Внутренняя структура операционного усилителя 741

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Операционный усилитель 741 (другие обозначения: uA741, μA741) — один из первых интегральных операционных усилителей на биполярных транзисторах. Разработан в 1968 году и производится до сих пор.

Содержание 1 Структура ОУ 2 Токовые зеркала 3 Дифференциальный входной каскад 4 Усилительный каскад класса А 5 Цепи смещения выхода 6 Выходной каскад 7 Примечания 8 Ссылки

[править] Структура ОУ

Несмотря на то, что проще и полезнее рассматривать операционный усилитель как черный 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.

Структура ОУ различных марок отличается, но в основе лежит один и тот же принцип. ОУ состоят из следующих функциональных блоков:

1. Дифференциальный усилитель
   • Входной каскад — обеспечивает усиление при малом уровне шума, высокое входное сопротивление. Обычно имеет дифференциальный выход.
2. Усилитель напряжения
   • Имеет высокий коэффициент усиления по напряжению, спад Амплитудно-частотной характеристики как у однополюсного фильтра низких частот, обычно единственный (то есть не дифференциальный) выход.
3. Выходной усилитель
   • Выходной каскад — обеспечивает высокую нагрузочную способность по току, низкое выходное сопротивление, ограничение выходного тока и защиту от короткого замыкания в нагрузке.

[править] Токовые зеркала

Части схемы, обведенные красной линией являются токовыми зеркалами. Первичный ток, который задает все остальные токи, определяется напряжением питания ОУ и резистором 39 kΩ (плюс два падения напряжения на диодном переходе). Первичный ток составляет примерно

Режим входного каскада по постоянному току задается 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 усилителя класса А постоянный ток нагрузки, этот ток практически не зависит от выходного напряжения ОУ.

[править] 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 путем 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^[1].

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.

[править] Усилительный каскад класса А

Часть схемы, обведенная пурпурной линией, является усилительным каскадом класса А. Он состоит из двух n-p-n транзисторов, включенных как пара Дарлингтона. Коллекторной нагрузкой является выходная часть токового зеркала Q12/Q13, благодаря чему достигается высокое усиление этого каскада. Конденсатор емкостью 30 пФ обеспечивает частотно-зависимую отрицательную обратную связь, которая повышает устойчивость ОУ при работе с внешней обратной связью. Такая техника называется компенсация Миллера, она функционирует практически так же, как и интегратор, построенный на ОУ. Полюс может находиться на достаточно низкой частоте, например 10 Гц для ОУ 741. Соответственно, на этой частоте происходит спад −3 дБ амплитудно-частотной характеристики ОУ при разомкнутой петле внешней обратной связи. Частотная компенсация обеспечивает безусловную стабильность ОУ в широком диапазоне условий и тем самым упрощает его применение.

[править] Цепи смещения выхода

The green outlined section (based around Q16) is a voltage level shifter or V_be multiplier; a type of voltage source. In the circuit as shown, Q16 provides a constant voltage drop between its collector and emitter regardless of the current passing through the circuit. If the base current to the transistor is assumed to be zero, and the voltage between base and emitter (and across the 7.5 kΩ resistor) is 0.625 V (a typical value for a BJT in the active region), then the current flowing through the 4.5 kΩ resistor will be the same as that through the 7.5 kΩ, and will produce a voltage of 0.375 V across it. This keeps the voltage across the transistor, and the two resistors at 0.625 + 0.375 = 1 V. This serves to bias the two output transistors slightly into conduction reducing crossover distortion. In some discrete component amplifiers this function is achieved with (usually 2) silicon diodes.

[править] Выходной каскад

The output stage (outlined in cyan) is a Class AB push-pull emitter follower (Q14, Q20) amplifier with the bias set by the V_be multiplier voltage source Q16 and its base resistors. This stage is effectively driven by the collectors of Q13 and Q19. The output range of the amplifier is about 1 volt less than the supply voltage, owing in part to V_ce(sat) of the output transistors.

The 25 Ω resistor in the output stage acts as a current sense to provide the output current limiting function which limits the current flow in the emitter follower Q14 to about 25 mA for the 741. Current limiting for the negative output is done by sensing the voltage across Q19's emitter resistor and using this to reduce the drive into Q15's base. Later versions of this amplifier schematic may show a slightly different method of output current limiting. The output resistance is not zero as it would be in an ideal op-amp but with negative feedback it approaches zero.

Note: while the 741 was historically used in audio and other sensitive equipment, such use is now rare because of the improved noise performance of more modern op-amps. Apart from generating noticeable hiss, 741s and other older op-amps may have poor common-mode rejection ratios and so will often introduce cable-borne mains hum and other common-mode interference, such a switch 'clicks', into sensitive equipment.

[править] Примечания

[править] Ссылки

• Operational amplifiers^(англ.) Познавательная статья об ОУ.