Einfacher Operationsverstärker

TEILE UND MATERIALIEN

• Zwei 6-Volt-Batterien
• Vier NPN-Transistoren – Modelle 2N2222 oder 2N3403 empfohlen (Radio Shack-Katalog Nr. 276-1617 ist ein Paket von fünfzehn NPN-Transistoren, ideal für dieses und andere Experimente)
• Zwei PNP-Transistoren – Modelle 2N2907 oder 2N3906 empfohlen (Radio Shack-Katalog Nr. 276-1604 ist ein Paket von fünfzehn PNP-Transistoren, ideal für dieses und andere Experimente)
• Zwei 10 kΩ Potentiometer, Singleturn, Linearkegel (Radio Shack Katalog # 271-1715)
• Ein 270-kΩ-Widerstand
• Drei 100-kΩ-Widerstände
• Ein 10 kΩ Widerstand

QUERVERWEISE

Lektionen in Stromkreisen , Band 3, Kapitel 4:„Bipolar-Junction-Transistoren“ Lektionen in elektrischen Schaltungen , Band 3, Kapitel 8:„Operationsverstärker“

LERNZIELE

• Entwurf einer Differenzverstärkerschaltung mit Stromspiegeln.
• Auswirkungen von negativer Rückkopplung auf einen Differenzverstärker mit hoher Verstärkung.

SCHEMATISCHES DIAGRAMM

ILLUSTRATION

ANLEITUNG

Dieses Schaltungsdesign verbessert den zuvor gezeigten Differenzverstärker. Anstatt Widerstände zu verwenden, um die Spannung in der Differenzpaarschaltung abzusenken, wird stattdessen ein Satz Stromspiegel verwendet, was zu einer höheren Spannungsverstärkung und einer vorhersehbareren Leistung führt.

Mit einer höheren Spannungsverstärkung kann diese Schaltung als funktionierender Operationsverstärker oder Operationsverstärker fungieren . Operationsverstärker bilden die Grundlage vieler moderner analoger Halbleiterschaltungen, daher ist es wichtig, die interne Funktionsweise eines Operationsverstärkers zu verstehen.

PNP-Transistoren Q₁ und Q₂ bilden einen Stromspiegel, der versucht, den Strom gleichmäßig durch die beiden Differentialpaartransistoren Q₃ . aufzuteilen und Q₄ . NPN-Transistoren Q₅ und Q₆ Bilden Sie einen weiteren aktuellen Spiegel, indem Sie die Gesamtzahl festlegen Differenzpaarstrom auf einem durch den Widerstand R_prg . vorgegebenen Pegel .

Messen Sie die Ausgangsspannung (Spannung am Kollektor von Q₄ gegen Masse), da die Eingangsspannungen variiert werden. Beachten Sie, dass die beiden Potentiometer unterschiedliche Auswirkungen auf die Ausgangsspannung haben:Ein Eingang treibt die Ausgangsspannung tendenziell in die gleiche Richtung (nicht invertierend), während der andere die Ausgangsspannung in die entgegengesetzte Richtung treibt (invertiert).

Sie werden feststellen, dass die Ausgangsspannung am stärksten auf Änderungen des Eingangs reagiert, wenn die beiden Eingangssignale nahezu gleich sind.

Sobald das differenzielle Ansprechverhalten der Schaltung nachgewiesen wurde (die Ausgangsspannung wechselt steil von einem Extremwert zu einem anderen, wenn ein Eingang über und unter den Spannungspegel des anderen Eingangs eingestellt wird), können Sie diese Schaltung als echten Operationsverstärker verwenden. Eine einfache Operationsverstärkerschaltung namens Spannungsfolger ist eine gute Konfiguration, um es zuerst auszuprobieren.

Um eine Spannungsfolgerschaltung zu erstellen, verbinden Sie den Ausgang des Verstärkers direkt mit seinem invertierenden Eingang. Dies bedeutet, dass die Kollektor- und Basisklemmen von Q₄ . verbunden werden zusammen und das „invertierende“ Potentiometer verwerfen:

Beachten Sie das dreieckige Symbol des Operationsverstärkers, das im unteren schematischen Diagramm gezeigt wird. Die invertierenden und nicht invertierenden Eingänge sind mit (-) bzw. (+)-Symbolen gekennzeichnet, wobei sich der Ausgangsanschluss an der rechten Spitze befindet.

Die Rückkopplungsleitung, die den Ausgang mit dem invertierenden Eingang verbindet, ist in den obigen Diagrammen rot dargestellt. Als Spannungsfolger sollte die Ausgangsspannung der Eingangsspannung sehr genau „folgen“ und nicht mehr als einige Hundertstel Volt abweichen.

Dies ist eine viel genauere Folgeschaltung als die eines einzelnen Common-Collector-Transistors, der in einem früheren Experiment beschrieben wurde! Eine komplexere Operationsverstärkerschaltung wird als nichtinvertierender Verstärker bezeichnet , und es verwendet ein Paar von Widerständen in der Rückkopplungsschleife, um einen Bruchteil der Ausgangsspannung an den invertierenden Eingang „zurückzuführen“, wodurch der Verstärker eine Spannung ausgibt, die einem Vielfachen der Spannung am nicht invertierenden Eingang entspricht.

Wenn wir zwei gleichwertige Widerstände verwenden, beträgt die Rückkopplungsspannung die Hälfte der Ausgangsspannung, wodurch die Ausgangsspannung das Doppelte der am nicht invertierenden Eingang eingeprägten Spannung wird. Somit haben wir einen Spannungsverstärker mit einer genauen Verstärkung von 2:

Beim Testen dieser nicht invertierenden Verstärkerschaltung können Sie leichte Abweichungen zwischen den Ausgangs- und Eingangsspannungen feststellen. Gemäß den Rückkopplungswiderstandswerten sollte die Spannungsverstärkung genau 2 betragen.

Sie können jedoch Abweichungen in der Größenordnung von mehreren Hundertstel Volt zwischen der Ausgangsspannung und der Sollspannung feststellen. Diese Abweichungen sind auf Unvollkommenheiten der Differenzverstärkerschaltung zurückzuführen und können stark verringert werden, wenn wir mehr Verstärkungsstufen hinzufügen, um die Differenzspannungsverstärkung zu erhöhen.

Eine Möglichkeit, die Genauigkeit der bestehenden Schaltung zu maximieren, besteht jedoch darin, den Widerstand von R_prg . zu ändern . Dieser Widerstand legt den Kontrollpunkt des unteren Stromspiegels fest und beeinflusst so viele Leistungsparameter des Operationsverstärkers.

Versuchen Sie, Differenzwiderstandswerte im Bereich von 10 kΩ bis 1 MΩ zu ersetzen. Verwenden Sie keinen Widerstand unter 10 kΩ, da sonst die Stromspiegeltransistoren überhitzen und thermisch „weglaufen“.

Einige Operationsverstärker, die in vorgefertigten Einheiten erhältlich sind, bieten dem Benutzer die Möglichkeit, den Stromspiegel des Differenzpaars auf ähnliche Weise zu „programmieren“ und werden als programmierbar bezeichnet Operationsverstärker. Die meisten Operationsverstärker sind nicht programmierbar und haben ihre internen Stromspiegelkontrollpunkte durch einen internen Widerstand fixiert, der werkseitig auf einen genauen Wert getrimmt wird.