1.10. Внутренняя структура операционного усилителя 741
Операционный усилитель 741 (другие обозначения: uA741, μA741) — один из первых интегральных операционных усилителей на биполярных транзисторах. Разработан в 1968 году и производится до сих пор.
ОУ 741 исторически использовался для аудио и других малосигнальных применений. В настоящее время он применяется редко, поскольку современные ОУ имеют значительно лучшие характеристики по большинству параметров, в частности, меньший шум, лучший коэффициент ослабления синфазного сигнала и т.д.
Структура ОУ
Несмотря на то, что проще и полезнее рассматривать операционный усилитель как черный ящик с характеристиками идеального ОУ, важно также иметь представление о внутренней структуре ОУ и принципах его работы, так как при разработке с использованием ОУ могут возникнуть проблемы, обусловленные ограничениями его схемотехники.
Структура ОУ различных марок отличается, но в основе лежит один и тот же принцип. ОУ состоят из следующих функциональных блоков:
Внутренняя схема операционного усилителя 741
Дифференциальный усилитель
Входной каскад — обеспечивает усиление при малом уровне шума, высокое входное сопротивление. Обычно имеет дифференциальный выход.
Усилитель напряжения
Имеет высокий коэффициент усиления по напряжению, спад Амплитудно-частотной характеристики как у однополюсного фильтра низких частот, обычно единственный (то есть не дифференциальный) выход.
Выходной усилитель
Выходной каскад — обеспечивает высокую нагрузочную способность по току, низкое выходное сопротивление, ограничение выходного тока и защиту от короткого замыкания в нагрузке.
Токовые зеркала
Части схемы, обведенные красной линией являются токовыми зеркалами. Первичный ток, который задает все остальные токи, определяется напряжением питания ОУ и резистором 39 kΩ (плюс два падения напряжения на диодном переходе). Первичный ток составляет примерно
Режим входного каскада по постоянному току задается двумя токовыми зеркалами слева. Токовое зеркало, образованное транзисторами Q8/Q9 позволяет работать с большими синфазными напряжениями на входе, не выходя при этом из активного режима работы транзисторов. Токовое зеркало Q10/Q11 косвенно используется для установки тока покоя входного каскада. Этот ток устанавливается резистором 5 kΩ. Цепь задания тока смещения работает следующим образом. Если ток входного каскада начинает отличаться (отличие обнаруживает транзистор Q8) от значения, заданного транзистором Q10, это отражается в токе Q9, что приводит к изменению напряжения в точке соединения коллекторов Q9 и Q10. Это напряжение, поступая на базы Q3 и Q4, уменьшает отклонение тока входного каскада от номинального. Таким образом, постоянная составляющая тока входного каскада стабилизирована глубокой отрицательной обратной связью.
Токовое зеркало Q12/Q13 обеспечивает для усилителя класса А постоянный ток нагрузки, этот ток практически не зависит от выходного напряжения ОУ.
Дифференциальный входной каскад
Часть схемы, обведенная синей линией, является дифференциальным усилителем. Транзисторы Q1 и Q2 работают как эмиттерные повторители, они нагружены на пару транзисторов Q3 и Q4, включенных как усилители с общей базой. Помимо этого Q3 и Q4 согласуют уровень напряжения и обеспечивают предварительное усиление сигнала перед подачей его на усилитель класса А.
Дифференциальный усилитель из транзисторов Q1 - Q4 имеет активную нагрузку — токовое зеркало, состоящее из транзисторов Q5 - Q7. Транзистор Q7 увеличивает точность (равенство токов в ветвях) токового зеркала путем уменьшения тока сигнала, отбираемого с коллектора Q3 для управления базами транзисторов Q5 и Q6. Это токовое зеркало обеспечивает преобразование дифференциального сигнала в недифференциальный следующим образом:
Ток сигнала через коллектор Q3 поступает на вход токового зеркала, при этом выход зеркала (коллектор Q6) соединен с коллектором Q4.
Здесь токи коллекторов Q3 и Q4 суммируются, поскольку для дифференциальных входных сигналов сигнальные токи через транзисторы Q3 и Q4 равны по абсолютному значению и противоположны по направлению.
Таким образом, сумма вдвое превышает токи, текущие через транзисторы Q3 и Q4. Напряжение сигнала на коллекторе Q4 в режиме холостого хода равно произведению суммы сигнальных токов и сопротивлений коллекторов Q4 и Q6, включенных параллельно. Это произведение относительно велико, поскольку сопротивления коллекторов для токов сигнала большие[1].
Следует отметить, что ток базы входных транзисторов ненулевой и дифференциальное сопротивление входа ОУ 741 составляет примерно 2 MΩ.
ОУ имеет два вывода балансировки (на рисунке обозначены Offset), которые обеспечивают возможность подстройки напряжения смещения входа ОУ до нулевого значения. Для подстройки нужно подключить к выводам потенциометр.