Операциони појачавач типа 741

Операциони појачивачи представљају вјероватно најраспрострањенију врсту интегрисаних кола која се користе у електроници. Веома су јефтини, имајући у виду чињеницу да у просјеку садрже неколико стотина електронских компоненти. Операциони појачавач који се вјероватно највише користи, у широком дијапазону електронских кола различитих врста и намјена - јесте појачавач типа 741.

Основне информације[уреди | уреди извор]

Операциони појачавач типа 741 јесте базични модел појачавача који се користи у дизајнирању електронских кола са најразличитијим намјенама. Велики број произвођача електронских компоненти и дан данас производи различите врсте операционих појачивача чије су карактеристике сличне или приближне онима које има 741 - али само име 741 остаје нека врста „традемарка“ - ознаке по којој се препознају сви други операциони појачивачи. Велики број оних који се професионално баве електроником или су заљубљеници у њу имају обичај да кажу да је појачавач типа 741 - „кум свих операционих појачавача“.^[1]

Због чега је то тако? Велики број модела операционих појачивача који су дизајнирани задњих деценија имају много боље карактеристике - у погледу брзине, мањег шума, итд. Међутим, он и даље представља склоп који је веома практичан за решавање великог броја различитих врста проблема у аналогној електроници. Једна од његових најбољих карактеристика лежи у чињеници да му је приликом дизајнирања фреквентни одзив „везан“ и исконтролисан тако да у највећем броју случајева и под различитим околностима неће доћи до нежељених осцилација. Такође, веома је практичан и лак за употребу.

Историја[уреди | уреди извор]

Први операциони појачивачи се у теоријским разматрањима као термин помињу 1943. године, у једном истраживачком раду Истраживачког Одјељења Савјета за Националну Безбједност Сједињених Држава.^[2] Тек неких 20 година касније - 1963. године, су произведене прве серије стабилних модуларних операционих појачивача. Први прави стабилни монолитски појачивачи се појављују те године - и иако су имали велики број недостатака - прије свега мале напоне напајања (у рангу од -6 до 12 V), као и тенденцију да прегоријевају сваки пут када би били кратко спојени - они су били најбољи које је тадашња техника имала да понуди. Прављени су од само 9 транзистора, и продавани су за неких 300$ - што им је прозводњу и употребу ограничавало само на потребе војске Сједињених Држава.

Средином 60их година, након што је фирма National Semiconductor избацила у употребу револуционарни појачавач типа LM101 (којим је напокон постигнуто задовољавајуће велико појачање, до 160.000 пута) - фирма Fairchild Semiconductors у мају 1968. презентује појачавач типа uA741. Он се није много разликовао од LM101 - али је имао неке карактеристике које су га издвајале - изузетну температурну стабилност, велико појачање, као и добру заштиту од кратког споја у колу.

Већ 1969. године, операциони појачавачи рађени на бази транзистора су се на тржишту набављали за само пар долара.

Изведба и карактеристике[уреди | уреди извор]

Операциони појачавач типа 741 се најчешће реализује у 8-пинској DIL (енгл. Dual In Line) конзоли (кутији). Оваква изведба се касније показала толико популарном, како код произвођача тако и код корисника, да је већина произвођача који су реализовали конкурентске класе појачавача прихватила овакву конзолу за своје моделе, и управо овакав распоред пинова. Данас постоји велика фамилија класе 741 појачавача које производе различити произвођачи, и који по правилу увијек имају бројке „741“ негдје у имену.

У мањој употреби је и 14-пински 741 појачавач. Распоред пинова, као и табелу за шта који пин служи, можете погледати на слици:

Дефиниције појединачних функција операционог појачавача типа 741[уреди | уреди извор]

Пин1 - (енгл. Offset Null) - Због тога што 741 операциони појачавач спада у класу диферанцијалних појачавача (са два улаза - инвертујућим и неинвертујућим) - улазни оффсет напон мора бити контролисан тако, да минимизује оффсет (напонску раздешеност).
Пин2 - Инвертујући улаз - све вриједности које дођу на инвертујући улаз појачавача, ће на излазу (пин6) бити инвертоване.
Пин3 - Неинвертујући улаз - сви сигнали који дођу на овај улаз појачавача ће бити процесуирани нормално, без инвертовања.
Пин4 - (-V), или Vss - представља терминал негативног напона напајања. Распон операционих напона за модел 741 износи од -4,5 V до -18 V, и специфициран је за вриједности од -5 до -15 Vdc. Појачавач ће се понашати на потпуно исти начин у овом распону напона напајања, задржавајући своје карактеристике, без опасности да би се појачавач могао покварити.
Пин5 - у вези са пином 1., ради контролисања напонске раздешености.
Пин6 - Излаз - битно је напоменути да ће поларитет излазног сигнала бити супротан улазном, ако улазни сигнал доводимо на неинвертујући улаз појачавача.
Пин7 - (V+). или Vcc - представља терминал позитивног напона напајања. Његов операциони напонски распон има вриједности од 4,5 V (минимум) до 18 V (максимум). За вриједности напона напајања од 5 до 15 V појачавач ће функционисати без бојазни да би могло доћи до губљења или мијењања неких његових карактеристика, или до квара када би појачавач престао бити функционалан.
Пин8 - (N/C), што значи "Not Connected" - представља „нулу“, тј. стање које говори да на том пину није ништа прикључено. Његова улога је ту само да употпуни 8-пинску изведбу конзоле појачавача.

Максимални параметри појачавача[уреди | уреди извор]

Маx ратингс Фиг. 2
Супплy волтаге	± 18 Волтс
Интернал Поwер Диссипатион	500 мW
Дифферентиал Инпут Волтаге	±30 Волт
Инпут волтаге	±15 Волт
Волтаге Оффсет Нулл/V-	±0.5 Волт
Оператинг Температуре Ранге	0° то +70 °Ц
Стораге Температуре Ранге	−65° то +150 °Ц
Леад Температуре, Солдер, 60 сец.	300 °Ц
Оутпут Схорт Цирцуит	Индефините

Максимални параметри (вриједности) било које компоненте представљају оне граничне параметре за које се са сигурношћу може рећи да ће их та електронска компонента истолерисати (тј. функционисаће у складу са својом намјенском функцијом, без опасности да компонента прегори, поквари се, или изгуби било коју од својих карактеристика). Управо из тих карактеристика се виде добре стране појачавача 741: изузетна температурна стабилност, велики распон напона на улазу, велико напонско појачање на самом појачавачу, као и способност појачавача да се носи са евентуалним проблемом напонске раздешености. У следећој табели су дати карактеристични максимални параметри за појачавач типа 741:

Интерна структура - архитектура појачавача типа 741[уреди | уреди извор]

Иако дизајн појединачног типа појачавача варира како од модела до модела тако и од произвођача до произвођача, сви операциони појачивачи у суштини имају исту интерну структуру, која се састоји из три степена:

Диференцијални појачавач - који обезбјеђује низак ниво шума приликом појачања, велику улазну импедансу;
Напонски појачавач - који обезбјеђује висок ниво напонског појачања, као и задовољавајућу стрмину фреквенцијске карактеристике појачавача;
Излазни појачавач - који обезбјеђује пренос релативно великих струја (у колима са струјним генератором, чија излазна импеданса тежи бесконачности, за разлику од напонских генератора, ниску излазну импедансу, као и заштиту од кратког споја у колу и лимитирање максималне вриједности струје.

Како је појачавач типа 741 вјероватно најкоришћенији у популарној електроници, и како су многи други појачивачи дизајнирани управо на моделу овог појачавача - у теоријским разматрањима се као модел за анализирање унутрашње структуре појачавача готово увијек узима шема модела 741.^[3] На слици је приказана шема:

Улазни степен[уреди | уреди извор]

Стање на улазном степену се стабилизије коришћењем система негативне повратне спреге са великим појачањем, чији су главни елементи два струјна огледала на лијевој страни претходне слике, што је оивичено црвеном бојом на њој. Главна сврха овог система негативне повратне спреге - јесте да обезбиједи улазни диференцијални степен стабилном и костантном струјом. Ако дође до наглог повећања струја на неинвертујућем и инверујућем улазу појачавача (транзистори Q3 и Q4), транзистори Q8 и Q9 ће „одвући“ струју са база Т3 и Т4, и тако држати струју на улазу костантном. Диференцијални појачавач је на слици оивичен плавом линијом. Q1 и Q2 преко својих емитора „преносе“ вриједности на улазу, и заједно са Q3 и Q4 образују диференцијални улазни степен. Q3 и Q4 обезбјеђују напонско појачање за напајање појачавача класе А. Диференцијални појачавач који формирају транзистори Q1-Q4 напајају струјно огледало од транзистора Q5-Q7 (активни потрошач). Q7 повећава прецизност струјног огледала смањењем вриједности струје сигнала са Q3 која је потребна да напаја базе Q5 и Q6.

Појачавачки степен класе А[уреди | уреди извор]

Дио слике оивичен магента бојом представља појачавачки степен класе А. Струјно огледало Q12/Q13 у десном углу слике снабдијева овај степен костантном струјом, и то преко колектора транзистора Q13, који је независан од излазног напона. Степен се састоји од два НПН транзистора која су везана у Дарлингтонов спој и користи излазни сигнал струјног огледала за постизање велике вриједности појачања. Преко кондезатора од 30 pF се обезбјеђује фреквенцијски-селективна негативна повратна спрега која обухвата појачавачки степен класе А, све у сврси фреквенцијске компензације - да би се стабилизовао појачавач у колима са повратном спрегом. Ова техника се зове Миллерова компензација, и функционише на начин сличан колу интегратора. Та техника се такође у литератури назива и „компензација доминантног пола“, зато што уводи доминантни пол (један који ће да „замаскира“ ефекте других полова) у фреквентном одзиву појачавача на ком није затворена повратна спрега. Овај пол може имати малу вриједност, и до 10 Hz за појачавач типа 741, и обезбјеђује слабљење од -3 dB у одзиву система без повратне спреге н аовој фреквенцији. Оваква компензација се остварује са циљем да се обезбиједи безусловна стабилност појачавача у колима са негативном повратном спрегом, код које су елементи у повратној грани не-реактивни, а појачање кола са повратном спрегом је јединично или веће. Тиме је коришћење појачавача значајно олакшано, јер није потребно коришћење неког екстерног компезнационог склопа за добијање стабилног појачања.

Коло излазног преднапона[уреди | уреди извор]

Елементи кола на слици оивичени зеленом бојом (ослоњени на транзистор Q16) представљају помјерач напонског нивоа, или тзв. „гумену диоду“; тј. једну врсту напонског извора. У нашем колу Q16 представља костантан напонски пад између свог колектора и емитора, без обзира на вриједност струје кроз коло. Имајући сталан напонски пад на транзистору без обзира на струјни ниво, обезбјеђено је провођење два излазна транзистора, истовремено редукујућу нежељену појаву тзв. „crossover дисторзије“.

Излазни степен[уреди | уреди извор]

Излазни степен појачавача је на нашој слици обиљежен свјетлоплавом бојом, и представља појачавач снаге из класе АБ, који контролишу транзистор Q16 и два отпорника везана на њега. Овај степен ефикасно напајају колектори транзистора Q13 и Q19. Излазни степен појачања је отприлике за 1В нижи од напона напајања, што је посљедица утицаја напона Vbe на транзисторима Q14 и Q20.

Отпорник од 25 Ω у излазном степену служи да ограничи струју на излазу, лимитирајући струју на емитору транзистора Q14 на 25мА, за случај транзистора 741.