Сборка высоковольтного дифференциального усилителя, работающего как операционный усилитель

Детали и материалы

• Два 6-вольтовых аккумулятора
• Четыре NPN транзистора — модели 2N2222 или 2N3403 (Radio Shack #276-1617 предоставляет удобный набор из пятнадцати NPN приборов)
• Два PNP транзистора — модели 2N2907 или 2N3906 (Radio Shack #276-1604 предлагает набор из пятнадцати PNP)
• Два потенциометра 10 кОм, однооборотные, линейные (Radio Shack #271-1715)
• Один резистор 270 кОм
• Три резистора 100 кОм
• Один резистор 10 кОм

Перекрестные ссылки

Lessons In Electric Circuits, Volume 3, chapters 4 «Bipolar Junction Transistors» и 8 «Operational Amplifiers».

Цели обучения

• Спроектировать дифференциальный усилитель, использующий тока зеркала
• Исследовать, как отрицательная обратная связь формирует поведение высоковольтного дифференциального усилителя

Схема

Иллюстрация

Инструкции

Этот дизайн уточняет предыдущий дифференциальный усилитель, заменяя резисторы падения напряжения на сети тока зеркал, давая более высокое напряженное усиление и более предсказуемую производительность.

С его увеличенным усилением схема может работать как функциональный операционный усилитель (оп-амп). Операционные усилители — краеугольный камень современной аналоговой электроники, поэтому понимание их внутренней структуры бесценно.

PNP пара Q1 и Q2 образует токовое зеркало, которое уравновешивает токи через дифференциальную пару Q3 и Q4. NPN пара Q5 и Q6 предоставляет второе токовое зеркало, которое фиксирует общий дифференциально-парный ток через программируемый резистор R_prg.

Измерьте выходное напряжение (коллектор Q4 относительно земли) при изменении двух входных напряжений. Обратите внимание, что один потенциометр действует как неинвертирующий вход, а другой служит инвертирующим входом.

Выход наиболее сильно реагирует, когда два входа почти равны — это дифференциальный режим. После подтверждения этого поведения схема может использоваться как настоящий оп-амп. Типичный первый эксперимент — конфигурация повторителя напряжения (буфера).

Для повторителя напряжения соедините выход усилителя непосредственно с его инвертирующим входом — то есть соедините коллектор и базу Q4 вместе и игнорируйте инвертирующий потенциометр.

Символ оп-ампа показывает неинвертирующий (+) и инвертирующий (−) входы и выходную вершину. Красная трасса представляет петлю обратной связи. В повторителе напряжения выход должен следовать за входом в пределах нескольких сотых вольта.

Более сложная схема — неинвертирующий усилитель, где два равных резистора в петле обратной связи задают усиление ровно два.

Во время тестов вы можете видеть небольшие расхождения между измеренным и ожидаемым выходом — обычно несколько сотых вольта. Они возникают из несовершенств дифференциальной пары и могут быть снижены добавлением дополнительных усилительных ступеней или тонкой настройкой R_prg.

Попробуйте разные значения R_prg в диапазоне от 10 кОм до 1 МОм. Избегайте сопротивлений ниже 10 кОм для предотвращения термического бега в транзисторах токовых зеркал.

Некоторые коммерческие оп-ампы выставляют программируемую точку токового зеркала, позволяя пользователям регулировать внутреннее смещение точно как R_prg. Большинство заводских оп-ампов, однако, имеют это смещение зафиксированным точно подстроенным резистором.