Транзистора 2sa1015 (a1015)

Устройство операционного усилителя

Итак, операционный усилитель – это усилитель электрических сигналов, чаще всего постоянного тока, с высоким коэффициентом усиления в широкой полосе частот, предназначенный для выполнения различных математических операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью.

Операционные усилители в настоящее время выпускаются различного назначения и для выполнения различных функций и хотя электрическая схема усилителей даже одного класса может различаться, но структурная схема, которая лежит в основе всех операционных усилителей остается единой. Изображение структурной схемы выполнено ниже

.
Структурная схема операционного усилителя

Таким образом, операционный усилитель представляет собой схему из последовательно соединённых трёх частей: входной усилитель на основе дифференциального каскада (иногда может быть несколько дифференциальных каскадов), каскад согласования уровней и выходной каскад.

Дифференциальный входной каскад, имея большой коэффициент усиления и большое входное сопротивление, обеспечивает согласование операционного усилителя с источником сигнала. Довольно часто усиления одного входного каскада недостаточно, поэтому используется несколько дифференциальных усилителей на входе соединённых последовательно с симметричными входами и несимметричным выходом.

Каскад согласования уровней предназначен для согласования уровней напряжения между входным и выходным каскадами операционного усилителя. Кроме того данный каскад выполняет функцию усиления напряжения переменного тока и меет небольшое выходное сопротивление.

Выходной каскад операционного усилителя, обычно, не усиливает напряжение, но позволяет отдавать в нагрузку усилителя максимальное напряжение и ток, имеет небольшое выходное сопротивление, а мощность выделяемая на нём в случае отсутствия сигнала минимальна.

На изображении ниже показана принципиальная электрическая схема одного из первых операционных усилителей, выполненных по интегральной технологии, который разработал в 1963г. Роберт Видлар, инженер Fairchild Semiconductor

Электрическая принципиальная схема операционного усилителя μА702 (отечественный аналог К140УД1).

Данная схема содержит 9 транзисторов, 12 резисторов и 1 интегральный диод, в схеме отсутствуют конденсаторы, что даёт достаточно широкую полосу пропускания. В качестве входного усилителя используется дифференциальный каскад на транзисторах VT1VT2 с генератором стабильного тока на транзисторах VT3VT6. Дифференциальный каскад на транзисторах VT4VT5 совместно с транзисторами VT7VT8 выполняют роль каскада согласования уровней, а транзистор VT9 используется в качестве выходного каскада с небольшим выходным сопротивлением.

На принципиальных электрических схемах операционные усилители в интегральном исполнении обозначаются следующим образом

Обозначение операционных усилителей на принципиальных электрических схемах (слева иностранное, а справа отечественное изображение).

Что это такое

Гармонические составляющие самых удачных моделей находятся в диапазоне 20 – 20 000 Гц.

Основными компонентами являются:

• предварительный усилитель – первичное усиление входящего сигнала до уровня восприятия оконечным устройством, коммутация и регулирование уровня;
• усилитель мощности – увеличение обработанного сигнала до уровня воспроизведения акустическими системами на достаточной громкости;
• распределитель (дистрибьютор) – для регулирования амплитуд сигналов с их последующим распределением на несколько каналов;
• блок питания – для электропитания всех блоков и схем устройства.

smd-код m6

smd-код «M6»

Подробная информация о производителях — в GUIDE’е, о типах корпусов — здесь
код	наименование	функция	корпус	производитель	примечания
M6	2SA812	pnp: 50В/100мА h31=200. ..400	sot23	Galaxy Semi
M6	BSS66	npn: 40В/200мА 250МГц h31=150	sot23	Diodes
M6	BZX384-B22	стабилитрон 300мВт: 22В ±2%	sod323	NXP
M6	MMBA812M6	pnp: 40В/100мА h31=200…400	sot23	Motorola
M6	Si2316BDS	nМОП: 30В/4,5А/50мОм	sot23

Vishay
 
M6##
RP114K241B
LDO: 2,4В/300мА
dfn4
Ricoh
## — lot-код

M6A
ADM1816-20AKS/ART
супервизор 2,55В, open-drain, active-low
sc70/sot23
ADI
 

M6A
MMBF4416
n-канальный ВЧ FET: 30В
sot23
ON Semi
 

M6B
ADM1816-22AKS/ART
супервизор 2,18В, open-drain, active-low
sc70/sot23
ADI
 

M6C
ADM1816-23AKS/ART
супервизор 2,31В, open-drain, active-low

sc70/sot23
ADI
 
M6C
MMBFU310
n-канальный ВЧ FET: 25В
sot23
ON Semi
 

M6E
ADM1816-10AKS/ART
супервизор: 2,88В open-drain/active-low
sc70/sot23
ADI
 

M6G
SMMBF4393
nFET: 30В/50мА Ugs(off)=-3В
sot23
On Semi
 

M6H
ADM1816-20AKSZ/ARTZ
супервизор: 2. 55В open-drain/active-low

sc70/sot23
ADI
RoHS
M6H
MMBD354
два смесительных диода ОК: 7В/10мА
sot23
LGE | ON Semi
 

M6J
ADM803MAKSZ
супервизор: 4,38В open-drain/active-low
sc70
ADI
RoHS

M6K
ADM1816-5AKS/ART
супервизор: 3,06В open-drain/active-low
sc70/sot23
ADI
 

M6L
ADM803LAKSZ
супервизор: 4,63В open-drain/active-low
sc70
ADI
RoHS

M6M
ADM803RAKSZ
супервизор: 2,63В open-drain/active-low
sc70
ADI
RoHS

M6N
ADM803ZAKSZ
супервизор: 2,32В open-drain/active-low
sc70
ADI
RoHS

M6P
ADM809JAKSZ/JARTZ
супервизор: 4,00В push-pull/active-low
sc70/sot23
ADI
RoHS

M6P
BSR58
n-канальный FET: 40В/50мА
sot23
NXP
 

M6R
ADM809LAKSZ
супервизор: 4,63В push-pull/active-low

sc70
ADI
RoHS

M6S
ADM810MAKSZ/MARTZ
супервизор: 4,38В push-pull/active-high
sc70/sot23
ADI
RoHS

M6T
ADM810SAKSZ/SARTZ
супервизор: 2,93В push-pull/active-high
sc70/sot23
ADI
RoHS

M6U
ADM810ZAKSZ/ZARTZ
супервизор: 2,32В push-pull/active-high
sc70/sot23
ADI
RoHS

M6V
ADM810JAKSZ/JARTZ
супервизор: 4,00В push-pull/active-high

sc70/sot23
ADI
RoHS

M6W
ADM810LAKSZ/LARTZ
супервизор: 4,63В push-pull/active-high
sc70/sot23
ADI
RoHS

M6X
ADM1813-5AKSZ/ARTZ
супервизор: 4,62В open-drain/active-low
sc70/sot23
ADI
RoHS

M6Y
ADM1813-10AKSZ/ARTZ
супервизор: 4,35В open-drain/active-low
sc70/sot23
ADI
RoHS

M6Z
ADM1811-5AKSZ/ARTZ
супервизор: 4,62В push-pull/active-low
sc70/sot23
ADI

RoHS

Технические характеристики

Информация по всем эксплуатационным параметрам взята из datasheet на 2n60b компании Fairchild Semiconductor. Значения характеристик представлены для устройств обоих типов корпусного исполнения. Производитель, в своём технической документации, указал их с учётом возможной температуры кристалла (T_C) не превышающей +25°С.

Максимальные параметры

Максимальные характеристики для 2n60b (при Т_С=+25°С):

• напряжение между стоком и истоком V_DSS = 600 В;
• постоянный ток идущий через сток: при T_C=25°C I_D = 2.0 A; при T_C =100°C I_D = 1.3 A.
• импульсный ток стока I_DM = 6.0 A;
• напряжение между затвором и истоком V_GSS = ±30 В;
• энергия одного импульса E_AS =120 мДж;
• ток лавинного пробоя I_AR = 2.0 A;
• энергия серии импульсов E_AR = 5,4 мДж;
• скорость восстановления диода dv/dt = 5,5 В/нс;
• мощность рассеивания: P_D = 3,13 Вт (T_A = 25°C); P_D = 54 Вт (T_C = 25°C);
• диапазон рабочих температур T_stg 55°C … +150°C;
• нагрев контактов при пайке T_L до 300°C.

Превышение максимальных параметров может привести к выходу устройства из строя или значительно сократить сроки его полезного использования.

Электрические параметры

Рассмотрим электрические (номинальные) параметры MOSFET-транзистора 2N60B (на русском). Условия их измерений представлены в отдельном столбце. Все значения действительны для температуры Т_С не более +25°С.

Аналоги

Полных аналогов 2N60B не существует. В настоящее время его можно поменять на более современные и лучшие по параметрам транзисторы. Например, такие: STP3NK60Z, STP3NK60ZFP, STB3NK60Z, STD3NK60Z, 2SK3767. Или более мощные: 4N60, 6N60, 10N60. При этом стоит учитывать, что расположение выводов и корпуса некоторых из указанных устройств могут быть другими. В любом случае перед заменой необходимо  ознакомиться с их datasheet.

Маркировка

Цифры “13001” на корпусе дают общее представление об этом полупроводниковом устройстве. Многие производители маркируют так свои изделия из-за отсутствия места на корпусе ТО-92, не указывая при этом префикс в начале. В статье приведены технические характеристики устройств малоизвестных в России производителей DGNJDZ, Semtech Electronics, YFWDIODE. Указанные производители в своих даташитах не указывают дополнительных символов маркировки. Без дополнительных обозначений маркирует свой транзистор TS13001 тайваньская компания TSMC. Первые две литеры “TS” являются аббревиатурой первых двух слов в полном названии компании Taiwan Semiconductor Manufacturing Company. В тоже время, на рыке достаточно широко представлены транзисторы mje13001, которые тоже промаркированы цифрами 13001. SHENZHEN JTD ELECTRONICS и многие другие производители применяют s13001 s8d при маркировке своих девайсов. Встречаются и другие префиксы, не рассмотренные в статье. Многие продавцы не заморачиваясь с маркировкой в наименовании товара, указывают все возможные его типы вместе с датой производства.

Основные технические характеристики

13003 – это высоковольтный силовой транзистор, прежде всего спроектированный для работы с большими токами и пропускаемым напряжением между коллектором и базой. Высокая скорость переключений и низким временем задержки включения/выключения позволяет использовать его преимущественно в импульсных схемах с индуктивной нагрузкой.

Предельные режимы эксплуатации

13003 рассчитан на работу с большими напряжениями и токами. Так, заявленные производителями максимально допустимые характеристики постоянного рабочего напряжения достигают (V_CEO) 400 вольт, а порогового (V_CEV) 700 вольт. Номинальное значение постоянного коллекторного тока коллектора (I_C) 1.5 A, а импульсного пиковое (I_CM), как у большинства силовых транзисторов, в два раза больше 3 A. Максимальная мощность рассеивания, при этом, не должна превышать 40 Ватт.

Предельные значения для пикового тока измерены при длительности импульса в 5 мс и величине обратной скважности не более 10%

Электрические характеристики

Следует учесть, что для расчета возможности применения 13003 в своих схемах, величины предельных режимов эксплуатации обычно уменьшают на 25-30%. Это связано с тем, что они рассчитаны на работу прибора при температуре Тс=25°С. Рабочая же температура устройства будет значительно выше. Зная это, производители в электрических характеристиках на 13003, указывают параметры его использования не только при температуре Тс=25°С.

Как мы видим, в таблице электрических параметров 13003, величины напряжений насыщения и времени переключения приведены и для температуры 100 градусов. Если внимательно присмотреться, то можно увидеть, что эти значения указаны при максимальном токе коллектора I_C не превышающем 1 A. А это в 1.5 раза (на 33%) меньше, приведенного значения в предельно допустимых параметрах.

Идеальный и реальный операционные усилители

Сначала суммируем характеристики идеаль­ного операционного усилителя, показанного на рис. «Идеальный операционный усилитель«:

• Синфазное входное сопротивление между входом и землей, где: r_GL__P = U_P/I_P; r_{GL_N} = U_N/I_N. В общем случае значение r_GL можно проигнорировать.
• Дифференциальное входное сопротив­ление между двумя входами; здесь: r_D = (U_P -U_N)/I_P. r_D увеличивается за счет от­рицательной обратной связи.
• Дифференциальное выходное сопротив­ление r_A = dU_A/dI_A. r_A — за счет отрицатель­ной обратной связи снижается.
• Напряжение смещения U_os — количествен­ная характеристика того факта, что даже в случае короткого замыкания между двумя входами (т.е. U_D = 0) выходное напряжение U_A не равно нулю.
• Коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR): количественная характе­ристика, описывающая изменение выход­ного напряжения U_A при одновременном синхронном изменении входных напряже­ний U_P и U_N (в случае синфазных перио­дических входных сигналов), т.е., когда U_D остается постоянным.
• Коэффициент подавления пульсаций питания (PSRR): количественная характеристика, опи­сывающая изменение выходного напряжения U_A при изменении напряжений питания.

Поэтому основные идеализации заключа­ются в следующем:

• Коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи А_D приближается к бес­конечности; в случае отрицательной обрат­ной связи имеет место следующее: U_D = 0.
• Входные токи I_N и I_Р приближаются к нулю.
• Если I_N и I_Р близки к нулю, это означает, что синфазное и дифференциальное вход­ные сопротивления приближаются к бес­конечности.
• Напряжение смещения U_os приближается к нулю.
• Выходное сопротивление R_A приближа­ется к нулю.
• Коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR) приближается к бесконеч­ности, т.е. в случае равного и синфазного изменения напряжений U_P и U_N, U_А оста­ется неизменным.
• Коэффициент ослабления пульсаций пи­тания (PSRR) приближается к бесконечно­сти, т.е. в случае изменения напряжения питания, U_А остается неизменным.
• Поведение усилителя не зависит от ча­стоты.

На практике, разумеется, значения вышеука­занных параметров отличны от идеальных:

• Коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи А_D лежит в диапазоне от 104 до 107.
• Входные токи I_N и I_Р лежат в диапазоне от 10 пА до 2 мкА.
• Синфазное входное сопротивление лежит в диапазоне от 106 до 1012 Ом, а дифферен­циальное входное сопротивление дости­гает 1012 Ом.
• Выходное сопротивление R_A лежит в диа­пазоне от 2 до 50 Ом.
• Коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR) лежит в диапазоне от 60 до 140 дБ.
• Коэффициент ослабления пульсаций пи­тания (PSRR) лежит в диапазоне от 60 до 100 дБ.
• Поведение усилителя зависит от частоты (пропускание низких частот).

Собственные шумы усилителя.

Что же такое шум?

В электронике шумом называют беспорядочные колебания амплитуды сигнала, которые глушат полезный сигнал. Сюда же относятся разного рода помехи. Собственные шумы усилителя — это шумы, которые зарождаются как внутри самого усилителя, так и могут быть вызваны внешним источником помех, либо некачественным питанием усилителя. Давайте рассмотрим основные виды шумов усилителя.

Фон

Этот шум вызван некачественным питанием усилителя. Если источник питания собран на сетевом трансформаторе, то шум  будет на частоте 100 Гц (2х50Гц, по схеме диодного моста). То есть на выходе такого усилителя мы услышим гудение, если подцепим к выходу динамик. Думаю, вы часто слышали такое выражение «что-то динамики фонят». Это все из этой серии.

Помехи и наводки

Это могут быть внешние источники, которые так или иначе действуют на усилитель. Это может быть наводка от сети 220 Вольт (очень часто ее можно увидеть, если просто прикоснуться к сигнальному щупу осциллографа), это также может быть какая-либо искра, которая образуется в свечах двигателей внутреннего сгорания.

Небольшое лирическое отступление. Помню, как смотрел диснеевские мультики по первому каналу, а через дорогу сосед пилил дрова с помощью бензопилы Дружба-2. Тогда на экране ТВ были такие помехи, что я  про себя тихо материл соседа.

Ну а как же без грозовых разрядов? Благодаря электромагнитному импульсу у нас появилось такое изобретение, как радио.

К источникам помех можно также отнести радио- и ТВ-станции, рядом лежащее и стоящее электрооборудование, типа мощных коммутационных механических ключей, разрядников и тд.

Ну и конечно, это шум самих радиоэлементов. Сюда относится тепловой шум (джонсоновский), дробовой шум, а также фликкер-шум.

Наиболее существенными являются шумы, которые возникают на входе усилителя в самом первом каскаде. Этот шум в дальнейшем усиливается также, как и входной полезный сигнал. В результате на выходе усилителя у нас будет усилен как полезный сигнал, так и шумовой. Поэтому, при проектировании качественных усилителей стараются как можно сильнее минимизировать шум на входе первого каскада усилителя.

Маркировка IRF3205

В маркировке данного транзистора первые две буквы (IR) означают первого производителя — International Rectifier. Сейчас этот транзистор выпускается многими компаниями, но именно с этой началась история этого компонента.

Помимо оригинальной версии, на данный момент существует еще и бессвинцовая версия, которая помечается постфиксом “Z” — (IRF3205Z), но раньше обозначение выглядело по-другому, а именно — “PbF”, что расшифровывается как Plumbum Free.

А также существуют версии в других корпусах: IRF3205ZL — TO262 (припаивание стока-радиатора к плате для охлаждения) и IRF3205ZS — D2Pak (для поверхностного монтажа).

TO262 и D2Pak, который иначе называется TO263, отличаются тем, что первый предназначен для монтажа в отверстия на плате, после чего загибается и припаивается радиатором к ней же. TO263, в свою очередь, не требует отверстий и обладает короткими выводами, что позволяет использовать его при поверхностном монтаже на небольших платах.

Заключение

Использование усилителя по приведённым здесь схемам позволило значительно повысить качество воспроизведения фонограмм даже с использованием акустики среднего уровня и качества. При этом колонки PHILIPS никак не переделывались, а в S-30 были отключены все внутренние пассивные фильтры и СЧ-ВЧ-головка 6ГДВ-1, а НЧ сигнал подавался напрямую на НЧ динамик (25ГДН-1-4). Регулировка уровня НЧ составляющей позволяет сбалансировать общую частотную характеристику всей системы в зависимости от размеров помещения и расстояния слушателя до акустики. Специально для сайта Радиосхемы – А. Барышев.