Elektronika II

Borbly Gbor

ELEKTRONIKA II. A mveleti erst s kapcsolstechnikja

Kszlt a HEFOP 3.3.1-P.-2004-09-0102/1.0 plyzat tmogatsval.

Szerz: dr. Borbly Gbor egyetemi docens

Lektor: dr. Farkas Gyrgy egyetemi tanr

Borbly Gbor, 2006

Elektronika II. A dokumentum hasznlata

A dokumentum hasznlata | Tartalomjegyzk | Trgymutat Vissza 3


A dokumentum hasznlata

Mozgs a dokumentumban A dokumentumban val mozgshoz a Windows s az Adobe Reader meg-szokott elemeit s mdszereit hasznlhatjuk.

Minden lap tetejn s aljn egy navigcis sor tallhat, itt a megfelel hivatkozsra kattintva ugorhatunk a hasznlati tmutatra, a tartalomjegy-zkre, valamint a trgymutatra. A s a nyilakkal az elz s a kvet-kez oldalra lphetnk t, mg a Vissza mez az utoljra megnzett oldalra visz vissza bennnket.

Pozcionls a knyvjelzablak segtsgvel A bal oldali knyvjelz ablakban tartalomjegyzkfa tallhat, amelynek bejegyzseire kattintva az adott fejezet/alfejezet els oldalra jutunk. Az aktulis pozcinkat a tartalomjegyzkfban kiemelt bejegyzs mutatja.

A tartalomjegyzk s a trgymutat hasznlata

Ugrs megadott helyre a tartalomjegyzk segtsgvel Kattintsunk a tartalomjegyzk megfelel pontjra, ezzel az adott fejezet els oldalra jutunk.

A trgymutat hasznlata, keress a szvegben Keressk meg a trgyszavak kztt a bejegyzst, majd kattintsunk a hozz tartoz oldalszmok kzl a megfelelre. A tovbbi elfordulsok megte-kintshez hasznljuk a Vissza mezt.

A dokumentumban val keresshez hasznljuk megszokott mdon a Szerkeszts men Keress parancst. Az Adobe Reader az adott pozci-tl kezdve keres a szvegben.

Elektronika II. Tartalomjegyzk



Tartalomjegyzk

1. Bevezets ........................................................................................ 7

2. Az idelis erst kzeltse mveleti erstvel............................ 8 2.1. Az idelis erst fogalma........................................................................... 8 2.2. Az egyenfeszltsg erstk ltalnos felptse.................................... 11 2.3. A mveleti erstk katalgusparamterei ............................................. 16

3. A mveleti erstk tpusai........................................................... 26 3.1. CA 3095E....................................................................................................29 3.2. A 709 (Fairchild)......................................................................................32 3.3. A 741 (Fairchild)......................................................................................35 3.4. A 748 (Fairchild)......................................................................................39 3.5. A 777 (Fairchild)......................................................................................41 3.6. A 776 (Fairchild)......................................................................................42 3.7. LM 108 (National Semiconductors)........................................................45 3.8. A 740 (Fairchild)......................................................................................48 3.9. LF 356 (National Semiconductor)...........................................................50 3.10. TL 071 (Texas Instruments)...................................................................53 3.11. CA 3140 (RCA)........................................................................................ 56 3.12. CA 3160 (RCA)........................................................................................ 58 3.13. ICL 7610 (Intersil) ...................................................................................60 3.14. Chopper-stabilizlt mveleti erstk ................................................... 61 3.15. CA 3080 (RCA)........................................................................................ 63 3.16. ramvisszacsatolt mveleti erstk..................................................... 67

4. Alapkapcsolsok mveleti erstvel ........................................... 71 4.1. Feszltsgkvet, elvlaszt erst ....................................................... 71 4.2. Fzist nem fordt (nem-invertl) alapkapcsols ................................ 73 4.3. Fzisfordt (invertl) alapkapcsols..................................................... 76 4.4. Fzisfordt sszegz kapcsols .............................................................. 79 4.5. Kivon ramkr (differenciaerst) ...................................................... 80 4.6. Javtott kivitel differenciaerst ........................................................... 82 4.7. Mszererst (instrumentation amplifier) ............................................ 84




5. Vezrelt genertorok mveleti erstvel..................................... 86 5.1. Feszltsgvezrelt feszltsggenertorok............................................... 86 5.2. Feszltsgvezrelt ramgenertorok ....................................................... 86 5.3. ramvezrelt feszltsggenertorok ....................................................... 90 5.4. ramvezrelt ramgenertorok................................................................ 91

6. Impedancia konverterek............................................................... 93 6.1. Negatv impedancia konverter (NIC) ..................................................... 93 6.2. Girtor .........................................................................................................94

7. Idelis dida, dids kapcsolsok, hatrolk .............................. 99 7.1. Idelis dida, cscsfeszltsgek mrse..................................................99 7.2. Abszoltrtk-kpz ramkr (egyszer).............................................103 7.3. Invertl flhullm egyenirnyt kapcsols ......................................105 7.4. Abszoltrtk-kpz ramkr (preczis) ............................................107 7.5. Dids vgramkr (clipper)................................................................109 7.6. Preczis egyenfeszltsg-forrsok........................................................111

8. Integrl s differencil kapcsolsok........................................ 113

9. Logaritmikus s exponencilis erstk .....................................122 9.1. Logaritmikus erstk..............................................................................123 9.2. Nullpont-indiktor kapcsols .................................................................128 9.3. Exponencilis erstk ............................................................................129 9.4. Ngyzetre emel ramkr.......................................................................132 9.5. Analg szmolgpek .............................................................................133

10. Aktv R-C szrk........................................................................136 10.1. Elsfok aktv R-C alaptagok ..............................................................145 10.2. Msodfok aktv R-C alaptagok ..........................................................148 10.3. Magasabb fokszm szrk ellltsa ...............................................156 10.4. Ketts T aktv R-C szrk ...................................................................158 10.5. Univerzlis szrlnc ............................................................................160 10.6. Mindent-tereszt szr .......................................................................161

11. R-C oszcilltorok mveleti erstvel ........................................163 11.1. Wien-hidas oszcilltor ...........................................................................166 11.2. Ketts T-szrs oszcilltor ..................................................................171 11.3. thidalt T-szrs oszcilltor ................................................................172 11.4. Fzistols oszcilltor .............................................................................174




11.5. Ktfzis oszcilltor ..............................................................................175 11.6. Hromfzis oszcilltor ........................................................................178

12. Kompartorok ............................................................................179 12.1. Hiszterzis nlkli kompartorok........................................................179 12.2. Fzisfordt Schmitt-trigger .................................................................185 12.3. Fzist nem fordt Schmitt-trigger......................................................187 12.4. Ablak-kompartor kt mveleti erstvel.........................................190

13. Fggvnygenertorok ................................................................192 13.1. Astabil multivibrtor .............................................................................192 13.2. Hromszgjel-genertor .......................................................................195 13.3. Hromszgjel-genertor vltoztathat meredeksggel.....................198 13.4. Lpcsgenertor.....................................................................................200

14. Tpram-vezrelt vgerst .................................................... 202

Irodalomjegyzk ...................................................................................................206 Trgymutat ........................................................................................................207

Elektronika II. Bevezets



1. Bevezets

A villamosmrnk-kpzs elengedhetetlen rsze az elektronikai kapcsolsok megfelel mlysg ismerete. A ma alkalmazott analg elekt-ronikai ramkrk egyre nagyobb rsze integrlt ramkrkre pl. Az analg integrlt ramkrk ma mr rendkvl szles vlasztk-ban llnak a tervezk rendelkezsre. Megtalljuk kzttk a mveleti erstket ppgy, mint a funkcijban s felptsben egyre sszetettebb megoldsokat. Az albbi fejezetekben az integrlt ramkrk legismertebb s legfontosabb kpviseljt, a mveleti erstt mutatjuk be. A mveleti erst egy nagyon lnyeges ptelem. Nhny passzv alkatrsszel kieg-sztve szmtalan tletes elektronikai kapcsols kszthet vele. A planr technolginak ksznheten tbb szz vagy ezer mveleti erstn ala-pul rszfunkcikat megvalst ramkr integrlhat egy chipre, s egyre nvekszik az analg s digitlis funkcikat egyidejleg megvalst jelfeldolgoz processzorok szma. Ezek sem nlklzhetik a mveleti erstk ltal megvalstott kapcsolsok ismerett.

Elszr ismertetjk a mveleti erst megszletst kivlt ig-nyeket, tovbb a jellemzskre hasznlt katalgusadatokat. Majd nhny tipikusnak tekinthet mveleti erst bels felptst taglaljuk rzkel-tetve a fejlds irnyvonalait. Ezutn rtrnk a mveleti erst kapcso-lstechnikjra, melyben elemezni fogjuk az erst alapkapcsolsoktl az aktv szrkn t a fggvnygenertorokig a legfontosabb s leggyakoribb megoldsokat. A kvetkezkben bemutatott kapcsolsok megismershez feltte-lezzk az olvas jrtassgt a hlzatelmlet, a villamossgtan, az elektro-nikai eszkzk, tovbb a diszkrt elektronikai alapkapcsolsok terletn. Ez utbbi a szerz egy msik mvben (az Elektronika I.-ben) rendsze-rezve megtallhat. Ez a knyv tekinthet az elz m szerves folytats-nak is. Ez a knyv tematikjt tekintve a Szchenyi Istvn Egyetem villa-mosmrnk-hallgati szmra a negyedik szemeszterben oktatsra kerl Elektronika II. tantrgy eladsi anyagra pl, de ajnlhat a tmval foglalkoz valamennyi rdekld szmra.

Elektronika II. Az idelis erst kzeltse mveleti erstvel



2. Az idelis erst kzeltse mveleti erstvel

Megelz tanulmnyaink sorn rszletesen megismerkedtnk a bipolris s trvezrls tranzisztorokkal felptett aszimmetrikus erst alapkapcsolsokkal, a differencilerstvel, a fzissszegz kapcsolssal, az ellentem vgerst fokozatokkal. Ismerjk az aktv terhels fogal-mt, tovbb a munkapont ramgenertorokkal trtn belltsnak lehe-tsgt. Elssorban a planr technolginak ksznheten lehetv vlt, hogy ezek a kapcsolsok nagyon sszeren sszeptve egyetlen szilcium-lapkn kszljenek el. Ezltal ezek a kapcsolsok olyan minsgi jellemz-ket rtek el, melyeket diszkrt alkatrszekkel megkzelteni sem lehetett.

2.1. Az idelis erst fogalma Kpzeljk el, hogy megvalsthatjuk lmaink erstjt! Milyen kvetelmnyeket tmasztannk a leend ramkrrel szemben? Melyek lennnek ezen idelis erst jellemzi? A kvetkezkben igyeksznk fel-sorolni ezeket:

Szimmetrikus bemenettel rendelkezzen. A bemenetek kzl az egyik (az un. nem-invertl bemenet) azonos fzisban, mg a msik (az in-vertl bemenet) ppen ellenkez fzisban jelentse meg a felerstett jelet a kimeneten, mely aszimmetrikus legyen. Ebben az esetben a ki-meneti jel bemenetre trtn visszacsatolsval egyszeren ltrehozha-t lenne akr a pozitv visszacsatols (pldul oszcilltorok ellltsa cljbl), illetve a negatv visszacsatols (pldul ersts-szablyozsra, frekvenciamenet belltsra).

Legyen a bemeneti ellenllsa (mind a szimmetrikus, mind pedig a kzs jelekre nzve) vgtelen nagy. Ezzel elrhetnnk, hogy idelis erstnk nem fogja terhelni, s ezltal befolysolni az elz fokoza-tot.




Az elz pontbl szorosan kvetkezik, hogy a kapcsols bemeneti rama lehetleg zrus legyen. Ez esetben eltekinthetnk a meghajt genertor ellenllsn jelentkez feszltsgess okozta munkapont-eltoldstl.

A kapcsols vezrlfeszltsg, illetve vezrlram nlkl ne jelentsen meg semmilyen jelet a kimenetn, kimeneti jele ekkor nulla legyen. (ofszethiba)

Legyen kimeneti ellenllsa elhanyagolhatan kicsi, rtke tartson a nullhoz. Ezzel jelentsen megknnytjk a kvetkez fokozat, illetve a visszacsatol hlzat tervezst.

Szimmetrikus bemeneti jelekre nzve a kapcsols minl nagyobb, lehe-tleg vgtelen nagy erstssel rendelkezzen. Termszetesen gy a kap-csols nmagban nem lenne hasznlhat, de negatv visszacsatolssal az ersts paramterei kitnen kzben tarthatk lennnek. Vgtelen ersts mellett egybknt a legkisebb zavarjel is azonnal a kivezrls hatrra vinn az erstt.

Kzs bemeneti jelekre nzve a kapcsols ne erstsen, st, ha lehet, minl jobban csillaptsa ezek tovbbhaladst a kimenet fel.

Az elz kt pontban felsorolt igny azt sugallja, hogy a kapcsols diszkrimincis tnyezje (a szimmetrikus s az aszimmetrikus ers-ts hnyadosa) tartson a vgtelenhez.

A kapcsols fzistolsa elssorban a stabilits rdekben legyen minl kisebb.

A kapcsols kpes legyen minl nagyobb szimmetrikus s kzs kom-ponens bemeneti jelek fogadsra. Legyen vdett ezekkel szemben nem vrt nagysg rtkek esetn is.

Ne fordulhasson el, hogy adott bemeneti jeltartomny vagy jelalak esetn a kapcsols munkapontja egy jabb bekapcsolsig vgrvnye-sen megvltozzon. (latch up vdelem)

A kimeneti jel szles tartomnyban lehetleg mindkt irnyban a tpfeszltsg-hatrokig kivezrelhet legyen.

A kimeneti fokozat rendelkezzen rvidzr vdelemmel, hogy egy eset-leges tlterhels esetn a kapcsols ne menjen tnkre.

Legyen a kapcsols hatsfoka minl jobb.




Lehetleg szles tpfeszltsg tartomnyban mkdjn, s paramte-

reit a tpfeszltsg vltozsa ne befolysolja.

Lehetleg szles hmrsklettartomnyban mkdjn, s paramtereit a hmrsklet vltozsa ne befolysolja.

Minl kisebb zajjal rendelkezzen, hogy a kimeneten valban csak a hasznos jel jelenhessen meg, stb.

A fenti felsorolst brki tovbb bvthetn.

Ezen kvnalmak a fejlesztmunka eredmnyeinek ksznheten ma mr nagyon jl kzeltik az idelis rtkeket. Sajnos azonban a gyakran kitn rtkek csak az alacsonyfrekvencis (gyakorlatilag csak nhny Hz-es) tartomnyban ilyen jk, a frekvencia nvekedsvel a paramterek erteljes romlsnak indulnak. Idelis kvnalmaink kzl legkevsb azt tudjuk a valdi ramkrkkel teljesteni, hogy a fenn felsorolt kvnalmak

frekvenciafggetlenl

llandan j rtken maradjanak. Az idelis erstt a gyakorlatban mveleti erstvel kzeltjk meg. Az idelis tulajdonsgokra a szimblumba rajzolt jel utal (2.1. b-ra):

2.1. bra. Az idelis mveleti erst szimbluma

Az itt lthat szimblummal jelzett kapcsols segtsgvel mint ksbb ltni fogjuk szmtalan matematikai mvelet valsthat meg. Elektronikus jelek sszeadsa, kivonsa, invertlsa, abszolt rtknek kpzse, differencilsa, integrlsa, logaritmusnak ellltsa, szorzsa, osztsa stb. mind elllthat a fenti ramkrrel, melyet ettl kezdve m-veleti erstnek hvunk.




2.2. Az egyenfeszltsg erstk ltalnos felptse

A mveleti erstk a velk szemben tmasztott kvetelmnyeket kzvetlen-csatolt erstfokozatok segtsgvel rik el. Az egyes fokozatok kztt nincsenek csatolkondenztorok. A kapcsols az egyenram jele-ket is ersteni kpes. A csatolkondenztorok hinya miatt a fokozatok munkapontjai szoros kapcsolatban llnak egymssal, melyre a tervezsnl klnsen gyelni kell.

Kvetelmnyek:

9 szimmetrikus bemenet 9 aszimmetrikus kimenet 9 kis ofszet 9 kis drift 9 nagy bemeneti ellenl-

ls 9 nagy ersts szimmet-

rikus jelekre 9 nagy elnyoms

aszimmetrikus jelekre 9 kis zaj stb.

9 nagy feszlt-sg-ersts

9 szinteltols 9 kompenzci

a stabilits r-dekben

9 nagy ramersts 9 nagy teljestmny-

ersts 9 j hatsfok 9 kis kimeneti ellenlls 9 j kivezrelhetsg 9 rvidzr vdelem

A kvnalmaknak leginkbb megfelel kapcsols:

differencil-erst

(fzissszegz kapcsols) kzs emitteres

kapcsols komplementer emitterkvet

2.2. bra. Az egyenfeszltsg erstk egyes fokozataival szemben tmasztott kvetelmnyek s az azokat leginkbb kielgt

kapcsolstechnikai megoldsok




Az egyes fokozatok a klnbz ignyeket eltr kapcsolstechni-kai megoldsokkal igyekeznek teljesteni, ahogy azt a 2.2. tblzat mutatja. Eddigi ismereteink alapjn prbljunk meg egy nagyon egyszer szimmetrikus bemenet s aszimmetrikus kimenet egyenfeszltsg ers-t kapcsolst sszelltani. Hasznljunk differencilerstt bemeneti fo-kozatknt s az egyik kollektor g jelt kzs kollektoros kapcsolssal illesszk a kimenethez! (2.3. bra)

2.3. bra. Szimmetrikus bemenet s aszimmetrikus kimenet

egyenfeszltsg erst M1

2.4. bra. Egyenfeszltsg erst M2




A 2.3. bra szerinti kapcsols tbb szempontbl is javtsra szorul. Legnagyobb hibja taln, hogy feszltsgerstse nagyon kicsi. Ezrt b-vtsk a kapcsolst egy kzs emitteres fokozattal! Kereshetnnk a kime-neti fokozatban elhelyezett Zner-dida helyett ms szinteltolst vgz megoldst is! (2.4. bra) Ez a kapcsols mr valamivel jobban megfelel kvnalmainknak, de van mg mit alaktani rajta. Bemeneti fokozata gy vlik aszimmetrikuss, hogy csak az egyik kollektor g erstst hasznljuk ki, a msik gt nem. Az egyszer differencilerst kapcsols tovbb alacsony kzsjel-elnyomsi tnyezt (Ek) s nem elgsges diszkrimincis tnyezt (Du) eredmnyez. Tegynk teht az els fokozat helyre fzissszegz kapcsolst, mely a fenti gondokat orvosolni tudja. (Q1-Q2-Q3-Q4-D1) A msodik fokozatknt alkalmazott kzs emitteres kapcsols terheli az els fokozatot. Clszer lenne az ramersts nvelse s a msodik fokozat bemeneti ellenllsnak nvelse rdekben Darlington kapcsolst alkalmazni. A szinteltolsknt szerepl R1 s R2 ellenllsok sajnos a hasznos jelet is leosztjk, ami szintn htrnyos. Prbljuk meg a szinteltolst pnp tranzisztorokra bzni.





A kapcsols vgerst fokozata A-osztly s kivezrelhetsg-vel is gondok vannak. Hasznljunk helyette komplementer emitterkvet vgfokozatot! (2.5. bra) Kapcsolsunk jelenlegi llapotban kb. 40 dB-es feszltsg-erstssel, 70 dB-es kzsjel-elnyomsi tnyezvel s 100 k-os bemene-ti ellenllssal rendelkezik. A 2.5. brn lthat kapcsols leggyengbb pontja a pnp tranzisz-torokkal felptett ferst. Mivel az npn tranzisztorok jobb paramte-rekkel rendelkeznek, ezrt a ferst feladatt jobb lenne npn tpus tran-zisztorokra bzni. Ezzel egyidejleg helyezzk t a szinteltols feladatt az els foko-zatra, legyenek itt a pnp tranzisztorok! A ferst feszltsgerstst jelentsen megnvelhetjk aktv terhels alkalmazsval. ptsnk teht ramgenertort a ferst kollektorkrbe! A bemeneti fokozatba clszer jobb ramtkrt pteni s adjunk lehetsget az ofszet kompenzlsra is egy potenciomter segtsgvel! (2.6. bra)





Mdostott kapcsolsunk sokkal jobb az elznl, de gerjedkeny, rzkeny a tpfeszltsg- s a hmrskletvltozsra, s nincs rvidzr-vdelme sem. Sajnos a bemeneten elhelyezett pnp tranzisztorok nagyfrekvencis tulajdonsgai is kvnnivalt hagynak maguk utn. Ezt a hinyossgot komplementer kaszkd differencilerst kapcsolssal vdhetjk ki. To-vbb javthatunk a bemeneti fokozat ramtkrn is. A munkapont belltst pedig bzzuk hkompenzlt ram-genertorra, illetve ramtkr lncra! (2.7. bra)

2.7. bra. Egyenfeszltsgerst M5

A kapott kapcsols mr majdnem teljesen megegyezik egy ltez integrlt kivitel mveleti erst kapcsolsi rajzval.

Mieltt tovbbi kapcsolsok elemzsbe kezdennk, ismerkedjnk meg alaposabban a mveleti erstket jellemz paramterek defincijval s ezek gyakorlati rtkvel, vrhat adataival!




2.3. A mveleti erstk katalgusparamterei A kvetkezkben a mveleti erstk legfontosabb katalgus-jellemzinek definciszer felsorolsa kvetkezik. A gyakorlati felhaszn-ls elsegtse rdekben a szakkifejezsek angol megfelelit is felsoroljuk.

Rbes BEMENETI ELLENLLS (differential input resistance)

A mveleti erst szimmetrikus bemeneti ellenllsa. Jellemz rtke bipolris technolgival kszlt mveleti erstk esetn nhny M, mg trvezrls tranzisztorokat alkalmaz bemeneti fokozat esetn ennl mg 6 nagysgrenddel nagyobb, azaz 1012 ohm. A differencilerstre vonatkoz korbbi tanulmnyainkbl tudjuk, hogy a kzs vezrljelekre nzve a bemeneti ellenlls a szimmetri-kus vezrlsre megadott rtkeknl krlbell szzszor nagyobb. A kzs mdus bemeneti ellenlls nem minden esetben szerepel a ka-talgus-adatok kztt. A bemeneti impedancia mr egy tgabb fogalom. Ebbe beletartoznak a kapacitv sszetevk is.

Cbes BEMENETI KAPACITS

(differential input capacitance)

A mveleti erst szimmetrikus bemeneti kapacitsa. A katalgus-adathoz illik megadni a mrs frekvencijt, tovbb a hmrskletet is, mert ezek a paramterek jelentsen befolysolhatjk az eredmnyt. rtke nhny pF. Ha nem hangslyozzk ki kln, akkor a bemeneti kapacits alatt a szimmetrikus bemeneti kapacitst rtjk, de termszetesen mrhet kzs vezrljelekre rtelmezett bemeneti kapacits is.

Rki KIMENETI ELLENLLS

(output resistance)

Az aszimmetrikus kimenet mveleti erst kimeneti ellenllsa. r-tkt a kimeneti rvidzr elleni vdelem kapcsolstechnikai megoldsa dnten meghatrozza. (A rvidzr vdelmi megoldsok valamelyest nvelik a kimeneti ellenlls rtkt, de jelentsgk miatt nem clsze-




r kihagyni ket a kapcsolsbl.) Aktv rvidzr vdelem esetn 100 ohm alatti is lehet, mg passzv rvidzr vdelmi megolds esetn n-hny 100 ohm a jellemz paramter. Mivel a mveleti erstket az esetek dnt tbbsgben negatv fe-szltsg-visszacsatols mellett alkalmazzk, ezrt ezek az rtkek a tel-jes kapcsolsra nzve a hurokersts mrtkvel osztdnak. gy a mveleti erstvel felptett kapcsols kimeneti ellenllsa akr 1 ohm alatti rtket is felvehet.

Auo NAGYJEL (szimmetrikus) FESZLTSGERSTS (large signal differential voltage gain)

Szimmetrikus bemeneti jel mellett a mveleti erst visszacsatols nlkl, alacsonyfrekvencin mrt feszltsgerstse terheletlen kime-net vagy adott terhel ellenlls esetn. (A visszacsatols hinya alatt itt csak a kls visszacsatolsokat rtjk, mert az integrlt kivitel ers-tben egybknt lehetnek visszacsatolsok.) A mveleti erstk nagyjel feszltsgerstse szoksosan 100-110 dB krli rtk. Ez feszltsgviszonyban tbb szzezerszeres erstst jelent. Visszacsatols nlkl egy nhny V-os zavarjel is a kivezrls hatrig vezreln a kimeneti jelet. Hasonlan komoly gon-dot jelentene az ofszet feszltsg is. (lsd albb) Ezrt az ennl na-gyobb feszltsg-erstst kvn helyeken olyan mveleti erstket alkalmaznak, melyek kpesek az ofszet hiba folyamatos kiegyenltsre. Ezek az un. chopper-stabilizlt mveleti erstk. Ilyen kapcsolsokkal elrhet a 175 dB-es nagyjel feszltsgersts is.

Auok KZS MDUS FESZLTSGERSTS

(common mode voltage gain)

Kzs bemeneti jel mellett a mveleti erst visszacsatols nlkl, alacsonyfrekvencin mrt feszltsgerstse terheletlen kimenet vagy adott terhel ellenlls esetn. rtkt legtbbszr kzvetve adjk meg a CMRR segtsgvel, azaz a nagyjel (szimmetrikus) feszltsgerstshez viszonytva.




CMRR KZS MDUS FESZLTSGELNYOMSI TNYEZ

(common mode rejection ratio)

A kzs mdus feszltsgelnyomsi tnyez a nagyjel (szimmetri-kus) [Auo] s a kzs mdus feszltsgersts [Auok] hnyadosa de-cibelben kifejezve. A CMRR rtke a mai korszer mveleti erstk-ben legalbb 90 dB.

Ib BEMENETI NYUGALMI RAM

(input bias current)

Kzs bemeneti jel esetn a nulla kimeneti egyenfeszltsghez tartoz bemeneti egyenramok (az invertl s a nem-invertl bemeneteken mrt egyenramok) tlaga. Tipikusan 100 nA bipolris s 30 pA trve-zrls tranzisztorokkal felptett bemeneti fokozatok esetn. rtke fleg FET-bemenet mveleti erstk esetn ersen hmr-skletfgg, mert a gate-en foly szivrgsi ram a hmrsklet emel-kedsvel kb. tz fokonknt megduplzdik.

Ubo BEMENETI OFSZET FESZLTSG

(input offset voltage)

Bemeneti ofszet feszltsg alatt azt a bemeneti szimmetrikus egyenfe-szltsget rtjk, melynek hatsra a mveleti erst kimeneti egyen-feszltsge nulla lesz. rtke nhny mV. A mveleti erstk nagy feszltsgerstse miatt a bemeneti fokozat parnyi aszimmetrija is rzkelhet kimeneti jelet eredmnyez. Be-meneti jel nlkl a kimeneti feszltsg nulltl klnbz rtket vesz fel, ami a vezrls sorn mr nem vlaszthat szt a hasznos jeltl s ezrt hibhoz vezet. Az ofszet kiegyenltsre gyakran a bemeneti fokozat kt kivezetett pontjn keresztl lehetsgnk van. A kapcsolsi megoldsok a k-lnbz mveleti erstknl ersen eltrek lehetnek. Mg egyes t-pusoknl a gyrt vgzi el a belltst, pldul lzeres trimmelssel.

Ibo BEMENETI OFSZETRAM (input offset current)

Bemeneti ofszetram alatt azt a bemeneti szimmetrikus egyenramot rtjk, melynek hatsra a mveleti erst kimeneti egyenfeszltsge




nulla lesz. rtke tipikusan nhny tz nA bipolris s egy-kt pA tr-vezrls tranzisztorokkal felptett bemeneti fokozatok esetn.

Az ofszet feszltsg s ofszet ram lte ktsgtelenl htrnyos jelen-sg. Ne feledjk azonban, hogy a kapcsols fellesztsekor, behangolsa-kor rtke finoman kinullzhat. A problma ott vlik kritikuss, hogy az elzleg kinullzott ofszet nem marad vltozatlan.

Az ofszet megvltozst driftnek nevezzk. A driftet tbb jelensg egytt is okozhatja. Leggyakrabban hrom tnyez vlthatja ki. Ezek a hmrsklet (#1) s a tpfeszltsg (#2) vltozsa, valamint az ramkr regedse (#3). (Meg kell jegyezni, hogy a drift meghatrozsban a szak-irodalom nem egysges.)

(#1) A hhmmrrsskklleett vvllttoozzssaa mmiiaatttt bbeekkvveettkkeezz ooffsszzeett vvnnddoorrllss oka a

kapcsolst felpt alkatrszek hmrsklet rzkenysgben keresend. Elssorban az aktv alkatrszek munkapontja vltozik meg.

A munkapontot szmotteven befolysolja tbbek kztt a bzis-emitter dida nyitirny feszltsgnek -2,2 mV/C-os vltozsa, a lezrt kollektor-bzis dida zrirny ramnak exponencilis hmrskletfg-gse, tovbb a bipolris tranzisztorok ramerstsi tnyezjnek (integ-rlt ramkri kivitel mellett) nhny tized %/C-os nvekedse. A trve-zrls tranzisztorok (FET-ek) szintn ersen hmrsklet rzkeny esz-kzk.

Udo BEMENETI HMRSKLETI FESZLTSG DRIFT (input offset voltage drift)

Bemeneti hmrskleti feszltsg drift alatt a bemeneti ofszet-feszltsgnek a krnyezeti hmrsklet hatsra bekvetkez megvl-tozst rtjk. Szoksos rtke 3-10 V/C.

(A bipolris kapcsolsok ofszetje kinullzs utn az alacsonyabb drift miatt alig vltozik, addig az eredetileg hasonl ofszettel rendelkez trvezrls eszkzket alkalmaz bemeneti fokozatok a FET-ek nagyobb hmr-sklet rzkenysgbl kvetkez nagyobb drift miatt szmottev ofszet hibt mutathatnak a hmrsklet megvltozsa sorn.)




Ido BEMENETI HMRSKLETI RAM DRIFT (input offset current drift)

Bemeneti hmrskleti ram drift alatt a bemeneti ofszet ramnak a krnyezeti hmrsklet hatsra bekvetkez megvltozst rtjk. rtke bipolris kivitel mveleti erstk esetn nhny tized nA/C, trvezrls eszkzkbl kialaktott bemeneti fokozattal rendelkez mveleti erstknl tz-szz pA/C.

(#2) Az ofszet-vndorls msik oka a tpfeszltsg megvltozsa miatt

bekvetkez munkapont-eltoldsbl ered.

UdT TPFESZLTSG DRIFT (supply voltage sensitivity)

Tpfeszltsg drift alatt az 1 V tpfeszltsg vltozs hatsra bek-vetkez bemeneti ofszet feszltsg vltozst rtjk. Gyakorlati rtke 10 s 100 V/V kz esik. Ez elegenden nagy lehet ahhoz, hogy kapcsolsunk hibtlanul m-kdjn stabilizlatlan tpfeszltsgrl is, de nem szabad megfeledkez-ni arrl, hogy az elbbi, ltalban egyenfeszltsgen mrt rtk a frek-vencia nvekedsvel gyorsan romlik.

(#3) A harmadik driftet okoz jelensg a kapcsols regedse. ltal-

ban nem tallunk erre utal katalgusjellemzt. Az ofszet feszltsg az id fggvnyben nagysgrendileg 1-2 V/hnap vltozst mutat.

Utmax MAXIMLIS TPFESZLTSG (maximum supply voltage)

Az a maximlis tpfeszltsg rtk, melyet a mveleti erstre adva a kapcsols nem krosodik. Az analg ramkri technika nagyon gyak-ran 15 V-os tpelltst ignyel, ezrt a mveleti erstk tbbsge a biztonsgi tartalk miatt kb. 18 V-os maximlis tpfeszltsget visel el krosods nlkl. Ki kell hangslyozni, hogy a katalgusokban megadott Utmax rtkek valban hatradatok, nem clszer ksrletezni velk.




Utmin MINIMLIS TPFESZLTSG (minimum supply voltage)

Az a minimlis tpfeszltsg rtk, melynl a mveleti erst mr zemszeren mkdik. Fleg telepes vagy akkumultorrl dolgoz kapcsolsok esetn nyjt rtkes informcit ez az adat. Lteznek olyan CMOS technolgij mveleti erstk, melyek mr 0,5 V-os tpfeszltsgrl mkdnek, termszetesen elssorban a mkdsi sebessget illeten ers kompromisszumokkal.

SVRR TPFESZLTSG ELNYOMSI TNYEZ

(supply voltage rejection ratio)

A tpfeszltsg elnyomsi tnyez a tpfeszltsg drift s az azt ltre-hoz tpfeszltsg vltozs hnyadosa. Ekkor V/V-ban adjk meg rtkt, mely 100 V/V krli. Amikor dB-ben ltjuk kifejezve, akkor az elz rtk reciproknak hsszoros logaritmust adjk meg, s ez esetben rtke hozzvetleg 80 dB.

Ukimax MAXIMLIS KIMENETI FESZLTSG (maximum peak output voltage swing )

Meghatrozott torzts mellett terhel ellenlls nlkl vagy adott ter-hels esetn a kimeneti cscsfeszltsg maximlis rtke. rtke a mveleti erstk felptsbl kvetkezen mivel leggyakrabban komplementer emitterkvet vgfokozatot alkalmaznak ltalban csak 2-3 V-ra tudja megkzelteni a tpfeszltsget. Vannak azonban MOS vagy CMOS vgfokozattal rendelkez olyan un. Rail to Rail ramkrk, melyek gyakorlatilag a tpfeszltsg hatrokig kivezrelhe-tk.

Ez az rtk ersen fgg a kimenetre kapcsolt terhel ellenlls rtk-tl. A katalgusok ltalban grafikusan ismertetik a maximlis kimene-ti feszltsg vltozst a terhel ellenlls fggvnyben.

Ikimax MAXIMLIS KIMENETI RAM

(maximum output current)

A mveleti erstk szinte kivtel nlkl vdettek a kimeneti rvidzr-ral szemben. Ez a rvidzr vdelem megakadlyozza, hogy a mveleti erst a megnvekedett kimeneti ram okozta disszipci miatt tnk-




remenjen. Mivel a szoksos tokozsi formk 500-600 mW maximlis disszipcira kpesek, ezrt figyelembe vve a tpfeszltsget a mveleti erstk maximlis kimeneti ramt kb. 20-30 mA-es rtkre korltozzk. Ekkora kimeneti ramot a kapcsols gyakorlatilag korlt-lan ideig kpes krosods nlkl elviselni.

SR MAXIMLIS (kimeneti) JELVLTOZSI SEBESSG

(slew rate)

A kimeneti feszltsg maximlis jelvltozsi sebessge a mveleti er-stk egyik legfontosabb paramtere. rtkt V/s-ban adjk meg. A gyors mkdsre kifejlesztett mveleti erstk ma mr 10 000 V/s-os slew rate rtkre kpesek. A kimeneti feszltsg maximlis jelvltozsi sebessge kls kompenzls ramkrk esetn jelent-sen befolysolhat a kompenzl elemekkel. (Nagyon gyakran az angol megfeleljt hasznljuk akr az rott, akr a beszlt szakmai nyelvben.)

fkv KIVEZRLS-HATRFREKVENCIA

(maximum output swing bandwith)

Az a maximlis frekvenciartk, melynl a kapcsols a maximlis ki-meneti feszltsget (Ukimax) adott torzts mellett mg szolgltatni kpes. rtke tipikusan nhny 100 kHz.

A mveleti erstk maximlis kimeneti feszltsge, maximlis ki-meneti jelvltozsi sebessge s kivezrls-hatrfrekvencija szoros kap-csolatban ll egymssal, ugyanis

max2 kikv UfSR = A maximlis kimeneti feszltsg vltozst a frekvencia fggv-

nyben a 2.8. grafikon mutatja.




2.8. bra. A kivezrls vltozsa a frekvencia fggvnyben

A kivezrls-hatrfrekvencinl gyorsabb bemeneti jelek esetn nemcsak a kimeneti jel maximlis amplitdja cskken le, hanem a kime-neti feszltsg jellegzetesen torzulni is fog. Ettl a frekvencitl kezdve mr a kimeneti jel a slew rate (a maximlis kimeneti jelvltozsi sebessg) ltal korltozott sebessggel kpes csak kvetni a vezrljelet, ezrt a ki-meneti jel fokozatosan "hromszgesedni fog".

fo NYILTHURK FESZLTSGERSTS HATRFREKVENCIJA

(open loop bandwith)

Azt a frekvencit rtjk a nylthurk feszltsgersts hatr-frekvencijn, melynl szimmetrikus bemeneti jel mellett a mveleti erst visszacsatols nlkli feszltsgerstse terheletlen kimenet vagy adott terhel ellenlls esetn az alacsonyfrekvencin mrt rt-khez kpest 3 dB-lel cskken. Ez az rtk gyakran meglepen ala-csony, esetleg nhny Hz. (2.9. bra)




2.9. bra. A nylthurk feszltsgersts frekvenciamenete kompenzlatlan s bels kompenzlt mveleti erst esetn

A kompenzlatlan (vagy kls kompenzlt) mveleti erstk visz-szacsatols nlkl instabilak, gerjednek. Ahhoz, hogy a mveleti erst visszacsatols nlkl is stabil maradjon, olyan frekvenciakompenzcit kell alkalmazni, mely egyetlen dominns trspontot eredmnyez. (Ilyenek a bels kompenzlt mveleti erstk.) A tbb szzezerszeres nylthurk feszltsgersts mellett ezrt ez a dominns trspont nagyon alacsony frekvencira esik.

Egyetlen dominns trsponttal rendelkez mveleti erst esetn a fe-szltsgersts s az ehhez tartoz hatrfrekvencia szorzata, az un. svj-sg lland. Pldul

200 000 5 Hz = 1 000 1 kHz = 1 1 MHz

f1 EGYSGNYI FESZLTSG- ERSTSHEZ TARTOZ HATRFREKVENCIA (unity gain frequency)

Azt a frekvencit rtjk alatta, melynl szimmetrikus bemeneti jel mel-lett a mveleti erst visszacsatols nlkli feszltsgerstsnek ab-szolt-rtke terheletlen kimenet vagy adott terhel ellenlls esetn




egysgnyire cskken. A jelenlegi ramkrk egysgnyi feszltsgers-tshez tartoz hatrfrekvencija a nhny szz MHz-es tartomnyba esik.

T ZEMI HMRSKLETTARTOMNY

(operating temperature range)

Azt a hmrsklettartomnyt rtjk alatta, melyben a gyrt garancit vllal arra, hogy az eszkzre megadott paramterek egy trsmezn bell maradnak vagy a megadott hatrrtknl jobbak.

A gyakorlatban hrom hmrsklettartomnyt definilnak. Ezek:

a) 0 C-tl + 70 C-ig kommersz, (hztartsi, otthoni) hasznlatra sznt berendezsekhez,

b) -25 C-tl + 85 C-ig ipari berendezsek szmra s c) -55 C-tl + 125 C-ig katonai, hadiipari felhasznlsra. Sajnos minden paramtert valamennyi eszkzn nem mrnek ki a gyrtk, ezrt klnleges hmrskleti viszonyok kztt vagy nagy megbzhatsgi ignyekkel mkd berendezsek ellltsa megk-vetelheti a felhasznl tovbbi tesztjeit is.

Szmtalan egyb katalgusjellemz ltezik mg az itt felsoroltakon

kvl, melyekre a terjedelmi korltok miatt nem trhetnk ki. Adott fel-hasznlsi ignyek esetn ezek azonban meghatroz jelentsggel brhat-nak, mint pldul a zajparamterek, a meghibsodsi arny, az eszkz tranziens viselkedse vagy torztsi paramterei, de szintn nagyon fontos paramter az alkatrsz kiviteli formja, tokozsa, lbkiosztsa stb.

Vgl, de nem utolssorban, nem hagyhatjuk figyelmen kvl az alkatrsz beszerzsi kltsgeit vagy a szlltsi feltteleket. s, br ezek nem szigoran mszaki krdsek, egy gyakorl mrnknek ismernie kell ezeket a feltteleket is.

Elektronika II. A mveleti erstk tpusai



3. A mveleti erstk tpusai

A mveleti erstk csoportostsa tbbfle szempont alapjn le-hetsges.

Technolgiai szempontbl lteznek:

tisztn bipolris (A 709, A 741, A 748, A 776, A 777, LM 308, LM 324, OP 37, TCA 365, NE 5539, HA 2539 stb.),

bipolris s j-FET vagy bifet (A 740, LF 356, TL 071, TL 080, BB 3580, HA 5160 stb.), bipolris s MOS-FET vagy bimos (CA 3130, CA 3140, CA 3160

stb.), csak MOS-FET (n- s p-csatorns egytt), ezrt CMOS (ICL 7610,

TLC 251 , OP-80 stb.) s hibrid (AD 515, BB 3554, BB 3583, CLC 103 stb.)

mveleti erstk.

Felhasznls szerint megklnbztetnk:

univerzlis vagy ltalnos cl (A 741, A 748, LM 308, LF 356, CA 3130, CA 3160, LM 324, TL 080, OPA 27 stb.)

kis fogyaszts (LM 324, TL 061, TLC 251, ICL 7610 stb.) kis ofszet feszltsg (A 714, ICL 7600, OP 37, OPA 177 stb.) kis bemen ram (AD 515, OPA 128, OPA 129 stb.) kis zaj (TL 071, OPA 36 stb.) nagy kimen ram (TCA 365, BB 3571 stb.) nagy kimeneti feszltsg (BB 3580, BB 3583 stb.) a teljes tpfeszltsg hatrig kivezrelhet (rail to rail, pl. OPA 4340) gyors vagy nagy svszlessg (NE 5539, HA 2539, CLC 103,

BB 3554 stb.), ezen bell feszltsg-visszacsatolt (VFB), illetve ramvisszacsatolt (CFB), vgl

specilis cl (audio, OTA, stb.) tpusokat.




Gyakran elfordul, hogy azonos tpus mveleti erstket kln-bz tokozsi formkban is beszerezhetjk (kr alak fmtokozs, DIL 14, DIL 8, DIP 8 stb.). Srn tallkozhatunk olyan ramkrkkel is, melyeknl egyetlen tokban kett, st ngy mveleti erst is helyet foglal.

egy (single) kett (dual) ngy (quad) A 741 A 747 CA 3160 CA 3260 LM 158 LM 124 TL 071 TL 072 TL 074, TL 075 TLC 251 TLC 252 TLC 254 OPA 130 OPA 2130 OPA 4130 ICL7611 ICL 7621 ICL 7641 A gyakran elfordul DIL 14 , illetve DIL 8 tokozsok lbkioszt-st a kvetkez brk mutatjk (3.1, 3.2, 3.3 s 3.4. brk):

3.1. bra. A 14, illetve a 8 lb DIL (dual in line) tokozs, egy erstt

tartalmaz (single) mveleti erstk leggyakoribb lbkiosztsa (NC, azaz not connected, magyarul nincs bektve)




3.2. bra. A 14, illetve a 8 lb DIL (dual in line) tokozs ketts (dual) mveleti erstk lbkiosztsa (NC, azaz not connected, magyarul nincs

bektve)

3.3. bra. A 14 lb DIL (dual in line) tokozs, ngy erstt tartalmaz

(quad) mveleti erstk leggyakoribb lbkiosztsa




3.4. bra. A 14 lb DIL (dual in line) tokozs, ngy erstt tartalmaz

(quad) mveleti erstk egy msik lehetsges lbkiosztsa

A bels kompenzlt mveleti erstk esetn a 3.1. brn meg-adott kiviteli formk esetn a komp. (frekvenciakompenzlsra szolgl) kivezetsek rtelmket vesztik.

A mveleti erstk szles vlasztkban termszetesen szp szmmal lteznek a fentiektl eltr lbkioszts erstk is. Ezek az esz-kzk gyakran valamilyen egyb tulajdonsggal rendelkeznek (pldul specilis frekvenciakompenzci vagy frekvenciamenet kialaktsnak le-hetsge, tpram-felvtel belltsa, az eszkz letiltsa stb.), melyekhez szksg volt tovbbi kivezetsekre, illetve szksgess tettk a lbkioszts mdostst.

3.1. CA 3095E A CA 3095E integrlt tranzisztorcsoport nem tekinthet valdi mveleti erstnek, inkbb egy ksrletnek arra vonatkozlag, hogy a flvezet elemek egy chipen trtn elhelyezsvel mennyiben javthatk az erst paramterei a diszkrt kivitelhez kpest. A DIL 16 tokban elhe-lyezett alkatrszeket s a kivezetsek bektsi pontjait a 3.5. bra mutatja. Mint lthat, az eszkzbe nem integrltak bele egyetlen egy passzv alkat-rszt sem.




A Q1 s Q2 tranzisztorok keskeny bzisszlessggel rendelkez un. szuper--j tranzisztorok. ramerstsi tnyezjk meghaladja az ezret is. Ennek a nagyon elnys tulajdonsgnak azonban vannak htr-nyos kvetkezmnyei is. A nagyon keskeny bzisszlessg miatt a tranzisz-torok norml aktv zemmdban megszokott lezrt kollektor-bzis did-ja knnyen letrik, mely az eszkz tnkremenetelhez vezet. Olyan kap-csolsi megoldst kellett alkalmazni, mely megvdi Q1 s Q2 kollektor-bzis didjt a nagyobb zrirny elfesztstl.

3.5. bra. A CA 3095E tranzisztorcsoport

A bemeneti fokozat ezrt egy kaszkd differencilerst kapcso-lst alkot (Q1-Q2-Q3-Q4), mely a nagyfrekvencis tulajdonsgok miatt is kedvez. A D1, D2 s Q5-bl ll feszltsghatrol kapcsolsi rszlet (voltage limiting network VLN) feladata, hogy a klnbz vezrlsek mellett se nvekedjk a Q1 s Q2 tranzisztorok kollektor feszltsge jval a bzis feszltsgek fl s a kollektor-bzis didk zrirny elfesztse ezltal jl kzben tarthat legyen. A tokozsba integrlt tovbbi tranzisztorokkal (Q6-Q7-Q8) jabb erst fokozatok valsthatk meg.




Passzv elemekkel kiegsztve a fenti alkatrszekkel j minsg, kiszaj erst kapcsolst kszthetnk. Egy lehetsges sszelltst mutat a 3.6. bra. Ennek a kapcsolsnak a szuper--j tranzisztoroknak ksznhet-en nagy bemeneti ellenllsa lesz, 20 s 50 M kztti rtkeket vrha-tunk. A bemeneti fokozat munkapontjnak meghatrozshoz az R7-R8 feszltsgosztbl kell kiindulnunk. Q2 bzisramnak elhanyagolsa mel-lett Q2 bzisfeszltsge 4 V krli. gy Q1 s Q2 kzs emitter feszlts-ge ennl egy nyitott bzis-emitter didnyi feszltsggel alacsonyabb. Az R1 ellenllson ezrt 8,5 A-es ram alakul ki. A kaszkd differencilerst egyik-egyik gn kb. 4-4 A fog folyni. Q1 s Q2 legalbb ezres ramerstsi tnyezje esetn ezen tran-zisztorok bzisrama kisebb lesz 4 nA-nl! A nagyon alacsony munkaponti ramok mellett a tranzisztorok meredeksge is kicsi lesz. Ahhoz, hogy az ersts mgse cskkenjen jelentsen, nagy kollektor ellenllst R2-t kellett alkalmazni, ez esetben 820 k-t.

3.6. bra. Erst kialaktsa a CA 3095E tranzisztorcsoport elemeinek felhasznlsval




A bemeneti fokozat kimeneti ellenllsa R2 miatt nagy, ezrt a k-vetkez fokozat egy kzs kollektoros impedancia illeszt kapcsols, Q5 tranzisztorral. Ennek feszltsgerstse kzel egysgnyi. A jel innt a Q6-Q7 tranzisztorokra kerl, mely aszimmetrikusan vezrelt differencil-erstnek tekinthet. A kimenet a Q7-es kzs bzis tranzisztor kollek-tora lesz. A kapcsols kimeneti ellenllsa a negatv soros feszltsg-visszacsatols miatt 400 ohm alatti. A kapcsols feszltsgerstst is az R6-R7-R8 visszacsatol hlzat hatrozza meg, mely

[2 M + (100 k x 200 k)] / (100 k x 200 k) = 31,3 Ez kb. 30 dB-es feszltsg erstsnek felel meg. Az erst hatr-frekvencija 50 kHz.

3.2. A 709 (Fairchild) Az els integrlt mveleti erstket a Texas Instruments (SN 521, 1962-ben) s a Fairchild (A 702, 1963-ban) hozta ltre. Az 1965-ben megjelent A 709 a A 702 tovbbfejlesztett vltozata. Mg a A 702 kizrlag npn tranzisztorokkal kszlt, a A 709 mr kt pnp tranzisztort is tartalmazott. Az egyik egy laterlis pnp tranzisztor (Q9), a msik pedig vertiklis kialakts (Q13). A A 709 kapcsolsi rajzt a 3.7. bra mutatja. A kapcsols bemeneti fokozata a Q1 s Q2 tranzisztorokbl fel-pl differencilerst. Ennek ramgenertora a Q11-es tranzisztorbl s az R9-es ellenllsbl ll. A differencilerst terhelst az R3 s R4 ellenllsok alkotjk a kvetkez fokozat bemeneti ellenllsval egytt. A fokozat feszltsgerstse kb. 15. Az els differencilerstt egy jabb, de mr Darlington tranzisz-tor-prokbl kialaktott differencilerst kveti. Tagjai a Q3-Q5 s a Q4-Q6 tranzisztorok. ramgenertorknt a Q10-es tranzisztor szolgl R7 s R8 ellenllsokon keresztl. Q10 a Q11-es tranzisztor ramtkr prja, azonban az R9 ellenl-ls miatt Q11 kevsb van nyitva, mint Q10, ezrt az els differenciler-st kisebb rammal dolgozik. Ez a nagyobb bemeneti ellenlls miatt l-nyeges.




3.7. bra. A A 709-es mveleti erst

Az els differencilerst kis munkaponti ramt s az ezzel jr

alacsony meredeksget nagy kollektor ellenllsokkal igyekeztek ptolni a megfelel feszltsgersts elrse rdekben. A nagy kollektor-ellenllsok azonban megnveltk a fokozat kimeneti ellenllst. Ezt a htrnyt csak Darlington kialakts s ezrt nagy bemeneti ellenlls kvetkez fokozattal lehetett kikszblni. A didnak kapcsolt Q15-s tranzisztor hkompenzl szerepet tlt be. Ez a fokozat kb. szzszoros erstssel br.




A msodik differencilerst Q7-tel egytt fzissszegzknt viselkedik, melynek kimeneti jele a Q8-as, egyszeres ersts kzs kol-lektoros, impedancia illeszt kapcsolsra kerl. Q8 emitterrl a jel Q9 laterlis pnp tranzisztorra jut, mely kzs bzis belltsban hajtja meg a Q12-es kzs emitteres tranzisztort. Innen jelents feszltsgersts utn a B-osztlyban mkd komplementer vgfokozatra kerl a jel, melyet a Q13 s Q14 tranzisztorok alkotnak. A B-osztly bellts miatt a kimenet kt bzis-emitter didnyi holtznval rendelkezne, de ez az R14-es ellenllssal megvalstott nega-tv prhuzamos feszltsg-visszacsatols miatt 50 mV-ra cskken. A kimeneti fokozat nagyon rvid ideig (egy-kt msodpercig) elvi-seli a kimeneti rvidzrat, de a kimeneti tranzisztorok fokozott meleged-se miatt az eszkz gyorsan tnkremehet. A kapcsolst a stabil mkds rdekben frekvenciakompenzci-val kell elltni. Erre hrom lehetsg is knlkozik:

az 1-es s 8-as kivezetsek kz kttt kapacitssal vagy R-C krrel, az 5-s s a 6-os kivezetsek kz kapcsolt kapacitssal, s/vagy a bemenettel prhuzamosan (2-es s 3-as kivezetsek kz) kapcsolt

R-C elemekkel.

Az sszefggsek rszletes megadsa meghaladja e jegyzet kereteit.

A A 709 fbb katalgusadatait az albbi tblzat tartalmazza: Rbes Rki Auo Ubo SR fkv

400 k 150 92 dB 1 mV 0,25 V/s 4 kHz A tblzatban megadott maximlis kimeneti jelvltozsi sebessg (SR, slew rate) s a kivezrls hatrfrekvencia (fkv) adatok a visszacsatolt, egyszeres feszltsgersts esetre rtendk. Ezek az adatok a kapcsols frekvencia-kompenzcijval jelentsen javthatk. A A 709-ben ofszet nullzsra nincs lehetsg. Nagy htrnya mg, hogy feszltsgkvetknt alkalmazva amikor a kimenet kzvetle-nl az invertl bemenetre kapcsoldik reteszelds kvetkezik be (latch up).




3.3. A 741 (Fairchild) A 3.8. brn a A 741-es mveleti erst elvi felptst lthatjuk. A kapcsols hrom rszegysgre bonthat: a fzissszegz bemeneti fo-kozatra, a kzs emitteres ferst fokozatra s a komplementer emitterkvet vgfokozatra. Ez a kialakts sok ksbbi mveleti erst mintjul szolglt.

3.8. bra. A A 741 elvi felptse

A A 741 rszletesebb kapcsolsi rajzt a 3.9. bra mutatja. A be-meneti fokozat a Q1-Q8 tranzisztorokbl pl fel. Q1 s Q2 npn tranzisz-torok kzs kollektoros belltsban mkdnek. Szerepk elssorban a nagy ramersts a nagy bemeneti ellenlls kialaktsa mellett. Rluk a jel a Q3, illetve a Q4-es pnp tranzisztorok emitterre kerl, melyek kzs bzis alapkapcsolsok. (Ezek valjban az ramerstsi tnyez stabili-zlsa miatt un. szegmensvisszacsatolt laterlis pnp tranzisztorok.) sszessgben a Q1-Q3 s a Q2-Q4 tranzisztorprok komple-menter kaszkd kapcsolsok, melyekrl tudjuk, hogy nagyfrekvencis tu-lajdonsgaik jobbak, mint az egyszer kzs emitteres kapcsolsnak.

E kt pr tranzisztorbl ll a bemeneti differencilerst, mely ebben a formjban a szinteltols feladatt is elltja. (Egyenfeszltsg er-




stnek csak npn tranzisztorokat alkalmazva s egyms utn sorba ktve ket a kimeneti potencil egyre pozitvabb lenne, ezrt valahol szintelto-lsra lenne egybknt szksg.) A komplementer kaszkd differencilerst (Q1-Q2-Q3-Q4) ramgenertora a Q8-as, didnak kttt tranzisztor. (A Q8-Q9 ramt-krre mg visszatrnk.) A bemeneti differencilerstnek tbb M differencilis ellenlls aktv terhelse van (Q5-Q6-Q7), mely egyben egy precz kivitel ramtkr is. gy a Q8 ramgenertor, a Q1-Q2-Q3-Q4 differencilerst s a Q5-Q6-Q7 ramtkr egytt fzissszegz kap-csolst alkotnak.

3.9. bra. A A 741 mveleti erst bels kapcsolsi rajza A bemeneti fokozat lehetsget teremt az ofszet hiba kiegyenlt-sre a Q5, illetve Q6 tranzisztorok emitter krben elhelyezett 1 k-os ellenllsok segtsgvel. A kapcsolsi megoldst a 3.10. bra mutatja. Az alkalmazott potenciomter rtke ltalban az emitter ellenllsok tzszere-se. Az R3 ellenllsra azrt van szksg, mert egybknt a Q7-es tranzisz-tor nagyon alacsony munkaponti rama bizonytalann tenn az ramtkr mkdst.




3.10. bra. Az ofszet hiba kiegyenltse a A 741 esetn

A jel tjt tovbb kvetve a Q4-Q6 kzs kollektorrl a Q16-Q17 Darlington tranzisztorprra jutunk. Ez a megolds nagy beme-neti ellenllsval biztostja, hogy az els fokozat terhelse kedvezbb legyen (ne legyen terhelve). A Q16-Q17 tranzisztorpr tekinthet a kap-csols ferstjnek. Az alapveten kzs emitteres kialakts aktv terhe-lsre dolgozik, mely a Q13-as ramgenertorbl ll. A A 741-nl jelenik meg elszr a chipre integrlt kompenzl kapacits. Mivel a kondenztor kialaktsa a chip felletn nagyon sok helyet foglal el (teht kltsges), ezrt igyekeztek, hogy kapacitst s frek-venciamenetre gyakorolt hatst minl jobban kihasznljk. Ebben a m-sodik, nagy feszltsgersts fokozatban a bemeneti s a kimeneti pont kz kapcsolt 30 pF Miller-kondenztorknt viselkedve tbb szz-szorosra transzformldik. Hatsra a teljes kapcsols frekvenciamenete egyetlen trsponttal rendelkezik majd, mely biztostja egyszeres feszlt-sgersts mellett is a stabil mkdst. Ez a kapacits azonban korltozza a kapcsols kimeneti feszlts-gnek maximlis jelvltozsi sebessgt, a "slew rate"-et. Vezrls nlkli llapotban a bemeneti differencilerst egyik-egyik gn kb. 10-10 A folyik. A fzissszegzs miatt a teljesen egyik oldalra billentett fokozat maximlisan kb. 20 A-rel kpes tlteni a kompenzl 30 pF-os kapaci-tst.




A msodik fokozat kimeneti feszltsgvltozsa ezrt maximlisan

20 A / 30 pF 0,6 V /s lesz legjobb esetben. Gyakorlatilag ez jelenik meg a teljes erst kimene-tn is, mert a vgfokozat feszltsget mr nem, csak ramot erst. A jel tja a msodik, ferst fokozatrl a komplementer emitterkvet vgfokozatra vezet, melyet a Q14-es npn s a Q20-as pnp tranzisztorok alkotnak. A fokozat AB-osztly munkapont belltsrl a Q18-as tranzisztor gondoskodik az R6 s R7-es ellenllsokkal egytt. Ez a megolds holtzna nlkl, j hatsfokkal kpes szolgltatni a kimeneti jelet, mely kzel szimmetrikus kivezrelhetsg mellett a terhelstl fg-gen 2-3 V-ra kpes megkzelteni a tpfeszltsget. A vgtranzisztorok a kimeneti rvidzrral szemben vdettek. Ha Q14-es emitter rama veszlyesen megnne, akkor ez az R11-es ellenll-son olyan feszltsgesst eredmnyezne, mely elrve a Q15-s tranzisztor nyitfeszltsgt, nyitsba vezreln Q15-t. gy Q14-es bzisramnak egy rsze Q15-n folyna keresztl s megakadlyozn Q14 tovbbi ram-nvekedst, ezltal melegedst s tnkremenetelt. A msik vgtranzisz-tor, Q20-as vdelmrl kzvetve a Q19-es tranzisztor s az R9-es el-lenlls gondoskodik. Ezek megakadlyozzk a ferst fokozat tlvezr-lst s ezltal Q20 tlmelegedst. A teljes kapcsols erteljes ksrletet tesz arra, hogy cskkentsk a passzv elemek szmt s nveljk az aktv elemek mennyisgt. A korb-bi ramkrkben ltalban nagyszm, olcs passzv elemet s kevs, dr-ga aktv eszkzt lthatunk. Ez jellemzi az elektroncsvek s a diszkrt aktv elemek korszakt is. Jelents vltozst hozott azonban a planr technolgia bevezetse, mert itt a passzv elemek relatve magasabb kltsggel llthatk el, mint az aktv alkatrszek. Ugyanebbe az irnyba hatott, hogy a passzv alkatr-szek integrlt kivitelben csak ersen korltozott rtktartomnyt vehettek fel, s paramtereik is ersen szrtak. (Relatv, egymshoz viszonytott rtkeik ltalban jk voltak, de valdi rtkk gyakran 20 %-nl is jobban eltrt a nvlegestl.) Az aktv alkatrszek azonban, mivel egyazon techno-lgiai lpssorozatban kszltek, nagyon hasonl paramtereket mutattak. Mindez egyttvve oda vezetett, hogy a mveleti erstk munkapontjt ramtkr-lncokkal igyekeztek belltani. A A 741 munkaponti ramait dnten a didnak kapcsolt Q12 s Q11 tranzisztorok s az R5-s ellenlls hatrozzk meg. Az R5-n es feszltsg ppen kt bzis-emitter dida nyitfeszltsgvel kisebb, mint a




tpfeszltsg tartomny. 15 V-os tpfeszltsget felttelezve ezrt a rajta foly ram kb. 700 A lesz. Q12 tovbb Q13 ramtkr-prja is, gy a ferst fokozat szin-tn kb. 700 A rammal jr. Q10 s Q11 szintn ramtkr pr, de tttelk nem egy az egyes. Q10 bzis-emitter feszltsge kisebb az R4 ellenllson es feszltsg miatt, ezrt Q10 kevsb nyitott, kollektor rama kisebb lesz, csak kb. 20 A. Gyakorlatilag ez az ram folyik Q9-es s ezrt Q8-on is. A munkaponti ramokkal kapcsolatos a bemeneti fokozat egy to-vbbi rdekes tulajdonsga is. Ttelezzk fel, hogy a bemenetekre nvek-v feszltsg kzs vezrlst adunk! Ekkor Q1 s Q2 a nyits irnyba halad, rajtuk nagyobb ram szeretne folyni. Ez csak gy lehetsges, ha Q3 s Q4 rama is nne, ami felttelezn ezen egybknt alacsony ramer-stsi tnyezvel rendelkez tranzisztorok bzisramnak a nvekedst is. Ez viszont csak Q9 ramnak a rovsra nhetne meg, mivel Q10 ramgenertor. Q9 ramnak cskkense viszont Q8 ramnak a cskke-nshez vezet, ami Q1 s Q2 ramt is cskkenteni igyekszik. Ez a negatv visszacsatols a kzs vezrljelek hatsnak erteljes elnyomst idzi el, teht jobb CMRR rtket eredmnyez. A A 741 mveleti erst legfontosabb katalgusadatait az albbi tblzat foglalja ssze:

Rbes Rki Auo Ubo SR fkv

2 M 75 106 dB 1 mV 0,5 V/s 6,1 kHz

3.4. A 748 (Fairchild) A A 748-as mveleti erst a A 741-es kapcsols bels kom-penzl kapacits nlkli prja. A bels frekvenciakompenzls megkmli ugyan a felhasznlt a kompenzl hlzat elksztstl, de gyakran feles-legesen korltozza a kapcsols sebessgt (slew rate-jt) s erstst a magasabb frekvenciatartomnyokban.




A bels kompenzl kapacits hinya szksgess tette a kls kompenzls lehetsgnek megteremtst, azaz kt j kivezetst az esz-kz tokozsn. Ez a korbbi lbakkal egytt mr kilenc kivezetst jelentett volna, mely nem illeszthet a gyakran alkalmazott DIL 8 tokozsi form-ba. Ezrt a A 741-nl megismert ofszet-kompenzci mdostsval itt hrom kivezets szolgl az ofszet- s a frekvenciakompenzls kls alkat-rszeinek csatlakoztatsra.

Ez azzal a jelents htrnnyal jrt, hogy az ofszet kompenzls a jel tjba kerlt s csak nagyimpedancis potenciomter hasznlhat hoz-z, mely jrulkos zajforrsknt viselkedik.

3.11. bra. A A 748 bels kapcsolsi rajza

A A 748 katalgusadatai megegyeznek a A 741-vel azzal a k-lnbsggel, hogy a klnbz kls frekvenciakompenzlsi megoldsok-kal a kapcsols svszlessge s maximlis kimeneti jelvltozsi sebessge (slew rate-je) javthat.




3.5. A 777 (Fairchild) A A 777-es mveleti erst a A 748-as tovbbfejlesztett vlto-zata. Felptst a 3.12. brn lthatjuk. A bemeneti fokozat csak a kapcsolsi rajzon egyezik meg, valj-ban Q1 s Q2 tranzisztorok preczebb kialaktsval kisebb munkaponti ramokkal nagyobb bemeneti ellenllst s kisebb ofszet s drift para-mtereket sikerlt elrni. Tovbbi jelents vltozs, hogy a bemeneti fzissszegz kapcso-lst (Q1-tl Q8-ig) egy kzs kollektoros impedancia levlaszt fokozat kveti (Q16). Ezutn a jel a Q17-es aktv terhelses (Q13) kzs emitteres ferst fokozatra kerl.

3.12. bra. A A 777 bels kapcsolsi rajza Ezt a fokozatot egy jabb, de itt mr pnp tranzisztoros kzs kol-lektoros kapcsols (Q22) illeszti a komplementer vgfokozathoz (Q14-Q20). Ezzel a megoldssal tovbb nvekedett a kapcsols feszlt-sg-erstse.




A Q22-es multiemitteres tranzisztornak ezen kvl ms feladata is van. Msodik emitter-bzis didja megakadlyozza a ferst fokozat (Q17) teltsbe kerlst egy esetleges tlvezrls ltal. A kapcsols vgfokozatnak AB-osztly munkapont belltst Q18-Q19-R10 komplexum vgzi. Q14 rvidzr vdelmt Q15-R6 ltja el, mg a Q20-as tranzisztort a Q21-R12-Q24-Q23 lnc vdi meg egy esetleges tlmelegeds miatti tnkremeneteltl. A A 777 mveleti erst legfontosabb katalgusadatait az albbi tblzat foglalja ssze:


10 M 100 108 dB 0,7 mV 0,5 V/s 6,1 kHz

Nem rt ha tudjuk, hogy a gyrtk a A 777-nek sznt, de annak paramtereit (mindenben) teljesteni nem tud pldnyokat A 748-knt forgalmazzk, ha egybknt a A 748-ra elrt feltteleknek megfelel.

3.6. A 776 (Fairchild) A A 741 univerzlis kialaktsa s alkatrszkszletnek teljes in-tegrlsa nem adott mdot a kapcsolsban rejl lehetsgek teljes kr kihasznlsra. Ehhez hozz kellett volna frni a kapcsols bels rszei-hez, elssorban a munkapont belltshoz. Ezt az ignyt igyekezett kielg-teni a A 741 alkatrszkszletre pl A 776-os mveleti erst. Kap-csolsi rajzt a 3.13. bra mutatja. A leglnyegesebb eltrs az eddigi kapcsolsokhoz kpest, hogy a 8-as lbon hozzfrhetnk a kapcsols gramait meghatroz ramtkr-lnchoz. A 8-as lbat egy ellenllson keresztl a fldre kapcsolva szaba-don szablyozhatjuk a kapcsols szmtalan nagyon fontos paramtert, mint a bemeneti ellenllst, a nylthurk feszltsgerstst, a kimeneti feszltsg maximlis jelvltozsi sebessgt (a slew rate-et), a svszless-get, a tpram felvtelt s ezzel a kapcsols fogyasztst stb. St, a tp-ram megszntetsvel analg kapcsolt is kialakthatunk, s analg mul-tiplexert pthetnk segtsgvel.




3.13. bra. A A 776-os mveleti erst A A 776 bemeneti fokozata a mr jl ismert komplementer kaszkd differencilerst kapcsols, melyet a Q1-Q3-Q2-Q4-Q5-Q6 s Q14-es tranzisztorok alkotnak. Az ramtkr kialaktsa itt nem annyira precz, mint az elz kt kapcsols esetben. A jel a fzissszegz kimenetrl a Q7-es kzs kollektoros impe-dancia illeszt tranzisztorra kerl, majd a Q8-as szinteltol dida segts-gvel a Q9-es ferstre jut. Q9 aktv terhelsre (Q12) dolgoz kzs emitteres kapcsols nagy feszltsgerstssel. A Miller-elvet kihasznlva itt trtnik a frekvenciakompenzls is. A megfelel szintre erstett jel a Q9 kollektorrl a komplemen-ter emitterkvet vgfokozatra kerl. Az AB-osztly munkapont bellt-sa a Q21-Q22 s R3 alkatrszek feladata, melyek hkompenzlt feszltsg-genertort kpeznek. A vgfokozat mind aktv (Q23-R4, illetve Q24-R8), mind passzv (R5-R6-R7) rvidzr vdelemmel rendelkezik. Termszetesen a passzv rvidzr vdelem jelentsen megnveli a kapcsols kimeneti ellenllst.




3.14. bra. A A 776 mveleti erst szimmetrikus bemeneti ellenllsnak (a), nylthurk feszltsgerstsnek (b) s slew rate-jnek

(c) vltozsa az Is ram fggvnyben




A 8-as lb s a fld kz kapcsolt ellenllson a pozitv tpfeszlt-sgnl egy bzis-emitter didnyival (Q17) kevesebb feszltsg fog esni. Q17 rama Q13 ramtkr pron keresztl jut az impedancia illeszt s szinteltol Q7-Q8 tranzisztorokhoz, s Q12 szintn ramtkr pron t a fersthz (Q9). Q16 is ebbe az ramtkr-lncba kapcsoldik s rama Q18-Q19-Q15 tranzisztorokon t hatrozza meg a bemeneti fokozat Q14-es ramgenertornak munkapontjt. A 8-as lbon belltott Is ram a 3.14/a, b s c brkon lthat mdon befolysolja a kapcsols szimmetrikus bemeneti ellenllst, nylt-hurk feszltsgerstst s slew rate-jt. A kisebb munkaponti ramok mellett a bipolris tranzisztorok bzis-emitter didinak differencilis ellenllsa n (re=UT/IE), ezrt a tranzisztorok h11 paramterei (h11= rBB'+[+1]re) is nagyobb rtket vesz-nek fel. Ez maga utn vonja a bemeneti differencilerst szimmetrikus bemeneti ellenllsnak nvekedst is. Ez lthat a 3.14/a brn. A nagyobb munkaponti ramok a bipolris tranzisztorok meredek-sgt nveli (gm= IE/UT), ez pedig egyre nagyobb feszltsg-erstst eredmnyez, mert mind a kzs emitteres (hidegtett), mind a kzs bzi-s kapcsolsok feszltsgerstse egyenesen arnyos a gm-mel. Ez a fo-lyamat egy meghatrozott munkaponti ram mellett maximumot r el, ahogy azt a 3.14/b brn lthatjuk. A munkaponti ram rtke ersen befolysolja a kapcsols kime-neti feszltsgnek jelvltozsi sebessgt is. Ezt mutatja a 3.14/c bra. A szinte teljesen lineris kapcsolatot az magyarzza, hogy a munkaponti ram nvekedsvel egytt n a kompenzl kapacits tltsre szolgl ram rtke is, mely a slew rate-t dnten meghatrozza. (SR Io / Ckomp)

3.7. LM 108 (National Semiconductors) A mveleti erstk bemeneti ellenllst gy is nvelni lehet, hogy a bemeneti fokozatot un. keskenybzis tranzisztorokkal indtjuk, melyek ramerstsi tnyezje a tbb ezret is elrheti. Az ilyen tranzisztorokat szuper-- tranzisztoroknak is hvjuk. Egy erre az tletre ptett mveleti erstt, az LM 108-at lthatjuk a 3.15. brn.




3.15. bra. Szuper-- tranzisztorokat (Q1, Q2 s Q17) alkalmaz LM 108 mveleti erst

Ahogy a mrnki gyakorlatban megszokhattuk, az elnys tulaj-donsgok sajnos gyakran ms paramterek romlshoz vezetnek, vagy nem vrt problmkat vetnek fel. Ez a helyzet ezzel a mveleti erstvel is. A Q1 s Q2 szuper- tranzisztorokbl kialaktott bemeneti differenci-lerst kis munkaponti ramok (kb. 3-3 A ganknt) mellett minden korbbinl kedvezbb bemeneti ellenllssal rendelkezik, mely nvlegesen 70 M. Q1 s Q2 nagyon keskeny bzisvastagsga elg komoly feladat el lltotta a technolgusokat is, de a f gondot mgsem ez jelentette. A kes-keny bzis miatt ezek a tranzisztorok nagyon rzkenyek a kollektor-bzis dida zrirny elfesztsnek rtkre. Egy, esetleg nhny V elegend lehet a tranzisztor tnkremenetelhez. Ezrt kellett a kapcsolsi rajzon lthat sszetett megoldst alkalmazni.




Q1 a Q5-tel, mg Q2 a Q6-os tranzisztorral kaszkd kapcsolst ad, ngyen egytt pedig kaszkd differencilerstt alkotnak. A Q1-Q2 k-zs emittere s a Q5-Q6 kzs bzisa kz kapcsolt Q17 (szuper--) s Q18 pnp tranzisztorok a CA 3095E kapcsolshoz hasonlan feszlt-sghatrol szerepet tltenek be. Ennek ksznhet, hogy Q1 s Q2 kol-lektorai csak pr 10 mV-ra tvolodhatnak el Q1, illetve Q2 bzisfeszlts-gtl, ezrt ezeknek a didknak a letrstl nem kell tartani. A norml aktv mkdshez szksges pozitvabb kollektor feszltsget a Q17 s Q18 tranzisztorokon tfoly nagyobb ram (kb. 15 A), s ezltal a rajtuk es nagyobb feszltsgess biztostja. A szimmetrikus bemeneti jelekkel szemben ez a megolds nem nyjt vdelmet, ezrt ezt a feladatot a Q3 s Q4-es tranzisztorok ltjk el. (Az mr jabb problmt jelent, hogy ezek a tranzisztorok is vdelemre szorulnak egy-egy soros ellenllssal, ha a rajtuk tfoly ram meghaladn a 10 mA-t.) A kis ramok miatt a bemeneti fokozattl nem vrhatunk nagy erstst. A jel a Q5-s s Q6-os tranzisztorok kollektorrl szimmetriku-san megy tovbb. Q7 a Q9-cel, mg Q8 a Q10-es tranzisztorral alkot ramtkr prt, ezrt ezeken keresztl a jel a Q9-Q10 msodik differenci-lerstre jut. Ennek kzs emitter ramt az R3 ellenlls szolgltatja, mikzben ennek a differencilerstnek aktv ramtkr terhelse van Q13 s Q14 tranzisztorokkal. A teljes msodik fokozat ezrt fzissszegz kapcsolsknt viselkedik. Itt van lehetsgnk a kapcsols frekvenciame-netnek belltsra is a Q10 bzis-kollektor krbe kvlrl elhelyezett kompenzl kapacitssal. A kapcsols vgfokozata a mr ismert komplementer emitter-kvet Q15 s Q16 tranzisztorokkal, melyek a Q11 s Q12 didnak k-ttt tranzisztorok ltal meghatrozott AB-osztly munkapontban ze-melnek. A 3.15. brn ugyan nem lthat, de a kapcsols aktv rvidzr vdelemmel rendelkezik, mely kb. 5 mA-re korltozza a maximlis kime-neti ramt az erstnek. Ugyanilyen felpts az LM 108 kt "testvre", az LM 208 s az LM 308 is. A klnbsg abban mutatkozik, hogy az LM 108 a r elrt katalgusadatoknak a teljes -55C-tl +125C-ig terjed hmrsklet-tartomnyban megfelel s ezrt katonai alkalmazsokra ajnlott. Az LM 208 ezeket a paramtereket csak -25 C-tl +85 C-ig teljesti, s ezrt ipari berendezsekben clszer hasznlni ket. Mg az LM 308 a r jellem-z eleve gyengbb paramtereket is csak a 0 -70 C-os tartomnyban mu-tatja, ezrt csak kommersz clokra ajnlott.




Az LM 108 mveleti erst legfontosabb katalgusadatait az albbi tblzat foglalja ssze:


70 M 500 110 dB 0,8 mV 0,2 V/s 2 kHz

3.8. A 740 (Fairchild) A A 740 volt az els nagy szriban gyrtott mveleti erst, melynek bemenett p-csatorns j-FET-ek segtsgvel alaktottk ki. Meg-jelensekor nagy misztikum vezte, hiszen egyes paramterei korbban elkpzelhetetlenl j rtkeket mutattak. Kapcsolsi rajzt a 3.17. brn lthatjuk.

3.16. bra. A A 740-es mveleti erst bels felptse




A A 740 felptse nagyon hasonlt a A 741-es erst kapcso-lsra. A ferst, a frekvenciakompenzls s a vgerst kapcsolsi megoldsa teljesen a A 741-bl lett tvve. A klnbsg a bemeneti kr kialaktsban azonban jelents. A vezrljelet a J1 s J2 zrrteges trvezrls tranzisztorok (j-FET-ek) fogadjk, melyek kzel egysgnyi ersts kzs drain- bel-ltsban zemelnek. A bemeneteken tallhat lezrt p-n tmenetek 10 pA nagysgrend szivrgsi rama miatt a kapcsols szimmetrikus bemeneti ellenllsa 1012 ohm, ami 1 milli M! Ekkora rtket bipolris tranziszto-rokkal mg lmodni sem lehetett. A j-FET-ek aktv source-ellenllsa a Q5 s Q7 ramgenertorok. A FET-ek source-rl a jel egy differencilerstre kerl (Q3 s Q4), melyek kzs ramgenertora Q6, aktv terhelse pedig a Q8-Q9-Q10 tranzisztorokbl kialaktott preczis ramtkr. gy ez a fokozat tulajdonkppen egy fzissszegz kapcsols, melynek kimenete vezrli a mr ismert ferst fokozatot. Ennek a fzissszegz fokozatnak a munkaponti rama mr sem-milyen hatssal nincs a bemeneti ellenllsra, ezrt annak nagy rtken val tartsa miatt nem kell alacsony munkaponti ramokkal dolgoznia. A megnvelt ramok jelentsen felgyorstottk az ramkr mkdst s megnveltk a fokozat feszltsgerstst is. Kb. 90-100 A ram folyik a differencilerst egyik-egyik gn, azaz tzszer akkora, mint a A 741 esetben. Mivel a kompenzl kapaci-ts nem vltozott, a kapcsols slew rate-je ppen egy nagysgrenddel ntt, 6 V/s lett. (SR = Io/Ckomp 180 A/ 30 pF = 6 V/s). A teljes mveleti erst nylthurk feszltsgerstse pedig 10 dB-lel lett magasabb.

Sajnos a j-FET-ek alkalmazsa htrnyos tulajdonsgokkal is egytt jrt. Az elnys nagy bemeneti ellenlls s nagyon kicsi bemeneti ram mellett a bemeneti fokozat (elssorban a j-FET-ek) aszimmetrija miatt romlott a kzsjel-elnyomsi tnyez, egy nagysgrenddel na-gyobb lett az ofszet, s szintn a j-FET-ek nagyobb hmrskletfggse miatt 5-10-szeresre ntt a drift is.

Az ofszet hiba kiegyenltse a bemeneti j-FET-ek ramgenertora-inak source krben tallhat R1 s R3 ellenllsok prhuzamos sntlsvel vgezhet el. Ezrt a potenciomter kzplegazst itt a pozitv tpfeszltsgre kell ktni.




A A 740 mveleti erst legfontosabb katalgusadatait az albbi tblzat foglalja ssze:


1012 75 120 dB 10 mV 6 V/s 60 kHz

3.9. LF 356 (National Semiconductor) Az LF 356 szintn j-FET bemenet mveleti erst. Nagy slew rate-je miatt a '80-as vek kedvelt ramkre volt. Felptst a 3.17. kap-csolsi rajz mutatja.

3.17. bra. Az LF 356 mveleti erst bels kapcsolsi rajza

A bemeneti differencilerstt J1 s J2 p-csatorns j-FET-ek al-kotjk. Kzs ramgenertoruk Q1 multikollektoros tranzisztor, terhel-sk J10 s J11 szintn p-csatorns j-FET-ek, melyek ramgenertorknt vannak kapcsolva (UGS = 0 V). A FET-ek alkalmazsval a szimmetrikus bemeneti ellenlls itt is 1012 ohm. A munkaponti ramokat a bemeneti ellenllstl fggetlenl llthattk nagyobbra (ganknt 60-60 A-re), mely a kapcsolst jl rzkelheten felgyorstotta.




A jel szimmetrikusan halad tovbb a Q6 s a Q9 kzs kollektoros impedancia illeszt tranzisztorokra, majd a Q7 s Q8 tranzisztorokbl ll msodik differencilerstre. Ennek kzs ramgenertora a Q13-as tranzisztor. (Q12 szerepe a kzsjel-elnyomsi tnyez nvelse.) Fzis-sszegzst itt sem tallunk. A jel Q8 kollektorrl aszimmetrikusan halad tovbb a vgfokozat fel. Q2-es kzs kollektoros kapcsolsban mkd tranzisztor vezrli a Q3-as specilis kvzikomplementer vgfokozat fels tagjt. A gyengbb minsg pnp tranzisztorok kivltsa rdekben p-csatorns j-FET-et (J5-t) hasznltak, mely vezrls szempontjbl pnp-jellegv teszi a J5-Q10-Q11 lncot. D1 az AB-osztly munkapont belltsa miatt szk-sges. J9 ramgenertor D6-Q15 ramtkr segtsgvel a J5 FET ramt szolgltatja. A teljes kapcsols munkapontjnak belltsban mg a J4 FET, tovbb a D4-Q13 s a D5-Q14 ramtkrk segtenek. A kimenettel sorba kapcsolt 25 ohmos ellenlls a Q4-es tranzisz-torral egytt a rvidzr vdelemrl gondoskodik. Lezrjk Q2-t, ha a ki-meneti ram ltal az R1-en ejtett feszltsg nagyobb lenne Q4 bzis-emitter didjnak nyitfeszltsgnl. Ez Iki 25-30 mA-es rtknl kvetkezik be. A kapcsols ofszet hibjnak kikszblsre a J7 s J8 FET-ek szolglnak. Gate-jk a pozitv tpfeszltsgre kapcsoldik, mg source-uk a tokozs 1-es s 5-s kivezetsn hozzfrhet. (3.18. bra) A gate-source feszltsgek egy 25 k-os potenciomterrel llthatk be. (A potenciom-ter kzplegazsa a pozitv tpfeszltsgre kell, hogy kapcsoldjon.)

3.18. bra. Az LF 356 ofszet hibjnak kiegyenltse




Az LF 356 mveleti erst legfontosabb katalgusadatait az alb-bi tblzat foglalja ssze:


1012 x 106 dB 3 mV 12 V/s 200 kHz

Az LF 356 mveleti erst valjban egy teljes ramkrcsald egyik tipikus kpviselje. Valamennyikre jellemz az alacsony zaj, a kis drift- s ofszetfeszltsg.

kis tpram nagy "slew rate" nagy svszlessg

katonai LF 155 LF 156 LF 157

ipari LF 255 LF 256 LF 257

kereskedelmi LF 355 LF 356 LF 357

Az els sorban felsorolt tpusok (LF 15x) katonai cl felhaszn-lsra is alkalmasak, mert az elrt paramtereket szles hmrsklettarto-mnyban (-55C-tl +125C-ig) kpesek teljesteni. Termszetesen ezek a legdrgbbak. Az ipari kivitel (LF 25x) ugyanezeket az elrsokat mr csak a -25C +85C-os tartomnyban garantlja. A kereskedelmi forga-lomra sznt egyedek (LF 35x) 0 70C kztt teljestik az elrsokat. Ezek lnyegesen olcsbban az elz kt csoport tagjainl. Ez persze nem jelenti azt, hogy e harmadik csoportbeli ramkrk nem lennnek hasznlhatk a szlesebb hmrsklettartomnyban is, de ilyenkor mindig tekintetbe kell venni a paramterek romlsbl ered vl-tozsokat, s mrlegelni kell hatsukat a kapcsols mkdsre. A param-terek alulmretezse hibs mkdshez vezet, mg a paramterek felesle-ges szigortsa jelents kltsgekkel jr. A tervez feladata helyesen dn-teni a lehetsges kompromisszumok kztt. A gyrt termszetesen igyekszik, hogy valamennyi ltala ksztett eszkz az els csoportba kerljn. Mondhatni gy is, hogy csak ilyet gyrt. Tesztels utn azonban lesznek olyanok, melyek nem felelnek meg ugyan az els csoport szigorbb elrsainak, de teljestik a msodik csoport k-




vetelmnyeit. Ezek lesznek a 2. csoport tagjai. Amelyek itt is alulmarad-nak, de mg paramtereik elrik a kereskedelmi forgalomra elrt kvetel-mnyeket, azok kerlnek a 3. csoportba. A tbbi selejt lesz. Ha nincs kifejezetten ignynk a nagy svszlessgre s a nagy slew rate-re, de kisebb fogyaszts eszkzt szeretnnk, akkor az LF x55 oszlop tagjai kzl clszer vlasztanunk. Ezek tpram felvtele 5 mA helyett csak 2 mA, de ezrt cserbe egy lassbb mkds ramkrt ka-punk. Ennek a kapcsolsnak a slew rate-je tipikusan 5 V/s. Lehet olyan ignynk is, hogy a minden krlmnyek kztti sta-bilitst ldozzuk fel a gyorsabb mkds rdekben gy, hogy elhagyjuk a kapcsolsbl a kompenzl kapacitst. (Valjban C1-et 10 pF-rl 5 pF-ra, mg C2-t 10 pF-rl 2 pF-ra cskkentjk.) Ekkor jutunk az LF x57-es soro-zathoz, melynek slew rate-je tipikusan 50 V/s, svszlessge pedig 20 MHz.

3.10. TL 071 (Texas Instruments)

3.19. bra. A TL 071 mveleti erst bels felptse




A Texas Instruments a jl bevlt kapcsolsi elvekre ptve ksztet-te el sajt, j-FET bemenet mveleti erstit. Ennek egyik tipikus kpvi-selje a TL 071, melynek kapcsolsi rajzt a 3.19. bra mutatja. A kapcsols bemeneti fokozata egy p-csatorns j-FET-ekkel (J1 s J2) felptett differencilerstvel indul, mely biztostja a 1012 ohm nagy-sgrend szimmetrikus bemeneti ellenllst, tovbb elvgzi a szinteltols feladatt is. A differencilerst ramgenertora a Q4 pnp tranzisztorbl s az R1 ellenllsbl ll kapcsols. A differencilerst terhelse a Q1-Q2-Q3 npn tranzisztorokbl felptett preczis ramtkr. Az ram-genertor, a differencilerst s az ramtkr egytt fzissszegz kap-csolst alkot, melynek kimeneti jele mr aszimmetrikusan vezrli a Q5-s tranzisztort. Az ramkr ofszet nullzsa a mr ismert mdon az 1-es s 5-s kivezetsek kz kapcsolt, kzplegazst tekintve a negatv tpfeszlt-sgre kttt potenciomterrel elvgezhet. A fzissszegz jelt a Q5-s, kzs kollektoros, impedancia-levlaszt tranzisztor fogadja, majd annak emitterrl a Q6-os, kzs emitteres ferstre kerl a jel. A nagy feszltsgerstst a Q9 ramge-nertor, mint a kzs emitteres kapcsols aktv terhelse biztostja. A feszltsgt tekintve mr a kimeneti szintre erstett jelet a komplementer emitterkvet vgfokozat (Q11 s Q12) juttatja a kimenet-re. Ennek AB-osztlyba trtn belltsa a Q7-Q8-as tranzisztorokkal, valamint az R7-es ellenllssal trtnik. A kapcsols rvidzr vdelmt R8, R9 (64-64 ohmos) s R11 (128 ohmos) ellenllsokkal passzv ton oldottk meg. Ez nyilvn jcskn megnvelte a kimeneti ellenllst, ezrt ennek rtkrl a katalgus szemrmesen hallgat. A kapcsols munkapontjnak belltsra egy nagyon precz refe-rencia-feszltsgforrst alaktottak ki. A J3-as n-csatorns j-FET gate-source feszltsgt egy Zner-dida lltja be, ezltal a FET-en tfoly ram nagyon stabil lesz. Ugyanakkor ez a stabil ram a Zner-didn jl meghatrozott feszltsget hoz ltre, mely egyben a FET gate-source fe-szltsge is. Ez a kapcsolsi rszlet hatrozza meg a tovbbi munkapont bell-t tranzisztoroknak, azaz Q13-nak, Q10-nek, Q9-nek s Q4-nek is az ra-mt. A bemeneti differencilerstt kiszolgl Q4 ramgenertor rama kisebb, mert Q4 bzis-emitter feszltsge az R1 ellenlls miatt kisebb, ezrt ez a tranzisztor kevsb nyitott Q9 s Q10 ramtkr prjainl. A kapcsols frekvenciamenett s gy stabilitst is a ferst feszltsgerstst kihasznlva a C1 Miller-kapacitssal lltottk be.




A D1 dida feladata, hogy megakadlyozza a ferst teltsbe kerlst, annak esetleges tlvezrlsekor. A TL 071 nagyon sok elnys tulajdonsggal rendelkezik. Beme-neti impedancija, svszlessge, slew rate-je tiszteletremlt. Ami mgis kiemeli a tbbi mveleti erst kzl, az a kapcsols kis zaja s nagyon alacsony harmonikus torztsa. (lsd 3.20. bra) Ezen tulajdonsgai miatt ez a mveleti erst nagyon npszer a hangfrekvencis ramkrket nagy gonddal pt s megszllott hangzshsgre trekvk kztt.

3.20. bra. A TL 071 harmonikus torztsa a frekvencia fggvnyben

A TL 071 mveleti erst legfontosabb katalgusadatait az albbi tblzat foglalja ssze:


1012 nincs adat 106 dB 3 mV 13 V/s 100 kHz




3.11. CA 3140 (RCA) A nagy bemeneti ellenlls elrse s a gyengbb minsg pnp tranzisztorok kivltsa nem csak p-csatorns j-FET-ekkel lehetsges. Eh-hez persze meg kellett oldani a p-csatorns MOS-FET-ek integrlhats-gt a bipolris planr technolgival egytt. Ez elsknt az RCA-nak sike-rlt. Tbb tpus kzl itt kettt mutatunk be. Elsknt a CA 3140-nel ismerkednk meg, melynek kapcsolsi rajza a 3.21. brn lthat.

3.21. bra. A CA 3140 MOS-FET bemenet mveleti erst kapcsolsi

rajza

A kapcsols kt darab, differencilerstnek kapcsolt p-csatorns MOS-FET-tel kezddik, melyek Q9 s Q10 tranzisztorok. Ezekben az eszkzkben a gate s a drain-source csatorna kz nagyon vkony szilci-um-dioxid van integrlva, mely szinte szakadst biztost az 1,5 T (1,5 1012 ohm) ellenllsval.




A sztatikus tltsek okozta ttsektl s ezltal az eszkz azonna-li tnkremeneteltl a D3, D4 s D5 Zner-didk vdik meg a gate-ket. A differencilerst ramt a Q2-Q5 kaszkd ramgenertor szolgltatja, melynek differencilis ellenllsa minden eddig bemutatott megoldsnl nagyobb. Ezzel nagyon j kzsjel-elnyomsi tnyezt sikerlt elrni. A differencilerst terhelst a Q11-es s Q12-es tranzisztorokkal kialak-tott ramtkr adja. (Ezek emitterkrben van lehetsg a szokott m-don az ofszet kinullzsra.) A bemeneti fokozat teht itt is egy fzissszegz kapcsols, mely a nagy munkaponti ramok (ganknt kb. 100-100 A) ellenre mindssze 10-szeres erstssel rendelkezik. Ennek oka a MOS-FET-ek kicsi mere-deksge. A fzissszegz bemeneti fokozatrl a jel a ferstre kerl, mely szintn egy kzs emitteres kapcsols Q13-as npn tranzisztorral. Az aktv terhels gyannt szolgl Q3 s Q4-es kaszkd ramgenertor hatalmas differencilis ellenllsa miatt azonban ez a fokozat nmagban kzel tz-ezerszeres (!) erstst produkl. Igaz, ehhez szksg volt egy, a ferstt a vgfokozat fel illeszt kzs kollektoros kapcsols beiktatsra is, Q17-es tranzisztorral. A frekvenciakompenzcit a ferst ltja el a Miller-elv kihasznlsval a C1= 12 pF-os kapacits segtsgvel. A kapcsols vgfokozata, melynek feszltsgerstse egysgnyi, teljesen mellzi a pnp tranzisztorokat. A Q18-as tranzisztor nyitsakor a kimenet pozitv irnyba mozdul el. A Q18-on foly ram lesz ekkor a m-veleti erst kimeneti rama. A befel mutat ram elnyelsre azonban Q18 nem alkalmas. A kimenetrl az ramkrbe befoly ramot 2 mA-ig a Q15-s tranzisztor vezeti el. A Q15-s tranzisztor tulajdonkppen egy 2 mA-es ramgenertorknt funkcionl. Nagyobb ramok esetn Q16 is besegt, melyet a D6 didn (ramtkr Q16-tal) keresztl a Q21-es p-csatorns MOS-FET vezrel. Q21 akkor nyit, ha gate feszltsge mely egyben a kimeneti feszltsge is a kapcsolsnak 0 V al cskken, vagyis ha a kimenet negatv lesz. A kimeneti fokozat rvidzr vdelmt a Q19-es tranzisztor ltja el. A kapcsols munkaponti ramainak belltst a 3.21. bra bal fel-s sarkban lthat komplexum vgzi. Ez szablyozza mind a Q2-Q5, mind pedig a Q3-Q4 ramgenertorok ramt. Ennek ksznhet, hogy a kapcsols nylthurk feszltsgerstse a 2 V 22 V tartomnyban gyakorlatilag fggetlen a tpfeszltsgtl. A kimeneti jel a "STROBE" kivezetsen keresztl letilthat.




A CA 3140 mveleti erst legfontosabb katalgusadatait az albbi tblzat foglalja ssze:


1,5 T 60 100 dB 0,8 - 5 mV 7 V/s 100 kHz

3.12. CA 3160 (RCA) A CA 3160 mveleti erst egyesti a bipolris s a MOS techno-lgia elnyeit. ramkrkszletbl teljesen hinyzik a pnp bipolris tran-zisztor, viszont megtallhat benne a MOS-FET-ek mindkt tpusa, az n- s a p-csatorns is. Felptse sok tekintetben hasonlt a CA 3140-re, de vgfokozata egszen j megoldst alkalmaz. Kapcsolsi rajzt a 3.22. bra mutatja. Bemenete p-csatorns MOS-FET-ekbl kialaktott differencil-erstvel kezddik (Q6 s Q7), melyek szintn vdettek a sztatikus tt-sekkel szemben (D5, D6 s D7 ltal). ramgenertora, mely kb. 200 A ramot szolgltat, kt darab kaszkd kialakts p-csatorns MOS-FET-bl ll (Q2 s Q4). A Q9 s Q10 ramtkrprral egytt a bemeneti diffe-rencilerst fzissszegz fokozat alkot, melynek feszltsgerstse a FET-ek alacsony meredeksge miatt mindssze tszrs. Ofszet nullzs-ra itt is van lehetsg. A Q11-es kzs emitteres npn tranzisztor viszont nmagban kb. 6000-szeres feszltsgerstsre kpes. Aktv terhelse a Q3 s Q5 p-csatorns MOS-FET-ekbl ll nagy differencilis ellenlls ram-genertor. A frekvenciakompenzls itt R-C taggal trtnik szintn ki-hasznlva a Miller-elvet. A kapcsols legrdekesebb rsze a kimeneti fokozat. Nem a meg-szokott komplementer emitterkvet megoldst vlasztottk. A kimene-ten lthat Q8 p-csatorns s Q12 n-csatorns MOS-FET-ek kimenete ugyanis a kzs drain, teht ezek a tranzisztorok kzs source- kapcso-lsban dolgoznak s ezrt feszltsgerstsk sem egysgnyi, hanem kb. 30.




3.22. bra. A CA 3160 mveleti erst bels felptse

A kimenet msik rdekessge a rvidzr vdelmi megolds. Els rnzsre nem ltunk sem passzv, sem aktv vdelmet, a rvidzr mgsem teszi tnkre a kapcsolst. A FET-ek drain-source csatornaellenllsa ugyanis gy lett kialaktva, hogy azok nhny szz ohmos ellenllsn csak korltozott ram kb. 20-30 mA folyhat maximlisan. Az ez ltal termelt ht pedig kpes a tokozs krosods nlkl eldissziplni. A kapcsols munkaponti ramainak belltst a 3.22. bra bal fel-s sarkban lthat kapcsolsi rszlet vgzi. A D1-D2-D3-D4 didalncon kb. 2,4 V esik. A Q1 FET gate-source feszltsge kicsit kevesebb 2 V-nl. Mivel a D8 Zner-dida 8,3 V-os, ezrt az R1 40 k-os ellenllsra kb. 4 V esik. A rajta tfoly ram gy kb. 100 A. Ekkora ram folyik t Q1-en is. Mivel Q2 csatornaszlessge ppen ktszerese a Q1-nek (mikzben gate-source feszltsgk azonos), ezrt Q2-n 200 A fog folyni. Ez folyik




t Q4-en is, teht ekkora lesz a bemeneti differencilerst ramgenerto-rnak az rama. Hasonl megfontolsbl szintn 200 A lesz a ferst (Q11) munkaponti rama is. A CA 3160 mveleti erst legfontosabb katalgusadatait az albbi tblzat foglalja ssze:


1,5 T n x 100 110 dB 0,8 - 6 mV 10 V/s 100 kHz

Kt CA 3160 egy tokba ptve CA 3260 tpusszmmal szerezhet be, mg a CA 3160 kls kompenzlt prja a CA 3130 tpusjel mveleti erst.

3.13. ICL 7610 (Intersil) A bipolris tranzisztorok nagy srsgben nehezen integrlhatk, mert szksg van a tranzisztorokat egymstl elvlaszt szigetek kialakt-sra, mely hel

Elektronika II

Documents

Transcript of Elektronika II