Простейший ОУ на дискретных элементах / Хабр

Операционные усилители на дискретных элементах выпускают для высококачественной аудиотехники. Выглядят они так — плата или «бутерброд» из двух плат и две гребёнки для впаивания вместо интегрального восьмивыводного сдвоенного ОУ со стандартной цоколёвкой. Улучшается ли после замены звук, неизвестно. Но если ОУ на дискретных элементах сильно упростить и превратить в развёрнутый макет, учебное пособие получится отличное.

В этой схеме все транзисторы структуры NPN — 2N2222 или 2N3403, структуры PNP — 2N2907 или 2N3906:

Результат сборки схемы на макетке показан на КДПВ.

В отличие от интегрального ОУ, здесь можно увидеть без микроскопа все транзисторы и назвать их функции. Q1 и Q2 — токовое зеркало, стремящееся равномерно распределить токи между транзисторами дифференциальной пары Q3 и Q4. Ну а Q5 и Q6 — ещё одно токовое зеркало, стремящееся привести суммарный ток через оба транзистора дифференциальной пары к току через резистор Rprg.

В исходном состоянии к входам усилителя подключены переменные резисторы — один к неинвертирующему, второй к инвертирующему. Соединив выход усилителя с входом вольтметра, попробуйте регулировать переменными резисторами напряжения на входах усилителя, и вы обнаружите, что изменение напряжения на первом входе действительно приводит к изменению напряжения на выходе в том же направлении, а изменение напряжения на втором входе — к противоположному результату. Выставьте на обоих входах одинаковые напряжения, затем слегка поменяйте любое из них, и обратите внимание, как резко от этого изменится выходное напряжение.

Убедившись, что схема работает, попробуйте подключить устройство по какой-нибудь стандартной схеме включения ОУ. Начнём с повторителя напряжения, для этого необходимо соединить выход с инвертирующим входом, а на неинвертирующий вход подать регулируемое напряжение:

На макетке это будет выглядеть так:

Сравнив напряжения на входе и выходе схемы, вы обнаружите, что они отличаются друг от друга не более, чем на несколько десятков милливольт. Эта схема хороша, если усиление требуется не по напряжению, а по мощности. Для усиления же по напряжению нужно задать его коэффициент, добавив в цепь обратной связи два резистора. От соотношения их сопротивлений и зависит коэффициент усиления по напряжению, если они равны, этот коэффициент равен двум:

На макетке:

Конечно, чуда не произойдёт, и заставить выходное напряжение превысить напряжение питания вы не сможете. Но даже в том диапазоне, в котором эта схема действительно усиливает напряжение в два раза, вы обнаружите неточность в несколько десятков милливольт. Выбрать разумный компромисс между точностью и потребляемой мощностью можно подбором «программирующего» резистора в диапазоне от 10 кОм до 1 МОм. Меньше 10 кОм ставить резистор нельзя, поскольку транзисторы токового зеркала могут выйти из строя от перегрева.

У некоторых интегральных ОУ выводы для такого «программирования» выведены наружу. Но обычно этого не сделано, и в этом случае сопротивление встроенного «программирующего» резистора такое, какое счёл оптимальным разработчик.

Исключив переменный резистор, добавив конденсаторы на вход и выход, и выставив добавочными резисторами желаемый коэффициент усиления, можно получить усилитель для наушников.

Типичные ресурсы для операционных усилителей TINA и TINACloud

Типичный операционный усилитель

Большинство операционных усилителей спроектированы и изготовлены в соответствии с блок-схемой, показанной на рисунке 8.

Рисунок 8 — Типичная конфигурация операционного усилителя

Дифференциальный усилитель и каскад усиления напряжения являются единственными ступенями, которые обеспечивают усиление напряжения. Дифференциальный усилитель также обеспечивает CMRR, что так важно в операционном усилителе. Выход дифференциального усилителя часто соединен с повторителем эмиттера с большим резистором эмиттера, чтобы обеспечить нагрузку с высоким импедансом для дифференциального усилителя, чтобы получить высокий коэффициент усиления. Помните, что усилитель с общим коэффициентом усиления с высоким коэффициентом усиления страдает от гораздо более низкого входного сопротивления, чем усилитель CE с умеренным коэффициентом усиления. Это позволяет использовать усилитель CE с высоким коэффициентом усиления для обеспечения дополнительного усиления. Линейные операционные усилители имеют прямую связь для обеспечения ac усиление. Это также устраняет необходимость в конденсаторе связи, который слишком велик для размещения на микросхеме. Переключатели уровня необходимы, чтобы гарантировать, что выходной сигнал не имеет dc смещение. Операционные усилители можно очень точно смоделировать путем моделирования схем. Мы продемонстрируем это с помощью онлайн-моделирования схем TINACloud.

Упаковка 3.1

Цепи операционного усилителя упакованы в стандартные IC-пакеты, в том числе банки, двойные линейные пакеты (DIP) и плоские пакеты. Каждый из этих пакетов имеет как минимум восемь контактов или соединений. Они показаны на рисунках 9, 10 и 11.

 

Рисунок 9 — Подключение операционного усилителя для упаковки с банками (вид сверху)

Рисунок 10 — Подключение операционного усилителя 14-контактный DIP (вид сверху)

Рисунок 11 — Подключение операционного усилителя для плоского X-контактного разъема (вид сверху)

 

 

 

 

 

 

 

При построении цепи важно правильно идентифицировать различные выводы (обычно они не нумеруются). На рисунках показано расположение штифта 1. в может упаковать на рисунке 9, вывод 1 обозначен как первый вывод слева от выступа, а выводы последовательно пронумерованы против часовой стрелки, если смотреть сверху. в пакет с двумя линиями на рисунке 10, верхняя часть упаковки имеет отступ для расположения контакта 1, а контакты пронумерованы вниз слева и вверх справа. Обратите внимание, что более одного операционного усилителя (обычно 2 или 4) упакованы в один DIP.

В разделе в разобранном виде на рисунке 11, вывод 1 обозначен точкой, а выводы пронумерованы, как в DIP.

Требования к питанию 3.2

Многие операционные усилители требуют как источника отрицательного, так и положительного напряжения. Типичные источники напряжения варьируются от ± 5 V до ± 25 V. На рисунке 12 показаны типичные подключения источника питания к операционному усилителю.

Максимальное колебание выходного напряжения ограничено dc напряжение, подаваемое на операционный усилитель. Некоторые операционные усилители могут работать от одного источника напряжения. Спецификации производителя определяют пределы работы в тех случаях, когда операционный усилитель использует только один источник питания.

Рисунок 12 — Подключение питания

Максимальное колебание выходного напряжения ограничено dc напряжение, подаваемое на операционный усилитель. Некоторые операционные усилители могут работать от одного источника напряжения. Спецификации производителя определяют пределы работы в тех случаях, когда операционный усилитель использует только один источник питания.

3.3 Операционный усилитель 741

Операционный усилитель µA741 показан в схеме, эквивалентной рисунку 13. Он выпускается с 1966 большинством производителей микросхем, и, хотя с момента его появления было много достижений, 741 по-прежнему широко используется.

Figure 13 — Операционный усилитель 741

Операционный усилитель 741 имеет внутренняя компенсация который относится к RC-сети, которая вызывает падение высокочастотного амплитудного отклика. Поскольку усилитель имеет высокий коэффициент усиления (порядка 10⁴ в 10⁵ на низких частотах) и потому, что паразитные емкости в транзисторах позволяют паразитная обратная связьоперационный усилитель стал бы нестабильным и колебался, если бы не внутренняя компенсация. Два каскадных разностных усилителя управляют дополнительным симметричным усилителем мощности через другой усилитель напряжения.

Операционный усилитель 741 состоит из трех ступеней: дифференциального усилителя на входе, промежуточного одностороннего усилителя с высоким коэффициентом усиления и усилителя буферизации на выходе. Другая схема, важная для его работы — это сдвиг уровня для dc уровень сигнала, чтобы на выходе могли качаться как положительные, так и отрицательные цепи, смещения, чтобы обеспечить опорные токи для различных усилителей, и цепи, которые защищают операционный усилитель от коротких замыканий на выходе. 741 внутренне компенсируется встроенной конденсаторно-резисторной сетью.

Операционный усилитель дополнительно улучшен за счет добавления большего количества ступеней усиления, изоляции входных цепей и добавления большего количества последователей эмиттера на выходе для уменьшения выходного импеданса. Другие улучшения приводят к увеличению CMRR, более высокому входному сопротивлению, более широкой частотной характеристике, уменьшенному выходному сопротивлению и увеличенной мощности.

Схемы смещения

Несколько постоянных источников можно увидеть в операционном усилителе 741 на рисунке 13. Транзисторы Q₈ и Q₉ являются источником тока для I_EE дифференциального усилителя, образованного Q₁, Q₂, Q₃, и Q₄, Транзисторы Q₅, Q₆, и Q₇являются активными нагрузками, заменяющими R_C резисторы дифференциального усилителя. Транзисторы Q₁₀, Q₁₁, и Q₁₂ формируют цепь смещения для источников тока дифференциального усилителя. Транзисторы Q₁₀ и Q₁₁ сформировать источник тока Widlar для этой сети смещения с другими транзисторами, действующими как зеркало тока.

Защита от короткого замыкания

Схема 741 включает в себя несколько транзисторов, которые обычно отключаются и проводят только в том случае, если на выходе имеется большой ток. Смещение выходных транзисторов затем изменяется, чтобы уменьшить этот ток до приемлемого уровня. В схеме на рисунке 13 эта сеть защиты от короткого замыкания состоит из транзисторов Q₁₅ и Q₂₂ и резистор R₁₁

Этап ввода

Входной каскад операционного усилителя 741 необходим для обеспечения усиления по напряжению, сдвига уровня и выхода несимметричного дифференциального усилителя. Сложность схемы вызывает большую ошибку напряжения смещения. В отличие от этого, стандартный резисторный дифференциальный усилитель вызывает меньшую ошибку напряжения смещения. Однако стандартный усилитель имеет ограниченное усиление, что означает, что для достижения желаемого усиления потребуется больше ступеней. Нагруженные резистором дифференциальные усилители используются в операционных усилителях, которые имеют меньший дрейф напряжения, чем 741.

BJT, используемые на входном каскаде, требуют больших токов смещения, что создает проблемы смещения тока. Чтобы уменьшить ошибку смещения тока, другие типы операционных усилителей используют МОП-транзисторы на входном каскаде.

Входной каскад 741 представляет собой дифференциальный усилитель с активной нагрузкой, образованной транзисторами Q₅, Q₆, и Q₇ и резисторы R₁, R₂, и R₃, Эта схема обеспечивает нагрузку с высоким сопротивлением и преобразует сигнал из дифференциального в однополярный без ухудшения коэффициента усиления или коэффициента подавления синфазного сигнала. Несимметричный выход берется из коллектора Q₆, Сдвиг уровня входного каскада состоит из бокового PNP транзисторы, Q₃ и Q₄, которые связаны в общей базе конфигурации.

Использование боковых транзисторов, Q₃ и Q₄, приводит к дополнительному преимуществу. Они помогают защитить входные транзисторы, Q₁ и Q₂, против разрушения базы эмиттер. Основание эмиттерного соединения NPN Транзистор сломается, когда обратное смещение превысит 7 V. Боковое смещение транзистора не произойдет, пока обратное смещение не превысит 50 V. Поскольку транзисторы включены последовательно с Q₁ и Q₂, напряжение пробоя входной цепи увеличивается.

Промежуточная стадия

Промежуточные каскады в большинстве операционных усилителей обеспечивают высокий коэффициент усиления через несколько усилителей. В 741 несимметричный выход первой ступени соединен с основанием Q₁₆ который находится в конфигурации следящего излучателя. Это обеспечивает высокий входной импеданс к входному каскаду, который минимизирует нагрузку. Промежуточная ступень также состоит из транзисторов Q₁₆ и Q₁₇и резисторы R₈ и R₉, Выход промежуточной ступени берется из коллектора Q₁₇и предоставляется Q₁₄ через разделитель фаз. Конденсатор в 741 используется для частотной компенсации, которая обсуждается в последующих главах этого текста.

Выходной этап

Выходной каскад операционного усилителя необходим для обеспечения высокого коэффициента усиления по току при низком выходном сопротивлении. В большинстве операционных усилителей используется выходной каскад с дополнительной симметрией для повышения эффективности без ущерба для усиления по току. Максимально достижимый КПД для усилителя с дополнительной симметрией класса B составляет 78%. Несимметричный выходной усилитель имеет максимальный КПД всего 25%. Некоторые операционные усилители используют дополнительную симметрию пар Дарлингтона для увеличения своей выходной мощности. Выходной каскад дополнительной симметрии в 741 состоит из Q₁₄ и Q₂₀.

Маленькие резисторы, R₆ и R₇обеспечить ограничение тока на выходе. Пара Дарлингтон, Q₁₈ и Q₁₉, используется вместо диода в дополнительном симметричном выходном каскаде с компенсацией диода, как описано в главе 8. Расположение пары Дарлингтона предпочтительнее двух транзисторов, соединенных в виде диода, поскольку оно может быть изготовлено на меньшей площади. Источник тока, заменяющий резистор смещения в схеме дополнительной симметрии, реализуется одной частью транзистора. Q₁₃, Транзисторы Q₂₂, Q₂₃, и Q₂₄ являются частью устройства сдвига уровня, которое обеспечивает центрирование выходного напряжения вокруг нулевой оси.

ТОК — 3. Типичный операционный усилитель.

ПРЕДЫДУЩАЯ — 2. Переключатели уровня

СЛЕДУЮЩАЯ — 4. Технические характеристики производителей

Операционный усилитель против транзистора | Основное отличие

8 марта 2023 г. Чарльз Кларк Оставить комментарий

Операционный усилитель и транзистор используются в соответствии с вашими потребностями. Хотя операционные усилители лучше подходят для усиления, они дороги. Поскольку операционный усилитель выполнен из разных типов транзисторов. Таким образом, во многих случаях вы можете использовать транзистор вместо операционного усилителя. Транзистор дешев по сравнению с операционным усилителем.

В чем разница между операционным усилителем и транзистором?

Различия между операционным усилителем и транзистором:

1. Коэффициент усиления

Коэффициент усиления операционного усилителя больше, чем у транзистора. Коэффициент усиления ОУ и транзистора составляет 1000 и 70 – 100. Таким образом, на выходе усилителя будет меньше каскада, чем у транзистора.

2. Стабилизирующий компонент

Операционный усилитель имеет встроенный стабилизирующий компонент, которого нет у транзистора.

3. Сборка

Транзистор изготовлен с полупроводниковым переходом p-n-p или n-p-n. Он имеет три области эмиттера, базы и коллектора.

С другой стороны, операционный усилитель состоит из различных транзисторов и других компонентов, встроенных в схему. он имеет пять областей, два входа (инвертирующий и неинвертирующий), положительный и отрицательный источник питания и выход.

4. Пространство и мощность

 Операционный усилитель требует больше места и мощности по сравнению с транзистором.

5. Стоимость

Операционный усилитель дороже транзистора.

 Операционные усилители состоят из транзисторов?

Да, операционные усилители состоят из транзисторов. Другой компонент операционного усилителя — это резистор, конденсатор и диод. Входной вывод операционного усилителя соединен с базой транзисторов. Клеммы эмиттера подключены к отрицательному источнику питания.

Положительный источник питания также подключается к двум клеммам коллектора. Выходной сигнал получается с выводов транзисторов. Напряжения коллектора могут быть в одном или противоположном направлении.

 Почему транзисторы используются в операционных усилителях?

Операционный усилитель состоит в основном из транзисторов и сопротивлений. Транзистор используется для усиления сигнала. Базовый операционный усилитель или операционный усилитель имеет два входа, два источника питания и одну выходную клемму. Два входа подключены к двум базовым выводам транзистора.

Эмиттерный вывод транзистора подключен к отрицательному источнику питания. А клемма с двумя коллекторами подключена к положительному источнику питания. Выход берется с двух коллекторных выводов транзистора. Выход представляет собой разницу между двумя входными сигналами.

 В чем разница между операционным усилителем и усилителем?

Различия между операционным усилителем и усилителем:

1. Встроенный

Усилитель — это устройство, усиливающее входной сигнал. Он имеет три терминала. А операционный усилитель — это электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления. Он имеет пять терминалов. Два входа, два блока питания и один выход. Выходное напряжение – это разница между входными напряжениями.

2. Усиливающая способность

Усиливающая способность операционного усилителя больше, чем усилитель. Операционный усилитель может усиливать сигналы постоянного тока, но мощность усилителя ограничена.

3. Типы

Операционный усилитель — это электронный усилитель, но усилитель может быть механическим или электронным.

4. Пространство и мощность

Операционный усилитель занимает больше места и энергии, чем усилитель.

Заключение

В этой статье мы обсудили операционный усилитель и транзистор. Операционный усилитель является лучшим выбором по сравнению с транзистором или усилителем. Основными компонентами операционного усилителя являются транзистор и резистор. Операционный усилитель — это электронный усилитель. Он имеет высокий коэффициент усиления и усиливает сигналы постоянного тока.

Рубрики: Схемы, компоненты, использование операционных усилителей

Взаимодействие с читателем

Руководство по идентификации комплекта деталей для начинающих

• Домашняя страница
• Учебники
• Руководство по идентификации комплекта деталей для начинающих

≡ Страниц

Авторы: Джимблом, Бибойхо

Избранное Любимый 7

Транзисторы — 2N3904 NPN и 2N3906 PNP

Дальний родственник диода, транзистор также является полупроводниковым устройством.

Транзистор — NPN, 60В 200мА (2N3904)

В наличии COM-00521

Избранное Любимый 14

Список желаний

Транзистор — ПНП 60В 200мА (2N3906)

В наличии COM-00522

Избранное Любимый 9

Список желаний

Хотя вы, вероятно, их не видели, транзисторы были почти в каждом электрическом устройстве, которое вы когда-либо использовали.

Включенные транзисторы представляют собой оба типа транзисторов с биполярным переходом (BJT), NPN и PNP, и являются одними из наиболее распространенных транзисторов.

Внутренняя схематическая диаграмма взята из технического описания 2N3904 и 2N3906

Транзисторы можно рассматривать как электронные переключатели. У них три вывода: коллектор, эмиттер и база. База действует как элемент управления выключателем; независимо от того, подключен ли он к высокому или низкому уровню, контролируется, может ли ток течь от коллектора к эмиттеру. Для диода

NPN ток будет течь от С к Е, если базу подтянуть к высокому (относительно эмиттера), наоборот, на PNP Транзистор , база должна быть притянута к низкому уровню относительно эмиттера, чтобы ток протекал от C к E.

Для более глубокого понимания диодов ознакомьтесь с нашим руководством по диодам

Транзисторы

1 июля 2014 г.

Ускоренный курс по транзисторам с биполярным переходом. Узнайте, как работают транзисторы и в каких схемах мы их используем.

Избранное Любимый 84

---

Операционные усилители — 358

Операционные усилители… в зависимости от того, насколько вы любите проектирование аналоговых схем, эти интегральные схемы вызывают в воображении либо болезненные воспоминания об идеальной теории усилителей, либо восхитительные воспоминания об их схемотехнике. К счастью, существует много информации, которая поможет вам получить именно то, что вы хотите от операционного усилителя. Операционные усилители представляют собой специально дифференциальные усилители напряжения, они принимают два входа напряжения и усиливают разницу в любом месте от 10 до 1000 раз больше. У них миллионы приложений; в зависимости от окружающих их компонентов их можно использовать для сравнения, инвертирования, сложения, интегрирования или выполнения всевозможных других функций над сигналами.