Eenvoudige Op-Amp

ONDERDELEN EN MATERIALEN

• Twee 6-volt batterijen
• Vier NPN-transistoren - modellen 2N2222 of 2N3403 aanbevolen (Radio Shack-catalogus # 276-1617 is een pakket van vijftien NPN-transistoren, ideaal voor deze en andere experimenten)
• Twee PNP-transistoren - modellen 2N2907 of 2N3906 aanbevolen (Radio Shack-catalogus # 276-1604 is een pakket van vijftien PNP-transistoren, ideaal voor deze en andere experimenten)
• Twee 10 kΩ potentiometers, single-turn, lineaire taper (Radio Shack-catalogus # 271-1715)
• Eén weerstand van 270 kΩ
• Drie weerstanden van 100 kΩ
• Eén weerstand van 10 kΩ

KRUISVERWIJZINGEN

essons in elektrische circuits , Volume 3, hoofdstuk 4:"Bipolaire junctietransistoren" Lessen in elektrische circuits , Volume 3, hoofdstuk 8:"Operationele versterkers"

LEERDOELSTELLINGEN

• Ontwerp van een differentiële versterkerschakeling met stroomspiegels.
• Effecten van negatieve feedback op een high-gain differentiële versterker.

SCHEMATISCH DIAGRAM

ILLUSTRATIE

INSTRUCTIES

Dit circuitontwerp verbetert de eerder getoonde differentiële versterker. In plaats van weerstanden te gebruiken om de spanning in het differentiële paarcircuit te verlagen, wordt in plaats daarvan een set stroomspiegels gebruikt, met als resultaat een hogere spanningsversterking en meer voorspelbare prestaties.

Met een hogere spanningsversterking kan dit circuit functioneren als een werkende operationele versterker of op-amp . Op-amps vormen de basis van een groot aantal moderne analoge halfgeleidercircuits, dus het is belangrijk om de interne werking van een operationele versterker te begrijpen.

PNP-transistors Q₁ en Q₂ vormen een stroomspiegel die probeert de stroom gelijk verdeeld te houden door de twee differentiële paartransistors Q₃ en Q₄ . NPN-transistors Q₅ en Q₆ een andere huidige spiegel vormen en het totaal . instellen differentiële paarstroom op een niveau dat vooraf is bepaald door weerstand R_prg .

Meet de uitgangsspanning (spanning op de collector van Q₄ met betrekking tot aarde) als de ingangsspanningen worden gevarieerd. Merk op hoe de twee potentiometers verschillende effecten hebben op de uitgangsspanning:de ene ingang heeft de neiging om de uitgangsspanning in dezelfde richting te sturen (niet-inverterend), terwijl de andere de neiging heeft om de uitgangsspanning in de tegenovergestelde richting te sturen (inverterend).

U zult merken dat de uitgangsspanning het meest reageert op veranderingen in de ingang wanneer de twee ingangssignalen bijna gelijk aan elkaar zijn.

Zodra de differentiële respons van het circuit is bewezen (de uitgangsspanning gaat scherp over van het ene extreme niveau naar het andere wanneer de ene ingang boven en onder het spanningsniveau van de andere ingang wordt aangepast), bent u klaar om deze schakeling als een echte op-amp te gebruiken. Een eenvoudig op-amp-circuit genaamd een spanningsvolger is een goede configuratie om eerst te proberen.

Om een ​​spanningsvolgerschakeling te maken, sluit u de uitgang van de versterker rechtstreeks aan op de inverterende ingang. Dit betekent het aansluiten van de collector- en basisterminals van Q₄ samen, en het weggooien van de "inverterende" potentiometer:

Let op het driehoekige symbool van de op-amp in het onderste schematische diagram. De inverterende en niet-inverterende ingangen worden aangeduid met respectievelijk (-) en (+) symbolen, met de uitgangsklem aan de rechter apex.

De terugkoppelingsdraad die de uitgang verbindt met de inverterende ingang wordt in de bovenstaande diagrammen in rood weergegeven. Als spanningsvolger moet de uitgangsspanning de ingangsspanning zeer nauwkeurig "volgen", niet meer dan een paar honderdsten van een volt afwijken.

Dit is een veel nauwkeuriger volgcircuit dan dat van een enkele common-collectortransistor, beschreven in een eerder experiment! Een complexere op-amp-schakeling wordt de niet-inverterende versterker genoemd , en het gebruikt een paar weerstanden in de feedbacklus om een ​​fractie van de uitgangsspanning naar de inverterende ingang te "terugkoppelen", waardoor de versterker een spanning afgeeft die gelijk is aan een veelvoud van de spanning op de niet-inverterende ingang.

Als we twee weerstanden van gelijke waarde gebruiken, zal de feedbackspanning de helft van de uitgangsspanning zijn, waardoor de uitgangsspanning tweemaal de spanning wordt die wordt opgedrukt op de niet-inverterende ingang. We hebben dus een spanningsversterker met een precieze versterking van 2:

Terwijl u dit niet-inverterende versterkercircuit test, merkt u mogelijk kleine verschillen tussen de uitgangs- en ingangsspanningen. Volgens de waarden van de feedbackweerstand moet de spanningsversterking precies 2 zijn.

U kunt echter afwijkingen opmerken in de orde van enkele honderdsten van een volt tussen wat de uitgangsspanning is en wat deze zou moeten zijn. Deze afwijkingen zijn te wijten aan onvolkomenheden van het differentiële versterkercircuit en kunnen aanzienlijk worden verminderd als we meer versterkingstrappen toevoegen om de differentiële spanningsversterking te vergroten.

Een manier om de precisie van het bestaande circuit te maximaliseren, is door de weerstand van R_prg te veranderen. . Deze weerstand stelt het controlepunt van de onderste stroomspiegel in en beïnvloedt zo veel prestatieparameters van de op-amp.

Probeer de verschilweerstandswaarden te vervangen, variërend van 10 kΩ tot 1 MΩ. Gebruik geen weerstand van minder dan 10 kΩ, anders kunnen de huidige spiegeltransistoren oververhit raken en thermisch "weglopen".

Sommige operationele versterkers die beschikbaar zijn in voorverpakte eenheden bieden een manier voor de gebruiker om op dezelfde manier de huidige spiegel van het differentiële paar te "programmeren" en worden programmeerbaar genoemd op-versterkers. De meeste op-amps zijn niet programmeerbaar en hebben hun interne controlepunten voor stroomspiegels die zijn vastgelegd door een interne weerstand, die in de fabriek op een nauwkeurige waarde is getrimd.