Как буферизовать выход Op-Amp для более высокого тока, часть 1
Вы можете значительно увеличить выходной ток op-amp с немного больше, чем один транзистор с биполярным соединением.
Вспомогательная информация
Введение в операционные усилители
Нужен ли нам циркуляционный буфер »// www.digikey.com/product-detail/en/linear-technology/LT1210CS%23PBF/LT1210CS%23PBF-ND/961737« target = "_ blank"> вернет вам 12 долларов США если вы покупаете в небольших количествах. Кроме того, некоторые компоненты с высоким выходным током (включая LT1210) являются усилителями с обратной связью по току, и вы не можете просто отказаться от устройства обратной связи по току в схему, предназначенную для топологии с обратной связью по напряжению
К счастью, действительно нет необходимости использовать усилители с высоким выходным током, когда вам нужно всего лишь базовая схема ОУ с мощным выходным каскадом. Вы можете использовать один из 75-процентных усилителей общего назначения, которыми вы располагаетесь в лаборатории / мастерской / гараже, и объединить их с другим долларом или стандартными частями, и у вас будет цепь, в которой вы нуждаетесь.
Только один BJT
Самая основная схема для буферизации выходного тока операционного усилителя следующая:
И вот соответствующая схема LTspice:
Давайте перейдем к прочному концептуальному пониманию этой схемы, прежде чем двигаться дальше. Вход подается к неинвертирующему операционному терминалу, и выход подключается непосредственно к базе BJT. Операционный усилитель и BJT могут использовать один и тот же положительный источник питания, но в этом случае мы предполагаем наличие двух напряжений - 5 В для маломощных схем с низким уровнем шума и 12 В для мощных часть дизайна. Значение нагрузочного резистора очень низкое, так что выходное напряжение более 200 мВ, поданное непосредственно на нагрузку, потребует большего выходного тока, чем может обеспечить LT6203. Транзистор, выбранный в схеме LTspice, может обрабатывать около 1000 мА, что означает, что он хорош для нагрузочных напряжений до 5 В.
Ключом к этой цепи является соединение обратной связи. Помните «виртуальный короткий»: при анализе ОУ в конфигурации с отрицательной обратной связью можно предположить, что напряжение на неинвертирующем терминале равно напряжению на инвертирующем терминале. Это само по себе говорит нам, что выходное напряжение (т. Е. Напряжение на нагрузке) будет равно входному напряжению. Но давайте немного глубже убедиться, что мы действительно понимаем, что происходит; виртуальный короткий - это нечто вроде суеверия, которое может отвлечь нас от реальности того, как работают операционные усилители. Операционный усилитель умножает дифференциальное входное напряжение на очень большой коэффициент усиления. Таким образом, с отрицательной обратной связью операционный усилитель быстро достигает равновесия, потому что большие изменения выходного напряжения уменьшают дифференциальное напряжение, вызывающее эти самые изменения. В этом равновесном состоянии выход стабилизировался при любом напряжении, исключающем разницу между напряжениями на инвертирующих и неинвертирующих входных терминалах, другими словами, операционный усилитель автоматически настраивает свой выход любым способом, чтобы сделать V IN равным V IN +.
В контексте этой схемы буферизации вывода операционный усилитель автоматически генерирует любое выходное напряжение, необходимое для того, чтобы напряжение эмиттера BJT равнялось входному напряжению. Подумайте, как это было бы сложно в ситуации с разомкнутым контуром - каким-то образом соотношение между входом и выходом усилителя должно было бы быть сконструировано таким образом, чтобы компенсировать падение напряжения базового излучателя BJT, которое не является ни линейным, ни предсказуемым. Но с op-amp plus и с отрицательной обратной связью проблема становится тривиальной.
Давайте подкрепляем это концептуальное понимание парами симуляций. Первое не очень интересно; он просто подтверждает, что выходное напряжение отслеживает входное напряжение (след V IN скрыт под трассировкой V OUT):
Этот следующий график показывает, что должен делать выходной терминал операционного усилителя, чтобы обеспечить надлежащее напряжение на нагрузке.
Добавление коэффициента усиления
Эта основная схема не ограничивается конфигурацией с единичным коэффициентом усиления. Как и для небуферизованного операционного усилителя, вы можете вставить резисторы в канал обратной связи для создания общего усиления от входа до напряжения нагрузки. Вот вариант схемы без усиления:
И вот новая схема LTspice, за которой следует график с V IN, V OUT и напряжение, приложенное к базе BJT.
Простой, но не надежный
С надежной, простой схемой, подобной этой, всегда есть риск самоуспокоенности. Вот некоторые потенциальные проблемы, о которых вам нужно помнить:
- Это очевидно, но убедитесь, что BJT может обрабатывать ток нагрузки. Например, транзистор 2N2222, который вы найдете среди ваших запасных частей, вероятно, рассчитан только на 800 мА постоянного тока коллектора.
- Это не так очевидно: вы превысили максимальную рассеиваемую мощность транзистора? Эта проблема особенно неуловима, потому что это то, чего вы не заметили в симуляции - например, симуляции, выполненные в этой статье, мало что предупреждают нас о том, что мы сжигаем транзистор 2SCR293P. Максимальная рассеиваемая мощность для этой части с «каждым терминалом, установленным на контрольной площадке» (я не совсем уверен, что это означает) составляет 0, 5 Вт. В нашей схеме, если V OUT = 3 В, ток через нагрузку (3 В) / (5 Ом) = 600 мА, а напряжение на коллекторе-эмиттере транзистора составляет 12 В - 3 В = 9 В. Таким образом, рассеиваемая мощность составляет около (600 мА) × (9 В) = 5, 4 Вт. Таким образом, ток коллектора находится в допустимом диапазоне, но мы превысили максимальную мощность в 10 раз! Вы можете помочь устранить это, если возможно, при более низком напряжении питания, и после этого вам нужно выбрать более мощный транзистор.
- Когда BJT работает в активной области, ток, текущий в базу, приблизительно равен току нагрузки, деленному на бета, иначе известному как h FE или усиление постоянного тока. Таким образом, операционному усилителю по-прежнему необходимо подавать некоторый ток, и вы можете столкнуться с проблемами, если у вас высокий ток нагрузки в сочетании с относительно слабым этапом выхода ОУ. Например, если ток нагрузки составляет 2500 мА, и вы используете транзистор с h FE = 100, вам потребуется около 25 мА базового тока; некоторые операционные усилители не способны на это.
- Имейте в виду, что выходное напряжение ОУ составляет примерно 0, 7-0, 9 В выше напряжения нагрузки. Это необходимо учитывать при выборе напряжения питания операционного усилителя. Например, допустим, что вам нужен диапазон напряжения нагрузки от 0 до 4 В; достаточный запас 5 В? Возможно, нет: базовое напряжение может потребоваться до 4, 9 В, и если выходное колебание ОУ ограничено положительной шиной минус 0, 8 В, у вас возникнет проблема.
- BJT начнет вводить насыщенность, когда базовое напряжение будет превышать напряжение коллектора примерно на 0, 5 В, а так как базовое напряжение примерно на 0, 7-0, 9 В выше напряжения нагрузки, напряжение коллектора BJT (которое в этой схеме совпадает с напряжение питания) должно быть не менее 0, 9 В - 0, 5 В = 0, 4 В выше, чем максимальное требуемое напряжение нагрузки. (Эти цифры являются приблизительными и будут меняться в зависимости от условий эксплуатации и электрических характеристик транзистора.) Насыщение BJT приведет к выравниванию напряжения нагрузки до достижения напряжения питания BJT.
Вывод
Я думаю, что мы достаточно подробно рассмотрели эту схему буферизации тока ОУ. В следующей статье мы рассмотрим варианты этой схемы, которые сделают ее совместимой с более широким спектром приложений.
Следующая статья в серии: как буферизовать выход Op-Amp для более высокого тока, часть 2