IC 741 (Операционный усилитель) Основы | схема рабочая | Характеристики

ВВЕДЕНИЕ:

Операционные усилители широко используются в наших аудиоусилителях, внутри компьютеров (т. преобразователи, интеграторы, дифференциаторы, внутренние генераторы волн таймеров 555 и т.д.

Вы когда-нибудь задумывались, что в основном находится внутри операционного усилителя (IC 741)? , как он настроен для выполнения различных функций, как указано выше, и каковы его характеристики. Я надеюсь, что эта статья даст вам базовые знания об операционных усилителях.

Как следует из названия ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, что вы думаете о слове ОПЕРАЦИОННЫЙ?. Если вы думаете о математических операциях, то вы правы. Это устройство, изначально разработанное для выполнения математических операций (т. е. сложения, вычитания, интегрирования и дифференцирования) и для работы с аналоговыми сигналами. С добавлением подходящих внешних компонентов современные операционные усилители можно использовать для различных приложений, как упоминалось выше. Его также можно использовать для усиления сигналов переменного и постоянного тока, слово УСИЛИТЕЛЬ относится к увеличению силы сигнала.

Это усилитель с очень высоким коэффициентом усиления, состоящий из дифференциальных усилителей, транслятора уровня и выходного каскада. Операционный усилитель — это, по сути, конфигурация транзисторов с резисторами подходящего номинала.

СДЕЛАЕМ КРАТКИЙ ОБЗОР IC 741:

В 1965 году компания Fairchild представила uA709 — операционный усилитель первого поколения. Он имеет ряд недостатков, что требует внешних компонентов для его защиты. Недостаток:нет защиты от короткого замыкания, проблемы с защелкиванием, проблемы компенсации частоты, которые требуют внешних компонентов (например, 2 конденсатора и резистор).

В 1968 году компания Fairchild представила свойство uA741 с внутренней компенсацией. В отличие от uA709, у него нет проблем с защёлкиванием, защита от короткого замыкания и стабильность частоты. uA741 также известен как операционный усилитель второго поколения.

ИДЕНТИФИКАЦИЯ IC И ПИН-КОНФИГУРАЦИЯ IC 741

На сегодняшний день многие производители выпускают операционные усилители 741. Как мы можем определить, что операционный усилитель 741 изготовлен конкретным производителем. Многие операционные усилители идентифицируются с помощью семизначного идентификационного кода. Например,

Во-первых, префикс идентифицирует конкретного производителя. Во-вторых, обозначение, которое говорит нам о двух вещах ((i) трехзначное число определяет тип операционного усилителя. (ii) последняя буква указывает на рабочую температуру конкретного операционного усилителя). В-третьих, суффикс указывает на тип упаковки.   

Контакты 7 и 4 используются в качестве контактов питания, на контакте 7 должен быть подключен положительный источник питания, а на контакте 4 должен быть подключен отрицательный источник питания. Он имеет два входа (т. е. один инвертирует входной контакт 2, а другой не инвертирует входной контакт 3). Контакт 1 и контакт 5 являются смещенными нулевыми контактами, между этими контактами подключен потенциометр (типичное значение 10 кОм), чтобы установить выходной сигнал равным нулю. Вывод 8 не имеет связи с внутренней схемой ОУ, он выполнен для полного заполнения стандартной 8-выводной ИС в корпусе.

ВНУТРЕННЯЯ ЦЕПЬ IC741 ОУ:

В основном, 741 биполярный транзисторный операционный усилитель IC состоит из 20 транзисторов BJT. Теперь, чтобы понять внутреннюю схему, давайте разделим схему на разные блоки.

1. Блок, обведенный синим цветом, состоит из дифференциального усилителя.
2. Блоки, обведенные красным, представляют собой текущие зеркала.
3. Блок, обведенный пурпурным цветом, состоит из усилителя класса A (т. е. усилителя напряжения).
4. Блок, обведенный зеленым и голубым, состоит из преобразователя уровня и выходного усилителя (т. е. усилителя класса AB).

Теперь давайте разберемся с каждым из блоков:

Дифференциальный усилитель, во-первых, состоит из согласованных эмиттерных повторителей NPN Q1 и Q2, которые обеспечивают высокий входной импеданс и усиление, во-вторых, согласованных PNP-транзисторов Q3 и Q4 с общей базой, которые используются для управления активной нагрузкой Q7, Q5 и Q6. Q5 и Q6 являются согласованной парой и выполняют функцию дифференциального усилителя для нулевого входного сигнала смещения. Ток Q5 и Q6 регулируется изменением потенциометра 10k, подключенного между входными контактами 1 и 5. Транзисторы Q1 и Q3 соединены последовательно, а транзисторы Q2 и Q4 также соединены каскадом, что обеспечивает высокий коэффициент усиления при подаче входного сигнала на его входные клеммы. Дифференциальный усилитель также может подавлять общие сигналы (т. е. шумы, общие для обоих входных разъемов).

Текущие зеркала состоят из (Q8–Q9) и (Q12–Q13) и настроены как текущее зеркало Wilson. Принимая во внимание, что транзисторы Q10-Q11 сконфигурированы как более широкие токовые зеркала, эти токовые зеркала поддерживают постоянный ток покоя в цепи для стабильной работы.

Усилитель класса A состоит из двух транзисторов NPN Q15 и Q19, которые сконфигурированы как пара Дарлингтона и обеспечивают усиление по напряжению, транзистор Q22 используется для предотвращения избыточного тока, подаваемого на Q20 (т. е. стоковой транзистор, который получает ток от пары Дарлингтона с общим коллектором). .

Транзистор Q16 вместе с резисторами 4,5 кОм и 7,5 кОм (известный как регулятор уровня напряжения) используется в этой схеме для предотвращения искажения выходного сигнала. Теперь усилитель на выходном каскаде в усилителе класса AB (состоящий из Q14, Q17 и Q20). Q14 и Q20 — это дополнительные усилители класса AB, которые обеспечивают выходное сопротивление (обычно 50–75 Ом) и обеспечивают усиление по току. Тогда как Q17 ограничивает ток на выходе.

Ток от токового зеркала (Q8 и Q9) делится на дифференциальный усилитель, состоящий из (Q1-Q3) и (Q2-Q4). Теперь ток транзисторов с общей базой (Q3 и Q4) суммируется с током более широкого токового зеркала (Q10 и Q11), Q7 используется для управления транзисторами Q5 и Q6. Ток покоя устанавливается в Q16, а Q19 устанавливается из-за токового зеркала Вильсона (Q12 и Q13). Значение 30 пФ используется для частотной компенсации.

КОНФИГУРАЦИЯ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ (IC 741):

Две основные конфигурации операционного усилителя

1) Конфигурация без обратной связи:в этой конфигурации 741IC может использоваться как усилитель с очень высоким коэффициентом усиления. В разомкнутом контуре усиление идеально бесконечно, поэтому выход будет насыщаться либо при положительном напряжении питания, либо при отрицательном напряжении питания. Эта разомкнутая система имеет три основные конфигурации:

<п>

a) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ:
b) ИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ:
c) НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ:

2) Конфигурация с замкнутым контуром:в этой конфигурации он подключается как схема с отрицательной обратной связью. Сеть обратной связи осуществляется через резистор (т. е. пассивный компонент)

a) НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ:вход подается на неинвертирующую входную клемму. Коэффициент усиления можно рассчитать, используя значение резисторов. Rf — резистор обратной связи.

Сред.=1 + (Rf / R1)

b) ИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ:вход подается на инвертирующую клемму.

       Av=– (Rf / R1)

c) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ:на этом входе применяется к обоим входам, что будет усиливать разницу ч/б двух входов.

Сред.=

d) ПОВТОРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ:Это устройство, использующее неинвертирующий усилитель, в котором вместо подачи обратной связи через резистор мы закоротим обратную связь Rf и разомкнем R1. Коэффициент усиления цепи обратной связи уменьшится до (Av=1), она используется как буфер. В этом случае выход равен входу. Например, используется в инструментальном усилителе для получения очень слабого сигнала (т. е. в мВ) от преобразователя.

ХАРАКТЕРИСТИКИ IC 741 (ОУ):

1) ВХОДНОЙ ТОК СМЕЩЕНИЯ:

Поскольку операционный усилитель состоит из транзисторов BJT, дифференциальный усилитель, которому для стабильной работы требуется постоянный ток смещения. Значение постоянного тока смещения, потребляемого операционным усилителем, называется номинальным входным током смещения усилителя.

uA741 номинальный ток составляет от 80 нА (типичное значение) до 500 нА (максимальное значение). Входной ток смещения представляет собой среднее значение двух входных базовых токов.

I(смещение) = ( I(b1) + I(b2) ) / 2

2) ВХОДНОЙ ТОК СМЕЩЕНИЯ:

Разница между током на инвертирующем и неинвертирующем входах называется входным током смещения. Он говорит нам, насколько один ток больше другого. 741 обычно имеет этот ток 20 нА.

Чем меньше ток смещения, тем лучше операционный усилитель.

I(b1)=неинвертирующий ток входной клеммы

I(b2)=инертизирующий ток входной клеммы

I(io)=| I(b1) – I(b2)  |

3) ВХОДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ СМЕЩЕНИЯ:

Это напряжение подается между двумя входными клеммами, чтобы сделать выход операционного усилителя нулевым. 741 имеет наихудшее входное напряжение смещения 5 мВ.

4) СКОРОСТЬ НАРАЩИВАНИЯ:

Скорость нарастания определяет, насколько максимальная частота применяется на входе, чтобы предотвратить искажение выходного сигнала. 741 имеет типичную скорость нарастания 0,5 вольта в микросекунду (В/мкс). Измеряется путем подачи импульса с помощью функционального генератора на вход при подключении каналов осциллографа на входе и выходе (настроить осциллограф на двойной режим). Это очень важный параметр.

5) Выходная нагрузка:

Требуется нагрузка на выходе более 2 кОм. Он имеет входное сопротивление около 2 МОм и выходное сопротивление между (50-75) Ом. Его коэффициент усиления без обратной связи составляет около 200 000 для более низких частот.

ЧАСТОТА ОТВЕТОВ:

В разомкнутом контуре операционный усилитель 741 имеет очень высокий коэффициент усиления, что не очень хорошо. Чтобы улучшить усиление, мы применяем сеть с отрицательной обратной связью, при применении сети с отрицательной обратной связью усиление начинает довольно резко падать, при применении большего количества отрицательной обратной связи полоса пропускания становится шире. (полоса пропускания относится к диапазонам частот, которые поддерживает операционный усилитель).