Warum gibt es in dieser Operationsverstärkerschaltung zusätzliche Widerstände?

Um diese Schaltung zu verstehen, muss man sich das Push-Pull-Transistorpaar an den Pins 7, 6, 4 im OP-AMP vorstellen. Es verwendet die Versorgungspins des OP-AMP als invertierte Dual-Ausgänge, um die nächste Treiberstufe zu vereinfachen.

Es ist ein Hack.

Das Ersetzen des OP-AMP durch einen anderen Typ erfordert gründliche Tests, da diese Art von Schaltung ein Hack ist.

Änderung:

Andy aka hat darauf hingewiesen, dass der Eingangsruhestrom so gering ist, dass mein anfänglicher Gedanke an R4 falsch ist. Ich habe fälschlicherweise gesagt:

R4 soll die Eingangsruheströme des Operationsverstärkers ausgleichen, wie in diesem Artikel erläutert: Eingangsruhestromkompensation des Operationsverstärkers

Ich stimme Andy aka zu, aber ich bin mir noch nicht sicher, wie R4 den Eingang des Operationsverstärkers vor Spannungen am Ausgang schützen könnte, die seinen akzeptablen Eingangsbereich überschreiten. Daher kann ich nichts darüber sagen, was R4 tatsächlich tut, außer dass die Idee von Andy aka, den Opamp-Eingang zu schützen, wahrscheinlicher ist als meine.

Um die Rollen von R3 und R5 zu verstehen, beginnen Sie damit, die Ausgangsstufe eines typischen Operationsverstärkers zu verstehen, insbesondere was passiert, wenn ein Operationsverstärker Strom an eine Last liefert, und wie sich dies ändert, wenn er Strom von der Last zieht.

Wenn die an den Ausgang eines Operationsverstärkers angeschlossene Last versucht, diesen Ausgang auf ein niedrigeres Potential "herunterzuziehen", schaltet sich der obere Ausgangstransistor des Operationsverstärkers (Q1 in meinem Diagramm unten) ein, um dem entgegenzuwirken. Der Ausgang des Operationsverstärkers soll Strom liefern. Der entscheidende Punkt ist, dass all dieser zusätzliche Strom über den positiven Versorgungsanschluss des Operationsverstärkers eingeht:

Wenn die Last jedoch versucht, das Ausgangspotential "hochzuziehen", zählt der Operationsverstärker, indem er stattdessen Q2 einschaltet. In diesem Szenario tritt nun Strom in den Ausgang ein, und der Operationsverstärker soll Strom sinken. Auch hier ist das Wichtigste, was zu beachten ist, dass dieser "versunkene" Strom jetzt aus dem negativen Stromanschluss des Operationsverstärkers hervorgeht:

Unter Bezugnahme auf Ihren Schaltplan befinden sich die beiden Widerstände R3 und R5 direkt im Pfad eines beliebigen Stroms (über seinen normalen Betriebsstrom hinaus), den der Operationsverstärker über seinen Ausgang liefert oder senkt.

Sie sollten auch beachten, dass diese Widerstände direkt an die Basis-Emitter-Übergänge ihrer jeweiligen Transistoren Q1 oder Q2 angeschlossen sind, und dies bedeutet, dass die Spannung an R3 oder R5 auf etwa 0,7 V begrenzt ist. Die Versorgungsspannung des Operationsverstärkers wird daher ein wenig reduziert (ca. 1,4 V), aber nicht viel.

Überlegen Sie nun, was passiert, wenn der Operationsverstärker seine Ausgangsspannung gegen den Einfluss der dort angeschlossenen Last erhöhen möchte. Es beginnt, Strom von seinem Ausgang zu beziehen, Strom, der von seiner positiven Versorgung über R5 stammen muss. Der erhöhte Strom in R5 bewirkt, dass die Spannung darüber entscheidend ansteigt und Q1 härter einschaltet (und folglich auch Q3. Beachten Sie, dass Q1 und Q3 ein PNP-„Sziklai-Paar“ mit extrem hoher Verstärkung bilden). Zusammen werden Q1 und Q3 leitfähiger, übernehmen die Rolle der Erhöhung des Ausgangspotentials und entlasten den Operationsverstärker von jeglichem hohen Strombedarf.

Tatsächlich übernimmt dieses Sziklai-Paar fast die gesamte Anstrengung, die Ausgangsspannung "hochzuziehen", und der Operationsverstärker muss sich überhaupt nur sehr wenig anstrengen.

Eine ähnliche Anordnung in Form von R3 und einem NPN-Sziklai-Paar kümmert sich um die Situation, in der der Operationsverstärker Strom von der Last ziehen muss.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mit dieser Kombination aus "Stromerfassungs"-Widerständen der Stromversorgung des Operationsverstärkers und Sziklai-Paaren, die auf den erfassten Strom reagieren, die begrenzte Ausgangsstromfähigkeit des Operationsverstärkers verstärkt wird. Das Ergebnis ist eine Ausgangsspannung, die stabil und vom Operationsverstärker gut geregelt ist, aber trotz der schwachen Ausgangsleistung des Operationsverstärkers auch für schwere Lasten geeignet ist, die entweder Strom aufnehmen oder liefern.

Was ich nicht verstehe ist R3, R4 und R5.

Es ist eine ziemlich spezialisierte Schaltung und funktioniert nur mit zuvor getesteten Konfigurationen. Wenn Sie also den Operationsverstärker ersetzen, testen Sie ihn sorgfältig und gründlich.

• R4 verhindert eine Überspannungssituation an Pin 2 des Operationsverstärkers
• R3 und R5 sind Teil der Spezialschaltung, die die Ausgangstransistoren vorspannt und ansteuert, anstatt den Ausgang des Operationsverstärkers zu verwenden, um die Basis eines BJT direkt anzusteuern.
• R2 an Pin 8 macht dies zu einer nicht standardmäßigen Operationsverstärkerschaltung, und die Suche nach einem Ersatz wird mehr als ein Spaziergang im Park sein.

In einem Kommentar (siehe oben) wurde erwähnt, dass R4 Eingangsvorspannungsstromfehler reduzieren soll, aber dies ist falsch. Der maximale Eingangsruhestrom für den Chip beträgt 80 nA (schlechtester Fall über Temperatur) und wenn R4 weggelassen würde, würden wir einen maximalen Eingangsspannungsfehler von 80 nA sehen, multipliziert mit dem effektiven Widerstand am nicht invertierenden Eingang. Dieser Widerstand beträgt im schlimmsten Fall 1400 Ω, daher wäre der Fehler im schlimmsten Fall (1400 x 80) nV = 112 μV.

Wenn man bedenkt, dass die normale Offsetspannung des Operationsverstärkers im Bereich von +/- 6000 μV liegen kann, ist es eine absurde Behauptung, dass R4 Eingangsvorspannungsstromfehler reduziert.

Um auf meinen Punkt zum Schutz der Eingangskreise zurückzukommen, bedenken Sie dies; Die Versorgungsspannung für den Operationsverstärker ist nicht die volle Versorgungsschiene von 8 Volt und Masse (siehe Schaltplan des OP); sie wird durch die beiden Widerstände R3 und R5 etwas reduziert. Die Ausgangsspannung kann jedoch auf beiden Stromschienen etwa 0,7 Volt erreichen, und es ist wahrscheinlich, dass ohne R4 die Spannung, die den Eingang erreicht, (ein wenig) die Spannung an den Stromschienen des Operationsverstärkers übersteigt. Angesichts dieser Aussage im Datenblatt : -

Es ist keine Überraschung, dass R4 verwendet wird, um den Eingang an Pin 2 zu schützen.

Es kann auch ein anderes Problem im Zusammenhang mit dieser Schaltung geben, das darauf zurückzuführen ist, dass der Ausgang des Operationsverstärkers direkt mit dem Ausgang der Schaltung verbunden ist. Ich wäre versucht, einen kleinen Widerstand in Reihe mit dem Ausgang zu schalten, wie hier in Rot gezeigt: -

Er muss nicht mehr als ein paar zehn Ohm betragen und kann leicht auf null Ohm gebracht werden, wenn festgestellt wird, dass dies nicht erforderlich ist. Wenn Sie sich jedoch das Datenblatt (Seite 9) ansehen, scheint es einen 100-Ohm-Widerstand im Inneren des Geräts zu geben, aber da der Ausgang des Operationsverstärkers möglicherweise höher als seine Versorgungsschienen wird, auf der gleichen Grundlage wie bei der Verwendung R4 zum Schutz von Pin 2, es lohnt sich die zusätzliche kleine Investition in Schaltungen (insbesondere wenn Sie versuchen, einen Ersatz-Operationsverstärker zu finden).

Nach dem Hinweis „2,65 bis 2,70 V“ am Ausgangsknoten zu urteilen, scheint diese Schaltung ein 2,7-V-Netzteil zu sein, das mit R1 auf die gewünschte Spannung getrimmt werden kann.

R3 und R5 sind inline mit den Operationsverstärkerschienen und auch über den Basis-Emitter-Übergängen von Q1 und Q2. Damit Q1 (oder Q2) überhaupt etwas tut, müssen mindestens 0,6 V an R5 (oder R3) anliegen. Bei 560 Ohm würde das 1 mA durchfließen.

Für Ausgangslasten bis zu 1 mA liefert der Operationsverstärker also den gesamten erforderlichen Strom an die Last.

Jenseits von 1 mA beginnt der Operationsverstärker, genügend Strom durch R3 (oder R5) zu ziehen, damit die Transistoren einschalten und an diesem Punkt den Großteil der erforderlichen Stromlast liefern. Der Operationsverstärker muss unabhängig von der Last nie viel mehr als ein mA liefern.

Der LM4250 ist ein funky spezialisierter Operationsverstärker mit einem zusätzlichen „Vorspannungs“-Eingangspin 8, und ein R2-Wert von 150 K scheint einen Nennversorgungsstrom von etwas in der Nähe von 50 uA einzustellen, wenn ich das Datenblatt richtig extrapoliere. Nicht sicher, warum/ob das ein besonders kritischer Parameter war.

Der Zusatz von R4 ist fraglich. Wie andere angemerkt haben, wird dort manchmal ein Widerstand verwendet, um den DC-Offset von den Vorspannungsströmen auszugleichen, die von den Opamp-Eingängen fließen. Aber hier haben wir einen Trimpot, um die Ausgabe fein einzustellen, so dass jeder Offset damit auf Null gesetzt wird. Und der Ausgangsspannungspegel ist auf 2,7 V festgelegt, sodass eine Überspannung ausgeschlossen ist (außer bei externen Anschlussfehlern).

Das Ersetzen des LM4250 durch einen anderen Operationsverstärker funktioniert möglicherweise einwandfrei, aber die Schaltung hängt von der Nennstromaufnahme des Netzteils ab. Typische Operationsverstärker können 1 mA oder mehr ziehen, sodass Sie möglicherweise feststellen, dass sich Ihre Transistoren ohne Last einschalten, was möglicherweise nicht Ihren Wünschen entspricht. Wenn dies der Fall ist, reduzieren Sie einfach die Werte von R3 und R5, damit mehr Strom benötigt wird, bevor sich die Transistoren einschalten.

R4 kann den Eingangs-Offset ausgleichen, der durch den Eingangsvorstrom des Operationsverstärkers und den Nicht-Null-Quellwiderstand, der R1, R9 und R10 ist, verursacht wird.

In Bezug auf R3 und R5 werden sie zusammen mit Q1/Q2 und der Klasse-B-Ausgangsstufe des Operationsverstärkers verwendet, um ein Sziklai-Paar (auch bekannt als Verbundpaar) für eine größere Ausgangsstromfähigkeit zu erzeugen. Das Sziklai-Paar funktioniert möglicherweise ohne sie, aber sie helfen Q1/Q2, schneller abzuschalten.

Q3/Q4 folgen dem Sziklai-Paar für noch mehr Stromgewinn.