Transistor-Level-Design von Operationsverstärkern

Wie realisieren wir das Design eines einfachen Operationsverstärkers allein mit Bipolar-Junction-Transistoren oder MOS-Feldeffekttransistoren? Ich meine, ich verstehe die Notwendigkeit von Differenzverstärkern zur Bereitstellung einer Gegentaktverstärkung und ich verstehe die Anforderung von Darlington-Paaren als Spannungsverstärker der Differenzverstärkung, aber was ist mit den anderen, wie integrieren sie auch die Gleichtaktverstärkung in die Gleichung? .

Haben Sie sich einen der internen Schaltpläne von Operationsverstärkern angesehen, die online frei verfügbar sind? Zum Beispiel der LM741: learningaboutelectronics.com/images/…
Wikipedia erklärt das sehr gut. Lesenswert, bevor man eine konkretere Frage stellt. en.wikipedia.org/wiki/Operational_amplifier
Ja, ich verstehe, dass Q1 und Q2 als Differenzverstärker dienen. Q15 und Q17 sehen aus wie ein Darlington-Paar. Ich verstehe, dass der Ausgang des durch den Darlington geleiteten Differentials mir helfen würde, eine verstärkte Differentialverstärkung zu erhalten, aber was ist mit der Gleichtaktverstärkung und wie füge ich sie der differentiell gewonnenen Spannung hinzu? Der Schaltplan verwirrt mich total, geben Sie mir bitte einen Hinweis darauf, was jeder Transistor tut oder paarweise, und ich werde versuchen, die Funktionsweise zu verstehen, wenn ich Zweifel habe, kann ich mich an Sie wenden ...
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@akellyirl: Danke, werde es durchgehen und dich wissen lassen, wenn ich Fragen habe :)
@Majenko: Entschuldigung, ich habe es so bearbeitet, wie Sie es wollten.

Antworten (3)

Der Differenzverstärker gibt Ihnen die Gleichtaktunterdrückung. Die differenzielle Verstärkung impliziert eine Gleichtaktunterdrückung.

Die hohe Eingangsimpedanz kommt auch von der Eingangsstufe. Wenn FETs verwendet werden, ist der hohe Widerstand eine Eigenschaft des Gates des FET. BJTs multiplizieren den Widerstand der Bias-Stromquelle, was anfangs ziemlich hoch ist. Daran ist nichts besonders Exotisches.

Eine niedrige Ausgangsimpedanz kann durch Verwendung eines Verstärkers mit gemeinsamem Kollektor oder gemeinsamer Drain für die Ausgangsstufe erreicht werden.

Der invertierende Eingang folgt bei Gegenkopplung der Spannung des nichtinvertierenden Eingangs. Dies geschieht, weil der Operationsverstärker eine sehr hohe Differenzverstärkung hat. Die grundlegende Rückkopplungsgleichung lautet:

G = A 1 + A β

G ist die Regelkreisverstärkung – beispielsweise die Verstärkung einer invertierenden Verstärkerkonfiguration. A ist die Open-Loop-Verstärkung, die Differenzverstärkung der Spannung zwischen den beiden Eingängen. β ist das Rückkopplungsverhältnis, das ist der Bruchteil der Ausgangsspannung, der zum invertierenden Eingang zurückgeführt wird. Wenn A sehr groß ist, reduziert sich die Gleichung auf:

G = 1 β

Das ist alles, was ein Operationsverstärker ist – ein Differenzverstärker mit einer sehr großen Verstärkung und einer großen Eingangsimpedanz. Alles andere ist Feedback.

Wenn Sie mehr über den Aufbau von Operationsverstärkern erfahren möchten, würde ich vorschlagen, zuerst etwas über grundlegende Transistorverstärker zu lernen. Dadurch erhalten Sie ein besseres Verständnis der Eingangs-/Ausgangsimpedanz, der Verstärkung und der Rolle der Rückkopplung.

Zwei Anmerkungen: (1) Die erwähnte Verstärkungsformel gilt nur für den nichtinvertierenden Betrieb. Für den invertierenden Betrieb ist die Open-Loop-Verstärkung A mit einem Dämpfungsfaktor (R2/R1+R2) zu multiplizieren. (2) Der hohe Eingangswiderstand für differentielle Signale resultiert hauptsächlich aus einem kleinen Ruhegleichstrom in der ersten Stufe. Bezüglich des Einflusses der Bias-Stromquelle im gemeinsamen Emitterpfad sollte nicht übersehen werden, dass wir parallel zu dieser Stromquelle einen weiteren dynamischen Widerstand haben: den kleinen/mittleren Eingangswiderstand am Emitterknoten des 2. Transistors.

Das grundlegende differenzielle Frontend eines Operationsverstärkers funktioniert wie folgt:

Auf einem einzelnen Chip wären die Widerstände Stromquellen, normalerweise ein Stromspiegel. Wie auch immer, denken Sie darüber nach, wie das funktioniert. Q1 und Q2 sind so gebaut, dass sie so genau wie möglich zusammenpassen. Nehmen Sie an, dass sie identisch sind, und überlegen Sie, was passiert, wenn IN+ und IN- zusammen nach oben und unten bewegt werden. Da sie mit identischen Basisspannungen identisch sind, teilen sie den Strom gleichmäßig auf. Beachten Sie, dass die absolute Basisspannung damit nichts zu tun hat, solange genügend CE-Spannung verfügbar ist. Über jedem Widerstand erscheint die Hälfte des Stroms, und die Ausgangsspannung bleibt gleich.

Wenn IN+ etwas höher als IN- geht, nimmt Q1 mehr Strom auf, Q2 nimmt weniger Strom auf, was bedeutet, dass R2 weniger Strom und weniger Spannung darüber hat, was bedeutet, dass OUT ansteigt. Von dort wird OUT verstärkt, integriert und zur Ansteuerung der Hochstrom-Ausgangsstufe verwendet.

Der Integrator ist ein wichtiger Bestandteil eines Operationsverstärkers. Es setzt einen einzigen dominanten Pol in die Open-Loop-Übertragungsfunktion, die dem Operationsverstärker Vorhersagbarkeit und garantierte Stabilität über einen bestimmten Satz von Betriebsbedingungen verleiht. Der Rest dessen, was Operationsverstärker tun, wird mit externem Feedback erreicht. In jeder echten "Opamp"-Anwendung (im Gegensatz zu "Komparator") ist dieses externe Feedback ein wesentlicher Bestandteil des Gesamtbetriebs.

Die gleiche Q1/Q2-Differenzpaarkonfiguration funktioniert auch mit FETs oder Darlingtons, aber das sind nur Implementierungsdetails, die sich auf Offsetspannung, Eingangsimpedanz und andere Kompromisse auswirken.

Wie ist die hohe Eingangsimpedanz, niedrige Ausgangsimpedanz und vor allem die virtuelle Spannungsfolge des invertierten Pins möglich? Soweit ich die externe Schaltung verstehe, ist die Spannungssenkung ohne Stromsenkung im Falle einer Rückkopplung am exotischsten Teil des Operationsverstärkers.
@ubunt: Es ist unklar, was Sie fragen, aber bei BJTs wie oben gezeigt wird eine hohe Eingangsimpedanz dadurch erreicht, dass der Eingangsstrom niedrig ist, was auf eine Kombination der gezeigten Stromquelle mit einem niedrigen Wert und der Verstärkung der Transistoren zurückzuführen ist. Darlingtons geben mehr Verstärkung und daher weniger Eingangsruhestrom, aber mehr Offsetspannungen. FETs umgehen dies insgesamt, indem sie überhaupt keine stromgesteuerten Geräte sind.

Wenn Sie nach Lesematerial zum analogen Design auf Transistorebene suchen, ist das kostenlose Buch PDF „Designing Analog Chips“ von Hans Camenzind ein ausgezeichneter Ausgangspunkt.

http://www.designinganalogchips.com/

Geschrieben vom Designer des weltberühmten 555-Timers deckt er praktisch alle analogen Kernblöcke auf Transistorebene auf praktische Weise ab.

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