¿Cómo se protege la salida del amplificador operacional 741 cuando se corta a V+?

Creo que finalmente logré desentrañar el misterio del limitador del disipador (lado bajo) del 741... Expondré mis conjeturas en forma de una historia imaginaria de cómo estaban pensando al diseñar el circuito.

Solución de circuito asimétrico original

Detección y limitación a través de la etapa anterior. En el diagrama del circuito interno inicial del 741 (Fig. 1), el truco de Widlar se aplica solo al transistor de empuje Q14 por Q15 y R9. Por alguna razón (lo consideraré más adelante), era inaceptable que también se aplicara al transistor pull Q20. Es por eso que asignaron la etapa anterior (el amplificador de voltaje intermedio Q16, Q17 y el transistor limitador Q22) tanto para detectar como para limitar la sobrecorriente.

Fig. 1. En la solución inicial del circuito del amplificador operacional 741, la etapa anterior detecta y limita la sobrecorriente

"Mover" la sobrecarga a la etapa anterior. La detección se basa en las propiedades del seguidor de emisor BJT. Permítanme aclarar de qué se trata esto. En un seguidor de emisor, la unión base-emisor establece una conexión directa entre la entrada y la salida. Es una conexión de "diodo" unidireccional (de entrada a salida). En condiciones normales de operación, el transistor "levanta" su voltaje de emisor casi al nivel de voltaje base de entrada para que esta conexión directa no funcione... y la corriente base sea baja (bootstrapping). Cuando la salida se pone a tierra (cortocircuito), este fenómeno deja de operar y la entrada también se pone a tierra a través de la unión base-emisor... es decir, también se le aplica la sobrecarga. No sería el caso si el seguidor se hubiera implementado con FET (seguidor de origen);

Sin detección de sobrecarga (transistor ideal). Bien, se aplica la resistencia de carga baja (a través de la unión base-emisor Q20 y 50 ohmios R10) al colector Q17. Y ahora el enigma entra en escena: "¿Cómo es posible que la carga cambie la corriente del colector Q17 mientras su voltaje base se mantiene constante? Q17, como cualquier BJT, se comporta como una fuente de corriente constante (sumidero aquí); por lo que su colector la corriente no se puede cambiar desde el lado del colector... la caída de voltaje en R11 tampoco se puede cambiar.

(Prácticamente, hemos implementado este experimento de la siguiente manera. Al principio, hemos establecido un voltaje de entrada constante para que el voltaje base de Q17 sea constante. Luego conectamos una resistencia de carga variable (reóstato) entre la salida y V+. Hay algo ( pequeño) Corriente de base Q20 que, junto con la corriente de colector inactivo Q13, ingresa al colector Q17. Ambos fluyen a través de R11 y crean una caída de voltaje que no es suficiente para encender Q22. Luego comenzamos a disminuir RL hasta cero (corto a V +). La corriente base de Q20 aumenta... pero Q17 (que se comporta como un sumidero de corriente) no debería permitir que lo haga. Por lo tanto, la caída de voltaje no debería cambiar).

Y este sería el caso si Q17 fuera un transistor "ideal" (sin ningún efecto temprano) que tuviera una curva IV de salida casi horizontal - Fig. 2. Cuando la resistencia aplicada al colector cambia de RL + R10 a solo R10, el la línea de carga gira en el sentido de las agujas del reloj... el punto de intersección (operativo) se mueve de la posición 1 a la 2... pero la corriente del colector no cambia: I1 = I2, dI = 0. Por lo tanto, la caída de voltaje en R11 tampoco cambia. .. y Q22 no detecta la sobrecarga.

Fig. 2. Solución gráfica del circuito en el caso de un transistor "ideal" (sin efecto Early)

Incluso hay algo más "dañino" aquí: la resistencia R11 en el emisor Q17 introduce una retroalimentación negativa que intenta mantener constante la corriente (degeneración del emisor)... pero, para los propósitos de la detección de sobrecorriente, queremos exactamente lo contrario. ...

Detección de la sobrecarga (transistor real). Pero Q17 es un transistor real con efecto temprano y su curva de salida IV tiene cierta pendiente - Fig. 3. Entonces, cuando el punto de operación se mueve de la posición 1 a la 2, la corriente del colector cambiará (ligeramente) de I1 a I2 ... el la caída de voltaje en R11 también cambiará (ligeramente)... y Q22 debería detectar este cambio.

Fig. 3. Solución gráfica del circuito en el caso de un transistor real (con algún efecto Early)

La paradoja de esta idea es que, para que este circuito funcione bien, el transistor Q17 debe ser pobre... cuanto más pobre sea, mejor Q22 detectará la sobrecarga. Si Q17 es demasiado perfecto, Q22 puede no sentirlo...

Nunca implementó una solución simétrica

Sin embargo, la idea de un limitador de corriente simétrico en ambas partes de salida sigue siendo atractiva. Se puede encontrar, por ejemplo, en las etapas de salida de potentes amplificadores implementados por elementos discretos - Fig. 4 .

Fig. 4. Amplificador de potencia con limitadores de corriente idénticos en la parte push y pull

Entonces, ¿por qué Widlar y los diseñadores de Fairchild no lo hicieron en el amplificador operacional 741? Una posible explicación es que no se puede hacer como dijo @Jonk en la pregunta relacionada :

Un lado bajo simétricamente equivalente no es posible...

Hice un gran esfuerzo para descubrir cuál era el problema con este circuito que no funcionaba. Puse mi imaginación a tope (Fig. 5)... Incluso desenterré viejos libros de mis años de estudiante... y todavía no he encontrado la razón... tal vez simplemente porque no había una razón principal para que no trabajar...

Fig. 5. ¿Puede funcionar el limitador de corriente simétrico?

Aparentemente, el circuito puede funcionar correctamente... pero funciona mal... Así que me inclino más a confiar en la explicación anterior de @EinarA sobre el bajo rendimiento de los transistores pnp...

Solución de circuito simétrico mejorada

Tal vez esa fue la razón por la que, en la siguiente versión del 741, los seguidores de Widlar de Fairchild separaron las dos funciones para que la etapa de salida de extracción detecte mientras que la etapa anterior limita la sobrecorriente (Fig. 6).

Fig. 6. En el amplificador operacional 741 mejorado, las funciones están separadas: la etapa de salida de extracción detecta mientras que la etapa anterior limita la sobrecorriente

Se hace de la manera típica de Widlar conectando el circuito de detección del lado bajo (Q21, R7) con el transistor limitador Q22 a través de un espejo de corriente (Q22, Q24)... como si Q21 se moviera en el lugar de Q22. El espejo de corriente sirve como una especie de "transmisión de corriente" que conecta Q21 y Q22.

¿Cuál es el beneficio de todo esto? Creo que gracias a la mayor ganancia de los npn Q22 y Q18, la protección actual se dispara más bruscamente... y por lo tanto es más eficiente...

¿Hay una paradoja aquí? No, ahora el transistor Q17 puede ser perfecto tanto como queramos...

Un punto esencial para entender el comportamiento de este circuito es el bajo rendimiento de Q20. Los PNP laterales de esta época tenían una beta que descendía por debajo de diez en los niveles actuales de unos pocos miliamperios. Por lo tanto, limitar la corriente en Q17 también limitará la corriente en Q20 a una cantidad razonable. Las versiones posteriores del circuito utilizaron dos diodos en serie desde el colector de Q17 hasta la salida.

Con la salida en cortocircuito al suministro +, toda la corriente de la fuente de corriente Q8 de la primera etapa fluye hacia la base de Q16 en un intento desesperado por reducir la salida. Suficiente de esta corriente fluye hacia la base de Q16 para causar una caída de voltaje lo suficientemente grande en R11 suficiente para encender Q22, que luego desvía el resto de la corriente proveniente de la primera etapa a tierra, lo que limita la corriente del colector de Q20.