Een Hoog‑Versterking Differentiele Versterker Bouwen Die Werkt als Op‑Amp

Onderdelen en Materialen

• Twee 6‑volt batterijen
• Vier NPN transistoren — modellen 2N2222 of 2N3403 (Radio Shack catalogus # 276‑1617 biedt een handig pakket van vijftien NPN apparaten)
• Twee PNP transistoren — modellen 2N2907 of 2N3906 (Radio Shack catalogus # 276‑1604 biedt een pakket van vijftien PNPs)
• Twee 10 kΩ potentiometers, enkelvoudig, lineaire taper (Radio Shack catalogus # 271‑1715)
• Eén 270 kΩ weerstand
• Drie 100 kΩ weerstanden
• Eén 10 kΩ weerstand

Naslagwerken

Lessons In Electric Circuits, Volume 3, hoofdstukken 4 "Bipolar Junction Transistors" en 8 "Operational Amplifiers."

Leerdoelen

• Een differentiele versterker ontwerpen die stroomspiegels gebruikt.
• Verkennen hoe negatieve terugkoppeling het gedrag van een hoge‑versterking differentiele versterker vormt.

Schema

Illustratie

Instructies

Dit ontwerp verfijnt de eerdere differentiele versterker door spanningsval‑weerstanden te vervangen door stroomspiegel‑netwerken, wat een hogere spanningsversterking en voorspelbaardere prestaties oplevert.

Met de verhoogde versterking kan het circuit functioneren als een functionele operationele versterker (op‑amp). Op‑amps zijn de hoeksteen van moderne analoge elektronica, dus hun interne structuur begrijpen is onschatbaar waardevol.

Het PNP paar Q1 en Q2 vormt een stroomspiegel die de stromen door het differentiele paar Q3 en Q4 in balans houdt. Het NPN paar Q5 en Q6 biedt een tweede stroomspiegel die de totale differentiële‑paar stroom fixatie via de programmeerbare weerstand R_prg.

Meet de uitgangsspanning (collector van Q4 ten opzichte van grond) terwijl u de twee invoerspanningen varieert. Let op dat één potentiometer fungeert als een niet‑inverterende invoer, terwijl de andere dienstdoet als de inverterende invoer.

De uitgang reageert het sterkst wanneer de twee invoeren bijna gelijk zijn — dit is de differentiële modus. Zodat dit gedrag bevestigd is, kan het circuit als een echte op‑amp gebruikt worden. Een veelvoorkomend eerste experiment is de voltage‑follower (buffer) configuratie.

Voor een voltage follower, sluit de uitgang van de versterker direct aan op de inverterende invoer — d.w.z. verbind de collector en basis van Q4 samen en negeer de inverterende potentiometer.

Het op‑amp symbool toont de niet‑inverterende (+) en inverterende (−) invoeren en de uitgangspiek. De rode lijn vertegenwoordigt de terugkoppellus. In een voltage follower zou de uitgang de invoer moeten volgen binnen enkele honderdsten van een volt.

Een meer gesophisticeerde opstelling is de niet‑inverterende versterker, waar twee gelijke weerstanden in de terugkoppellus een versterking van precies twee instellen.

Tijdens testen kunt u kleine afwijkingen zien tussen de gemeten en verwachte uitgang — meestal enkele honderdsten van een volt. Deze ontstaan door onvolkomenheden in het differentiele paar en kunnen verminderd worden door extra versterkingstrappen toe te voegen of door R_prg fijn af te stellen.

Probeer verschillende R_prg waarden variërend van 10 kΩ tot 1 MΩ. Vermijd weerstanden onder 10 kΩ om thermisch weglopen in de stroomspiegel transistoren te voorkomen.

Sommige commerciële op‑amps blootleggen een programmeerbaar stroomspiegel punt, wat gebruikers toelaat de interne bias precies aan te passen zoals R_prg. Meeste fabrieksgemaakte op‑amps hebben deze bias echter vastgezet door een precies getrimde weerstand.