Операционные усилители на дискретных элементах выпускают для высококачественной аудиотехники. Выглядят они так — плата или «бутерброд» из двух плат и две гребёнки для впаивания вместо интегрального восьмивыводного сдвоенного ОУ со стандартной цоколёвкой. Улучшается ли после замены звук, неизвестно. Но если ОУ на дискретных элементах сильно упростить и превратить в развёрнутый макет, учебное пособие получится отличное.
В этой схеме все транзисторы структуры NPN — 2N2222 или 2N3403, структуры PNP — 2N2907 или 2N3906:
Результат сборки схемы на макетке показан на КДПВ.
В отличие от интегрального ОУ, здесь можно увидеть без микроскопа все транзисторы и назвать их функции. Q1 и Q2 — токовое зеркало, стремящееся равномерно распределить токи между транзисторами дифференциальной пары Q3 и Q4. Ну а Q5 и Q6 — ещё одно токовое зеркало, стремящееся привести суммарный ток через оба транзистора дифференциальной пары к току через резистор Rprg.
В исходном состоянии к входам усилителя подключены переменные резисторы — один к неинвертирующему, второй к инвертирующему. Соединив выход усилителя с входом вольтметра, попробуйте регулировать переменными резисторами напряжения на входах усилителя, и вы обнаружите, что изменение напряжения на первом входе действительно приводит к изменению напряжения на выходе в том же направлении, а изменение напряжения на втором входе — к противоположному результату. Выставьте на обоих входах одинаковые напряжения, затем слегка поменяйте любое из них, и обратите внимание, как резко от этого изменится выходное напряжение.
Убедившись, что схема работает, попробуйте подключить устройство по какой-нибудь стандартной схеме включения ОУ. Начнём с повторителя напряжения, для этого необходимо соединить выход с инвертирующим входом, а на неинвертирующий вход подать регулируемое напряжение:
На макетке это будет выглядеть так:
Сравнив напряжения на входе и выходе схемы, вы обнаружите, что они отличаются друг от друга не более, чем на несколько десятков милливольт. Эта схема хороша, если усиление требуется не по напряжению, а по мощности. Для усиления же по напряжению нужно задать его коэффициент, добавив в цепь обратной связи два резистора. От соотношения их сопротивлений и зависит коэффициент усиления по напряжению, если они равны, этот коэффициент равен двум:
На макетке:
Конечно, чуда не произойдёт, и заставить выходное напряжение превысить напряжение питания вы не сможете. Но даже в том диапазоне, в котором эта схема действительно усиливает напряжение в два раза, вы обнаружите неточность в несколько десятков милливольт. Выбрать разумный компромисс между точностью и потребляемой мощностью можно подбором «программирующего» резистора в диапазоне от 10 кОм до 1 МОм. Меньше 10 кОм ставить резистор нельзя, поскольку транзисторы токового зеркала могут выйти из строя от перегрева.
У некоторых интегральных ОУ выводы для такого «программирования» выведены наружу. Но обычно этого не сделано, и в этом случае сопротивление встроенного «программирующего» резистора такое, какое счёл оптимальным разработчик.
Исключив переменный резистор, добавив конденсаторы на вход и выход, и выставив добавочными резисторами желаемый коэффициент усиления, можно получить усилитель для наушников.
Комментарии (22)
8street
05.06.2019 09:36+1Эмм… Надо сказать, что схема и пояснения не будут особо понятны новичкам. Вместо Rпрг, Q5, Q6 можно применить один резистор, подключенный к месту присоединения коллектор-эммитер Q6, и тем самым упростить схему. По факту эта тройка элементов — источник тока и только всё запутывает.
Также стоит отметить, что такой ОУ не имеет никаких практических применений, поскольку у него отсутствует умощняющий выходной каскад. Слишком мало тока может отдать эта схема. Поэтому схемы с внешней обратной связью (схема буфера и усилителя, которые приведены в статье) лучше собирать уже на реальном ОУ.
Для новичков, для понимания, что же здесь нарисовано, а именно про дифференциальный усилитель, которым и является ОУ, рекомендую почитать Хоровица и Хилла «Искусство схемотехники» п.2.18 Дифференциальные усилители (в 6 изд.).
amartology
05.06.2019 12:02+1место Rпрг, Q5, Q6 можно применить один резистор, подключенный к месту присоединения коллектор-эммитер Q6, и тем самым упростить схему. По факту эта тройка элементов — источник тока и только всё запутывает.
С источником тока рабочий ток в дифпаре не зависит от уровня синфазного сигнала.
Также стоит отметить, что такой ОУ не имеет никаких практических применений
Во-первых, однокаскадные ОУ сплошь и рядом применяются внутри интегральных схем. Во-вторых, тут нет речи про практические применения, тут есть речь о наглядном пособии для демонстрации.8street
05.06.2019 15:25+1Во-первых, однокаскадные ОУ сплошь и рядом применяются внутри интегральных схем.
Статья для новичков, комментарий был тоже. Старички и так знают, где, что и куда. А вот новички начинают применять новую схемку куда ни попадя.
С источником тока рабочий ток в дифпаре не зависит от уровня синфазного сигнала.
Наглядности не вижу, вижу улучшение характеристик. Вашими словами: «Во-вторых, тут нет речи про практические применения, тут есть речь о наглядном пособии для демонстрации.» В любом случае, один полевой транзистор или резистор, в качестве источника тока, был бы не хуже для обучения, чем этот огород из токового зеркала.
avf1906
06.06.2019 12:58+1С источником тока рабочий ток в дифпаре не зависит от уровня синфазного сигнала
вроде токовое зеркало имеет смысл только если оба транзистора на одном кристалле и согласованы, без этого оно особого смысла не имеет, только в качестве иллюстрацииamartology
06.06.2019 14:02+1вроде токовое зеркало имеет смысл только если оба транзистора на одном кристалле и согласованы, без этого оно особого смысла не имеет, только в качестве иллюстрации
Без тогового зеркала вообще рабочий ток транзисторов будет прямо пропорционален синфазному сигналу.
У токового зеркала из двух несогласованных дискретных транзисторов одного типа вполне может быть точность процентов в десять, особенно если транзисторы из одной партии — вместо разброса в десять раз в случае, если просто поставить резистор вместо Q6.
Как по мне, так это довольно интересный урок одного из основных принципов аналоговой схемотехники: усложения схемы ради достижения стабильности ее параметров.avf1906
07.06.2019 10:34+1Вообще да, я бы этот кусок схемы вообще выделил как отдельную тему для изучения, можно сказать один из базовых кирпичиков. Ну и вы правы — для изучения стабильности этой схемы более чем достаточно
amartology
05.06.2019 15:39+1Наглядности не вижу, вижу улучшение характеристик.
Улучшение характеристик или защиту от сгорания на высоком синфазном сигнале?
А вот новички начинают применять новую схемку куда ни попадя.
Применять собранный из несогласованных дискретных транзисторов операционник? Во-первых, тогда их не жалко, во-вторых, лучше так, чем двухкаскадный без частотной компенсации.
8street
05.06.2019 16:29Улучшение характеристик или защиту от сгорания на высоком синфазном сигнале?
Ничего там не сгорит, 100к резистор задает очень маленький ток в 0,11мА. Если заменить Q6 на резистор 47кОм, который будет соответствовать току 0,11мА через диффкаскад при зануленных входах, то в самом наихудшем случае с синфазкой в 6В, ток внезапно будет 0,23мА. А это примерно, опять же в наихудших случаях, 1,3мВт мощности на один транзистор. У меня наручные часы имеют большее потребление. Кстати, резистор — это тот же источник тока с эквивалентным сопротивлением, равным сопротивлению резистора, если вы не знали.
third112
05.06.2019 16:48+1ИМХО для начинающих будет интереснее и полезнее изучить не устройство ОУ, а применение в виде АВМ. Схема повторителя уже приведена, добавте сумматор и интегратор. М.б. решение простого диффура. М.б. для этого лучше подойдут интегральные схемы ОУ.
VT100
С таким включением переменных резисторов — более чем вероятно, что «ОУ» не удастся вывести из насыщения. ЕМНИП, полное переключение тока в дифкаскаде происходит при паре десятков мВ входного напряжения.
Так что, если планируется завлекать неофитов, — надо добавить к каждому переменнику по одинаковому резистору сверху и снизу. С запасом на дискретность транзисторов — 50 мВ:
Rдоб ~ [(Vпит — 50(мВ))*Rпер] / 50(мВ) / 2 = [Vпит / 50(мВ) — 1] * Rпер / 2
Также — это позволит не учитывать в первых опытах ограничения на допустимый диапазон синфазного сигнала.
MaxxONE
А зачем два — сверху и снизу? Одного с любой стороны не хватит?
HardWrMan
Не хватит. Переместите мысленно движок переменника в крайнее положение и посмотрите, что будет подключено к питанию без ограничивающего ток сопротивления.
VT100
Из-за ограничения на допустимый диапазон синфазного сигнала. Рассматривая усилитель с замкнутой ОС (что приводит к Vbq3 = Vbq4 = Vb) при разных Vb мы увидим, что:
andrey_ssh
А можно пояснить назначение Q5 (для тупых)?
На мой взгляд, если его убрать, то изменится только заданный ток через Q6, но для этого достаточно номинал Rprg подобрать.
nafikovr
почитайте про токовое зеркало.
MaxxONE
Спасибо! Простите, что-то я с утра тупанул.
HardWrMan
Верно, в крайних положениях переменников будет ситуация прикладывания напряжения к PN переходу транзистора, а они это не любят, если ток не ограничить сопротивлением.
VT100
В данном случае — это, скорее всего, не смертельно:
amartology
Если подстроечные резисторы не программно-управляемые, а надо крутить их руками, то правильно — сделать одну цепочку резисторов «постоянный-переменный-переменный-постоянный» и подключить входы операционника между первым-вторым и вторым-третьим соответственно. Так у нас нижний подстроечный будет задавать уровень синфазного сигнала, а верхний — разницу напряжения между входами. Единственное, что для смены знака разницы между входами нужно будет их перекоммутировать.
Зато так можно добиться намного большей точности, чем пытаясь независимо накрутить два подстроечных резистора на схеме в статье.
Ну и камон, надо потом вместо отдельных транзисторов взять согласованные пары и посмотреть на схеме повторителя, как сразу улучшатся параметры.
VT100
Тогда, FTGJ, — «постоянный — (переменный || переменный) — постоянный» и без перекоммутации. Тогда Rдоб становится вдвое меньше.
На английском (там вообще много няшек).
И сделать свой band-gap с преферансом и поэтессами.
amartology
VT100
Да тут сплошной преферанс! Банд-гапа и не видно почти.