Операционный усилитель 741 с большинством операционных усилителей имеет внутреннюю структуру, состоящую из трех ступеней усиления:
Дифференциальный усилитель - обеспечивает высокое дифференциальное усиление (усиление), отказ от сигнала синфазного сигнала, низкий уровень шума, высокий входной импеданс и привод
Усилитель напряжения - обеспечивает высокое усиление напряжения, однополюсную частоту, а в свою очередь управляет
Выходной усилитель - обеспечивает высокий коэффициент усиления по току (низкий выходной импеданс), а также ограничение выходного тока и защиту от короткого замыкания на выходе.
Это так просто!
Ну не совсем.
Предполагая, что вы загрузили LTspice, откройте модель LM741 в каталоге LTspiceIV \ examples \ Educational вашего LTspice
В первой части мы будем в основном фокусироваться на входном каскаде и дифференциальном усилителе. Часть 2 будет состоять из усилителя напряжения и выходного усилителя.
Прежде чем читать дальше, вам должно быть удобно пользоваться следующими уравнениями, которые управляют транзисторами:
$$ I_ {C} = \ beta I_ {B} $$
$$ I_ {E} = \ frac {(1+ \ beta)} {I_ {B}} $$
Что такое Heck - дифференциальный усилитель «text-align: center;»>
Image
Рисунок 1 (Нажмите, чтобы увеличить)
Текущие зеркала
Ну, прежде чем мы войдем в дифференциальный усилитель, мы должны понимать аналоговый строительный блок, называемый текущим зеркалом. Текущее зеркало представляет собой схему конфигурации на рисунке 1. Начните с текущего $$ I_ {ref} $$, который втекает в транзистор Q1 на рисунке ниже. Транзистор с его коллектором, привязанным к его основанию, называется «диодным подключенным транзистором», что создает идеальный диод. В свою очередь, это приводит к падению напряжения на транзисторе Q1 от $$ V_ {be} $$ (около 0, 7 вольта). Теперь, поскольку база и эмиттер Q2 идентичны, а напряжение базового эмиттера транзистора Q2 равно транзистору Q1, тот же ток, который протекает через Q1, протекает через Q2 … Ну … примерно то же самое. Как вы можете видеть, $$ I_ {mirror} $$ является фактором
Позвольте мне сначала смутить вас и завысить простоту его работы, сказав, что, просто говоря, дифференциальный усилитель - это тип усилителя, который только усиливает разницу между двумя напряжениями и не более (идеалистически). Помимо использования разных вариаций слова «усилить» и упростить слишком много раз в этом последнем предложении, его работа немного сложнее, чем я заставил вас поверить в это. Давайте углубимся в детали.
Image
Рисунок 3 Долгосрочная пара
Это дифференциальный усилитель, часто называемый длиннохвостой. Вы можете видеть, что эта базовая конфигурация аналогового строительного блока выполняется между Q4, Q9, Q1 и Q2 схемы LM741 выше. В 741 есть некоторые дополнительные компоненты, связанные с его входным сигналом дифференциальной пары, но мы поговорим об этом позже. Q4 и Q9 составляют текущее зеркало сорта PNP. Проверьте свое понимание, разработав математику так же, как мы сделали для NPN, принимая во внимание дифференциацию знака PNP (я оставлю это как упражнение для вас).
Когда напряжение на обоих входах равно, то текущий $$ I_ {e} $$ разделяется поровну между двумя транзисторами Q1 и Q2. Цель $$ I_ {e} $$ состоит в том, чтобы распределить заданное количество тока на два транзистора таким образом, что при наличии разницы на входах мы получаем дифференциальный усилитель. То есть, когда мы увеличиваем напряжение на неинвертирующем входе относительно инвертирующего входа Q2, он получает больше тока, чем Q1, и наоборот. Я думаю, что это станет более ясным после изучения имитации ниже.
Прикрепите два источника напряжения к вашей симуляции следующим образом, выньте обратную связь и измените оба входных резистора на 1k как таковые:
Image
Рисунок 4
И сгенерируйте следующий результат:
Image
Рисунок 5
По мере того, как неинвертирующий вход достигает напряжения инвертирующих входов, ток в Q1 и Q2 равен. Также обратите внимание на то, как ток в каждом отличается в зависимости от разности напряжений между двумя входами.
В 741 текущая $$ I_ {e} $$ длиннохвостая пара на рисунке 3 выше фактически производится дополнительной схемой на входном каскаде. Входной каскад состоит из Q1, Q2, Q3, Q5, Q6, Q7 и Q8.
Image
Q12, Q13 и R13 также важны для входного каскада, поскольку они создают опорный ток. Уклонение для входного каскада создается с помощью Q12, Q13 и R4 и текущего зеркала Q4, Q9.
Image
$$ I_ {ref} $$ можно рассчитать следующим образом:
Q12, Q13 и R4 создают источник источника Widlar. Первым шагом к пониманию источника источника Widlar является проведение некоторых исследований пионерской и аналоговой легенды Боба Уидлара, эксцентричной личности аналогового мира и изобретателя современного зеркала Widlar среди многих других вещей. Он, вместе с другими, я упомянул, составляют оригинальные аналоговые боги. ОЧЕНЬ важно читать о них.
Во всяком случае, я отвлекаюсь … Источник Widlar Источник тока отличается от обычного источника тока, потому что резистор добавляется к эмиттеру транзистора выходного каскада. В схеме 741 это резистор R4. Это больше подходит для экономии пространства IC при проектировании чипов. Вместо использования больших резисторов для создания небольших токов источник тока Widlar создает небольшие токи с малыми резисторами. Чтобы вычислить текущий $$ I_C $$ (из Q13), который является «выходом» источника тока Widlar, следуйте за KVL вокруг базовой схемы эмиттера этого раздела схемы:
