {V_{{\text{S}}+}-V_{{\text{S}}-}-2V_{\text{be}}}{39\,{\text{k}}\Omega }}} | (1) |
Режим входного каскада по постоянному току задаётся двумя токовыми зеркалами слева. Токовое зеркало, образованное транзисторами Q8/Q9, позволяет работать с большими синфазными напряжениями на входе, не выходя при этом из активного режима работы транзисторов. Токовое зеркало Q10/Q11 косвенно используется для установки тока покоя входного каскада. Этот ток устанавливается резистором 5 kΩ. Цепь задания тока смещения работает следующим образом. Если ток входного каскада начинает отличаться (отличие обнаруживает транзистор Q8) от значения, заданного транзистором Q10, это отражается в токе Q9, что приводит к изменению напряжения в точке соединения коллекторов Q9 и Q10. Это напряжение, поступая на базы Q3 и Q4, уменьшает отклонение тока входного каскада от номинального. Таким образом, постоянная составляющая тока входного каскада стабилизирована глубокой отрицательной обратной связью.
Токовое зеркало Q12/Q13 обеспечивает для постоянный ток нагрузки, этот ток практически не зависит от выходного напряжения ОУ.
Дифференциальный входной каскад
Часть схемы, обведенная синей линией, является дифференциальным усилителем. Транзисторы Q1 и Q2 работают как эмиттерные повторители, они нагружены на пару транзисторов Q3 и Q4, включенных как усилители с общей базой. Помимо этого Q3 и Q4 согласуют уровень напряжения и обеспечивают предварительное усиление сигнала перед подачей его на усилитель класса А.
Дифференциальный усилитель из транзисторов Q1 — Q4 имеет активную нагрузку — токовое зеркало, состоящее из транзисторов Q5 — Q7. Транзистор Q7 увеличивает точность (равенство токов в ветвях) токового зеркала путём уменьшения тока сигнала, отбираемого с коллектора Q3 для управления базами транзисторов Q5 и Q6. Это токовое зеркало обеспечивает преобразование дифференциального сигнала в недифференциальный следующим образом:
- Ток сигнала через коллектор Q3 поступает на вход токового зеркала, при этом выход зеркала (коллектор Q6) соединен с коллектором Q4.
- Здесь токи коллекторов Q3 и Q4 суммируются, поскольку для дифференциальных входных сигналов сигнальные токи через транзисторы Q3 и Q4 равны по абсолютному значению и противоположны по направлению.
Таким образом, сумма вдвое превышает токи, текущие через транзисторы Q3 и Q4. Напряжение сигнала на коллекторе Q4 в режиме холостого хода равно произведению суммы сигнальных токов и сопротивлений коллекторов Q4 и Q6, включенных параллельно. Это произведение относительно велико, поскольку сопротивления коллекторов для токов сигнала большие.
Следует отметить, что ток базы входных транзисторов ненулевой и дифференциальное сопротивление входа ОУ 741 составляет примерно 2 MΩ.
ОУ имеет два вывода балансировки (на рисунке обозначены Offset), которые обеспечивают возможность подстройки напряжения смещения входа ОУ до нулевого значения. Для подстройки нужно подключить к выводам потенциометр.
Цепи смещения выхода
Часть схемы, обведённая зелёной линией, предназначена для правильного смещения транзисторов выходного каскада. Эта часть схемы представляет собой умножитель напряжения база-эмиттер — двухполюсник, поддерживающий на своих выводах постоянную разность потенциалов вне зависимости от протекающего тока. Фактически, это аналог стабилитрона, выполненный на транзисторе Q16. Если считать ток базы транзистора Q16 равным нулю, а напряжение база-эмиттер равным 0,625 В (типичное напряжение база-эмиттер для кремниевых биполярных транзисторов), то токи, текущие через резисторы 4,5 kΩ и 7,5 kΩ, будут одинаковы, а напряжение на резисторе 4,5 kΩ составит 0,375 В. Таким образом, напряжение на всем двухполюснике будет равно 0,625 + 0,375 = 1 В. Это напряжение поддерживает выходные транзисторы в чуть открытом состоянии, что уменьшает искажения типа «ступенька».
Поддержание напряжения смещения путём умножения напряжения база-эмиттер примечательно тем, что при изменениях температуры напряжения база-эмиттер меняются одновременно и у смещаемого каскада, и у цепи смещения, то есть температурно-зависимые эффекты взаимно вычитаются. Это обстоятельство значительно улучшает термостабильность режима смещаемых транзисторов, особенно в интегральных схемах, где все транзисторы имеют одинаковую температуру (поскольку находятся на одном кристалле).
В некоторых усилителях, выполненных на дискретных компонентах, функцию смещения выходных транзисторов выполняют последовательно включённые полупроводниковые диоды (обычно два диода).
