Простой операционный усилитель на дискретных элементах

Компоненты и материалы

• источник постоянного напряжения 12 В (на схеме вместо него используются две 6-вольтовые батареи);
• четыре NPN транзистора (рекомендуются модели 2N2222 или 2N3403);
• два PNP транзистора (рекомендуются модели 2N2907 или 2N3906);
• два потенциометра 10 кОм, однооборотные, линейные;
• один резистор 270 кОм;
• три резистора 100 кОм;
• один резистор 10 кОм.

Вспомогательная информация

• Основы электроники и схемотехники, том 3, глава 4: «Биполярные транзисторы»
• Основы электроники и схемотехники, том 3, глава 8: «Операционные усилители»

Темы обучения

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

Принципиальная схема

Макет

Инструкции

Данная схема совершенствует схему дифференциального усилителя, показанную в предыдущей статье. Вместо резисторов для организации падений напряжений в дифференциальной паре, в данной схеме используется набор токовых зеркал, в результате чего достигается более высокий коэффициент усиления по напряжению и более предсказуемые характеристики. При более высоком коэффициенте усиления по напряжению эта схема может функционировать как рабочий операционный усилитель.

Операционные усилители составляют основу многих современных аналоговых полупроводниковых схем, поэтому важно понимать их внутреннюю работу. PNP транзисторы Q₁ и Q₂ образуют токовое зеркало, которое пытается равномерно разделить ток между двумя транзисторами дифференциальной пары Q₃ и Q₄. NPN транзисторы Q₅ и Q₆ образуют еще одно токовое зеркало, устанавливающее суммарный ток дифференциальный пары на уровне, заданном резистором R_прогр.

Измерьте выходное напряжение (напряжение на коллекторе Q₄ относительно земли) при изменении входных напряжений. Обратите внимание на то, как два потенциометра по-разному влияют на выходное напряжение: один вход направляет выходное напряжение в том же направлении, в котором изменяется сам, (неинвертирующий вход), а другой направляет выходное напряжение в противоположное направление (инвертирующий вход).

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

После того как дифференциальное поведение схемы было доказано (выходное напряжение резко переходит от одного крайнего уровня к другому, когда одно входное напряжение настраивается выше и ниже уровня напряжения на другом входе), вы готовы использовать эту схему в качестве реального операционного усилителя.

Для начала можно проверить простую схему на операционном усилителе под названием повторитель напряжения. Чтобы создать схему повторителя напряжения, соедините напрямую выход усилителя с его инвертирующим входом. Это означает соединение выводов коллектора и базы транзистора Q₄ и отказ от «инвертирующего» потенциометра:

Обратите внимание на треугольное условное обозначение операционного усилителя, показанное на нижней схеме. Инвертирующий и неинвертирующий входы обозначены символами (-) и (+), соответственно, выход находится на правой вершине треугольника. Провод обратной связи, соединяющий выход с инвертирующим входом, показан на схемах выше красным цветом.

Как предполагает название «повторитель напряжения», выходное напряжение должно очень близко «повторять» входное напряжение, отклоняясь не более чем на несколько сотых долей вольта. Эта схема является гораздо более точным повторителем, чем схема на отдельном транзисторе с общим коллектором, описанная в одном из предыдущих экспериментов!

Более сложная схема на операционном усилителе называется неинвертирующим усилителем, и она использует пару резисторов в петле обратной связи для «подачи обратно» части выходного напряжения на инвертирующий вход, в результате чего усилитель выдает напряжение, равное напряжению на неинвертирующем входе, умноженному на некоторое значение.

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

При тестировании схемы неинвертирующего усилителя вы можете заметить небольшие расхождения между выходным и входным напряжениями. Согласно номиналам резисторов обратной связи, коэффициент усиления по напряжению должен быть равен точно 2. Однако вы можете заметить отклонения порядка нескольких сотых долей вольта между тем, чему равно выходное напряжение и каким оно должно быть. Эти отклонения происходят из-за несовершенства схемы дифференциального усилителя и могут быть значительно уменьшены, если мы добавим больше усилительных каскадов для увеличения коэффициента усиления дифференциального напряжения.

Однако одним из способов достижения максимальной точности данной схемы является изменение сопротивления R_прогр. Этот резистор устанавливает контрольную точку нижнего токового зеркала и, тем самым, влияет на многие рабочие характеристики операционного усилителя. Попробуйте заменить этот резистор на другой в диапазоне от 10 кОм до 1 МОм. Не используйте сопротивление менее 10 кОм, иначе транзисторы токового зеркала могут начать перегреваться, и может начаться «тепловой разгон».

Некоторые операционные усилители, доступные в виде микросхем, позволяют пользователю аналогичным образом «программировать» токовое зеркало дифференциальной пары и называются программируемыми операционными усилителями. Большинство операционных усилителей не являются программируемыми, и контрольные точки их внутренних токовых зеркал тока фиксируются внутренним сопротивлением, подгоняемым до точного значения на заводе.

Теги