Простой операционный усилитель

ДЕТАЛИ И МАТЕРИАЛЫ

• Две 6-вольтовые батареи.
• Четыре транзистора NPN - рекомендуются модели 2N2222 или 2N3403 (каталог Radio Shack № 276-1617 представляет собой пакет из пятнадцати транзисторов NPN, идеально подходящих для этого и других экспериментов).
• Два транзистора PNP - рекомендуются модели 2N2907 или 2N3906 (каталог Radio Shack № 276-1604 представляет собой пакет из пятнадцати транзисторов PNP, идеально подходящих для этого и других экспериментов).
• Два однооборотных потенциометра 10 кОм с линейным конусом (каталог Radio Shack № 271-1715)
• Один резистор 270 кОм.
• Три резистора по 100 кОм.
• Один резистор 10 кОм.

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ

уроки по электрическим схемам , Том 3, глава 4:«Биполярные переходные транзисторы» Уроки электрических цепей , Том 3, глава 8:«Операционные усилители»

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

• Разработка схемы дифференциального усилителя с использованием токовых зеркал.
• Влияние отрицательной обратной связи на дифференциальный усилитель с высоким коэффициентом усиления.

СХЕМА

ИЛЛЮСТРАЦИЯ

ИНСТРУКЦИИ

Эта схема является усовершенствованной по сравнению с показанным ранее дифференциальным усилителем. Вместо того, чтобы использовать резисторы для падения напряжения в цепи дифференциальной пары, вместо них используется набор токовых зеркал, в результате чего достигается более высокий коэффициент усиления по напряжению и более предсказуемые характеристики.

С более высоким коэффициентом усиления по напряжению эта схема может работать как рабочий операционный усилитель или операционный усилитель . . Операционные усилители составляют основу множества современных аналоговых полупроводниковых схем, поэтому важно понимать, как работает операционный усилитель изнутри.

PNP транзисторы Q ₁ и Q ₂ формируют токовое зеркало, которое пытается поддерживать равное разделение тока через два транзистора дифференциальной пары Q ₃ и Q ₄ . Транзисторы NPN Q ₅ и Q ₆ сформировать другое текущее зеркало, установив общее ток дифференциальной пары на уровне, заданном резистором R _prg .

Измерьте выходное напряжение (напряжение на коллекторе Q ₄ относительно земли) при изменении входного напряжения. Обратите внимание, как два потенциометра по-разному влияют на выходное напряжение:один вход имеет тенденцию управлять выходным напряжением в одном и том же направлении (неинвертирующий), а другой стремится управлять выходным напряжением в противоположном направлении (инвертирующий).

Вы заметите, что выходное напряжение наиболее чувствительно к изменениям на входе, когда два входных сигнала почти равны друг другу.

После того, как будет доказана дифференциальная характеристика схемы (выходное напряжение резко переходит от одного экстремального уровня к другому, когда один вход настроен выше и ниже уровня напряжения другого входа), вы готовы использовать эту схему в качестве реального операционного усилителя. Простая схема операционного усилителя, называемая повторителем напряжения - хорошая конфигурация, которую стоит попробовать в первую очередь.

Чтобы создать цепь повторителя напряжения, напрямую подключите выход усилителя к его инвертирующему входу. Это означает соединение коллекторной и базовой клемм Q ₄ вместе и отказавшись от «инвертирующего» потенциометра:

Обратите внимание на треугольный символ операционного усилителя, показанный на нижней схеме. Инвертирующий и неинвертирующий входы обозначены символами (-) и (+) соответственно, а выходной терминал находится в правом верхнем углу.

Провод обратной связи, соединяющий выход с инвертирующим входом, показан на приведенных выше схемах красным цветом. В качестве повторителя напряжения выходное напряжение должно очень точно «следовать» за входным напряжением, отклоняясь не более чем на несколько сотых вольта.

Это гораздо более точная ведомая схема, чем схема с одним транзистором с общим коллектором, описанная в более раннем эксперименте! Более сложная схема операционного усилителя называется неинвертирующим усилителем . , и он использует пару резисторов в контуре обратной связи для «обратной связи» части выходного напряжения на инвертирующий вход, заставляя усилитель выдавать напряжение, равное некоторому кратному напряжению на неинвертирующем входе.

Если мы используем два резистора равного номинала, напряжение обратной связи будет 1/2 выходного напряжения, в результате чего выходное напряжение станет вдвое больше напряжения, подаваемого на неинвертирующий вход. Таким образом, у нас есть усилитель напряжения с точным коэффициентом усиления 2:

При тестировании этой схемы неинвертирующего усилителя вы можете заметить небольшие расхождения между выходным и входным напряжениями. Согласно значениям резистора обратной связи, коэффициент усиления по напряжению должен быть ровно 2.

Однако вы можете заметить отклонения порядка нескольких сотых вольта между выходным напряжением и тем, каким оно должно быть. Эти отклонения вызваны несовершенством схемы дифференциального усилителя и могут быть значительно уменьшены, если мы добавим дополнительные каскады усиления для увеличения дифференциального усиления по напряжению.

Однако один из способов повысить точность существующей схемы - это изменить сопротивление R _prg . . Этот резистор устанавливает контрольную точку нижнего токового зеркала и тем самым влияет на многие рабочие параметры операционного усилителя.

Попробуйте подставить значения разности сопротивлений в диапазоне от 10 кОм до 1 МОм. Не используйте сопротивление менее 10 кОм, иначе транзисторы токового зеркала могут начать перегреваться и термически «разбегаться».

Некоторые операционные усилители, доступные в предварительно упакованных единицах, предоставляют пользователю возможность аналогичным образом «программировать» токовое зеркало дифференциальной пары и называются программируемыми операционные усилители. Большинство операционных усилителей не являются программируемыми, и их внутренние контрольные точки зеркала тока фиксируются внутренним сопротивлением, настроенным до точного значения на заводе.