Низковольтные операционные усилители с однополярным питанием. Операционные усилители с однополярным питанием. Дифференциальный усилитель на ОУ с однополярным питанием – включение

Компания Maxim/Dallas выпускает широкую номенклатуру радиоэлектронных компонентов, в том числе и операционных усилителей. В статье кратко описываются так называемые "rail-to-rail" операционные усилители, допускающие изменение входного синфазного сигнала от нуля до напряжения источника питания при однополярном питании или от отрицательного до положительного источника при двуполярном и обеспечивающие выходное напряжение в том же диапазоне.

Операционные усилители, допускающие изменение входных синфазных сигналов в полном диапазоне питающих напряжений, очень удобны во многих областях применения. Компания Maxim/Dallas выпускает более 150 типов таких ОУ. Для первичного ознакомления рассмотрим приборы, работающие при напряжения питания 2,85 В и менее, имеющие в корпусе один или два ОУ и выпускаемые в корпусах для поверхностного монтажа SC70 и SOT. Перечень таких микросхем приведен в табл. 1, а схематическое изображение корпусов и разводка выводов - на рис. 1.

В таблице приняты следующие обозначения:

N - число ОУ в корпусе; ShDn - возможность выключения ОУ по входу Shutdown; К У МИН - минимальный коэффициент усиления, при котором сохраняется его устойчивость; U ПИТ - диапазон питающих напряжений при однополярном питании; I ПИТ МАХ - максимальный ток потребления микросхемы; U СМ - напряжение смещения нуля; КОС.СФ - коэффициент ослабления входного синфазного напряжения; КВЛ.ИП - коэффициент влияния нестабильности источников питания на напряжение смещения; I ВХ - входной ток; f1 - частота единичного усиления; V UВЫХ - максимальная скорость нарастания выходного напряжения; U Ш - спектральная плотность шумового напряжения, приведенная к входу; I Ш - спектральная плотность шумового входного тока; f Ш - частота, на которой нормируются UШ и IШ.

Цена микросхем указана для покупки в США партии не менее 1000 шт.

ассмотрим некоторые особенности перечисленных в табл. 1 операционных усилителей. Все они обладают очень полезным свойством - при перегрузке по входам полярность выходного сигнал не меняется. Большинство усилителей имеет на входе резистивно-диодную защитную цепь (рис. 2), резко снижающую входное сопротивление при превышении входным сигналом уровня порядка 2 В. Для некоторых микросхем пороговое напряжение, при котором происходит снижение входного сопротивления, существенно ниже, поскольку у них в защитной цепи только два диода, а не шесть.

Рис. 2

Операционные усилители МАХ4122 и МАХ4124 на нагрузке 250 Ом обеспечивают выходное напряжение, лишь на 300 мВ не доходящее до напряжения питания. Аналогичными свойствами обладает ОУ МАХ4130.

ОУ МАХ4162 имеет уникальное входное сопротивление для дифференциального сигнала - более 1013 Ом. Напряжение питания этой микросхемы может достигать 10 В. В ОУ нет защитной входной цепи, а синфазный входной сигнал может заходить за уровни напряжения питания на 250 мВ. Таким же свойством обладают и некоторые другие ОУ.

КМОП ОУ микросхем МАХ4230-МАХ4232 обеспечивают выходной ток до 30 мА и скорость нарастания выходного сигнала до 10 В/мкс.

Микросхема МАХ4240 может гарантированно работать при напряжении питания 1,8 В, потребляя при этом менее 18 мкА. Синфазный входной сигнал может заходить за уровни напряжения питания.

Микросхемы МАХ4321-МАХ4323 могут работать на нагрузку 250 Ом.

КМОП ОУ МАХ4490 и МАХ4491 обладают минимальным уровнем шумов.

Большинство серий микросхем, перечисленных в табл. 1, имеют продолжения в виде приборов, содержащих по два и четыре ОУ в одном корпусе.

Следует отметить, что сайт компании Maxim/Dallas очень удобен для подбора радиоэлементов. Из имеющегося обилия однотипных компонентов можно автоматически отобрать нужные по заданным параметрам - числу ОУ в корпусе, напряжению питания, быстродействию, смещению нуля, коэффициенту усиления и по всем другим функциональным возможностям. Список отобранных компонентов можно отсортировать по возрастанию или убыванию величины какого-либо параметра, а щелкнув по обозначению микросхемы, получить справочные данные (data sheet), а также модели для отобранных микросхем.

Мобильные электронные системы с питанием от батарей получают все большее распространение.
Обычно в них используется однополярное питание напряжением 5 В и меньше. Схемы с однополярным
питанием позволяют уменьшить сложность источника питания и зачастую повысить экономичность
устройств.

Операционные усилители (ОУ) преимущественно используются в схемах с двухполярным питанием, поскольку входные и выходные сигналы ОУ чаще всего могут иметь как положительную так и отрицательную полярность относительно общей шины схемы. В случае, если не инвертирующий вход ОУ соединен с общей шиной, синфазное входное напряжение, вызывающее погрешность преобразования сигнала схемой на ОУ, отсутствует (рис. 1) .

Тогда выходное напряжение ОУ Vout=-Vin R2/R1 .

Если источник входного сигнала не соединен с общей шиной (рис. 2, а) , то разность потенциалов Vсф между общей шиной и выводом источника входного сигнала влияет на выходное напряжение Vout=-(Vin+Vсф)R2/R1 .

Иногда это допустимо, но чаще выходное напряжение усилителя должно обязательно определяться только входным сигналом Vin. В таком случае ОУ используется в дифференциальном включении, причем на второй вход подается смещение, в точности равное Vсф (рис. 2, б) . Напряжение Vсф существует в обеих входных цепях, и, следовательно,
является синфазным входным сигналом. Схема инвертирующего включения ОУ с однополярным питанием приведена на рис. 3.

Здесь входное напряжение привязано не к средней точке источника питания, как это обычно делается в случае двухпоярного питания ОУ, а к отрицательному полюсу источника питания. Эта схема не работает, если входное напряжение положительно, поскольку выходное напряжение должно в этом случае становиться отрицательным, а отрицательного источника питания здесь нет. Для нормальной работы с отрицательными входными сигналами в этой схеме следует использовать ОУ, допускающие соединение входов с шинами питания. Непременное требование соединения входов с общей шиной или другим опорным напряжением затрудняет построение схем на ОУ с однополярным питанием. Наиболее естественно использовать однополярное питание операционных усилителей тогда, когда источник входного сигнала однополярный, например, фотодиод (рис. 4) .

В других случаях могут использоваться различные способы смещения входных и выходных напряжений ОУ.

Смещение ОУ с однополярным питанием

На рис. 5 представлены три основные схемы подключения источника смещения при однополярном питании ОУ.

Схема на рис. 5, а представляет собой инвертирующий сумматор,

на рис. 5, б -дифференциальный усилитель,

а на рис. 5, в - неинвертирующий сумматор.

В общем случае связь между входными и выходными напряжениями в этих схемах можно представить уравнением

Vout= kVin+b . (3)

Уравнению (3) соответствует график статической переходной характеристики схемы с ОУ в виде прямой
линии (рис. 6) .

таблица 1.

В табл. 1 приведены значения постоянных k и b для уравнения (2), соответствующих схемам на рис. 5 . Если в схеме на рис. 5, б поменять местами источники V IN и V OF , то такому включению соответствует нижняя строка в графе «Рис. 5, б» табл. 1.
Схемы и значения постоянных k и b выбираются так, чтобы при любых возможных значениях входного напряжения
V IN выполнялось условие 0 < V OUT < V S . (4)
Обычно k определяется необходимым усилением схемы, поэтому разработчик может выбрать только конфигурацию схемы и постоянную b. Более подробно смещение ОУ при однополярном питании рассматривается в . Типовая схема включения ОУ для усиления сигналов переменного тока с питанием от однополярного источника приведена на рис. 7 .

Здесь напряжение смещения равно половине напряжения питания. Резисторы делителя цепи смещения могут быть выбраны достаточно высокоомными, что бы не нагружать источники питания и входного сигнала.

Введение искусственной нулевой точки

От использования цепей смещения можно отказаться, если ввести искусственную нулевую (среднюю) точку, т. е. точку схемы, потенциал которой располагается приблизительно посередине между потенциалами положительного и отрицательного полюсов однополярного источника питания. Для того, чтобы схема могла усиливать биполярные сигналы, источник входного сигнала включается между входом инвертирующего усилителя и искусственной нулевой точкой
(рис. 8) .

При этом, чтобы избежать смещения выходного напряжения, нагрузку R L включают между выходом усилителя и искусственной нулевой точкой. Это усложняет построение цепей, формирующих нулевую точку.

На рис. 9 представлены примеры схем формирования потенциала нулевой точки. Наиболее простым является резистивный делитель напряжения, средняя точка которого соединена с искусственной нулевой точкой 0 (рис. 9, а) . Однако при наличии нагрузки R L ток нагрузки I L протекает через один из резисторов этого делителя, создавая не симметрию напряжений между полюсами источника питания и точкой 0, причем степень этой не симметрии зависит от силы тока
нагрузки. Уменьшение сопротивлений делителя снижает не симметрию этих напряжений, но при этом возрастают потери энергии в делителе.
Схема со стабилитроном (рис. 9, б) обеспечивает хорошую стабилизацию потенциала искусственной нулевой точки относительно отрицательного полюса источника питания. В качестве стабилитрона в этой схеме целесообразно применение двухвыводного источника опорного напряжения (или регулируемого трехвыводного, такого как, например,
(TL431). Эта схема хорошо работает при вытекающем выходном токе ОУ, но для сохранения стабильности потенциала точки 0 при значительном втекающем выходном токе требуется резистор R с низким сопротивлением, что опять-таки
обуславливает повышенные потери. Аналогичные проблемы возникают при использовании для формирования искусственной нулевой точки стабилизатора напряжения с последовательным регулирующим элементом.
Лучшие характеристики имеет схема с операционным усилителем, подключенным по схеме не инвертирующего повторителя к средней точке резистивного делителя напряжения (рис. 9, в) . В данной схеме делитель может быть высокоомным, т. к. он нагружен только входным током покоя операционного усилителя. ОУ сравнивает потенциал на выходе схемы с потенциалом в средней точке делителя и поддерживает напряжение на своем выходе таким, чтобы разность сравниваемых потенциалов была равна нулю. Этот эффект достигается благодаря действию отрицательной обратной связи. При малых токах покоя, потребляемых этой схемой (менее 1 мА), такой активный делитель имеет выходное сопротивление не более 1 Ом.

Еще более эффективно применение специальных микросхем для формирования искусственной нулевой точки (рис. 9, г) . Фирма Texas Instruments (США) выпускает ИМС типа TLE2425. Эта ИМС изготавливается в малогабаритном трех выводном корпусе ТО-92 и обеспечивает ток через искусственную среднюю точку до 20 мА в любом направлении при токе собственного потребления не более 0,25 мА и динамическом выходном сопротивлении не более 0,22 Ом. В том случае, если нагрузка может быть не связана с общей точкой схемы или с какой-либо из шин питания, можно использовать простейший вариант формирования искусственной нулевой точки на резистивном делителе (рис. 9, а) , но с мостовой усилительной схемой (рис. 9, д) .

В этой схеме инвертирующий повторитель на ОУ2 создает на нижнем полюсе нагрузки RL потенциал, противофазный по отношению к потенциалу верхнего ее полюса.Здесь в искусственную нулевую точку втекает ток, равный V IN /R1, поэтому сопротивление резистора R1 следует взять по возможности большим, иначе возможна не симметрия нулевой точки. Дополнительные достоинства этой схемы: увеличение максимальной амплитуды напряжения
на нагрузке в два раза при том же напряжении питания и заметное повышение КПД при полном размахе выходного напряжения.

Расширение динамического диапазона

Снижение напряжения питания ОУ от обычных +15 В до однополярного 5 В значительно уменьшает амплитудный диапазон входного и выходного напряжений. Амплитудный диапазон в данном случае можно определить как разность между максимально и минимально возможными входными (выходными) напряжениями. Применение усилителей, рассчитанных на двухполярное питание, возможно и с однополярным питанием, но, во-первых, при низкой разности потенциалов между выводами питания далеко не все типы таких ОУ имеют приемлемые характеристики (например, коэффициент усиления), а во-вторых, амплитудный диапазон их выходных напряжений сравнительно мал из-за довольно больших напряжений насыщения транзисторов выходного каскада. Размах выходного напряжения обычных усилителей общего применения не доходит до верхнего и нижнего потенциалов источника питания на 1…2 В при номинальной нагрузке. При питании такого усилителя от однополярного источника напряжением 5 В, амплитудный диапазон выхода составит 1…3 В. Это означает серьезное снижение соотношения сигнал/шум и уменьшение разрешающей способности схемы.

В настоящее время для работы от низковольтных источников питания, в том числе и однополярных, разработано большое количество моделей ОУ с полным размахом выхода(«Rail-to-Rail»). Выходное напряжение таких усилителей при работе на холостом ходу может изменяться практически от потенциала отрицательного полюса источника питания до потенциала положительного полюса.

Схемотехника выходных каскадов усилителей с полным размахом выхода и обычных ОУ различна. Выходной каскад обычных ОУ строится по схеме с общим коллектором на комплиментарных транзисторах (рис. 10, а) .

При использовании такого схемного решения минимальное падение напряжения на выходном транзисторе принципиально не может быть снижено. Как следует из схемы на рис. 10, а , источник тока I должен обеспечивать ток коллектора транзистора каскада усиления напряжения VT3 и базовый ток выходного транзистора VT1. Для нормальной работы схемы источника тока необходимо падение напряжения на нем VT1 не менее 1 В. Остальная часть общего падения напряжения приходится на выходной транзистор. Можно уменьшить минимальное падение на транзисторах выходного каскада, включив в выходном каскаде транзисторы по схеме с общим эмиттером (рис. 10, б) . По этой схеме построен выходной каскад, например, ОУ AD823 фирмы Analog Devices.

На рис. 11 представлены графики зависимости напряжения насыщения V SAT выходных транзисторов этого усилителя от тока нагрузки I L для максимального (V S –V OH) и минимального (V OL) выходных напряжений. Очевидно, что при работе усилителя на холостом ходу максимальное выходное напряжение почти достигает напряжения питания, а минимальное - мало отличается от нуля. Еще лучшие характеристики на холостом ходу обеспечивают усилители, у которых выходной каскад построен на комплементарных МОП-транзисторах (рис. 10, в) .
Сопротивления полностью открытого канала верхнего и нижнего МОП-транзисторов выходного каскада ОУ типа TLC2272 фирмы Texas InstRuments составляют, соответственно, 500 и 200 Ом при питании усилителя от однополярного источника 5 В.

Если нагрузка R L включена между выходом ОУ и общей точкой схемы, так как показано на рис. 4 , то при низких выходных напряжениях выходной ток также мал, и напряжение на открытом нижнем транзисторе усилителя весьма близко к нулю (доли милливольта). Если ток нагрузки велик, и нагрузка соединена другим выводом с плюсом источника питания или искусственной нулевой точкой, напряжение на полностью открытом выходном транзисторе может достигать больших значений (более 1 В). В некоторых применениях требуется не только полный размах выхода ОУ, но и полный размах (Rail-to-Rail) допустимых значений входного синфазного напряжения V СФ (вход с полным размахом). Это нужно, например, в схеме неинвертирующего повторителя, согласующего датчик сигнала с аналого-цифровым преобразователем. Для некоторых приложений необходимо, чтобы диапазон входных сигналов был ниже потенциала общей шины на 0,2…0,3 В. Это требуется при однополярном питании инвертирующего усилителя, где на вход должно подаваться отрицательное напряжение (рис. 3) , например, в схеме фотометра (рис. 4) , где полярность напряжения на инвертирующем входе ОУ несколько ниже, чем на неинвертирующем. Усилители, имеющие вход с полным размахом, схемотехнически заметно сложнее, чем обычные. Других преимуществ, кроме возможности работы с широким диапазоном входного синфазного сигнала, они не имеют. Поэтому их следует применять только там, где действительно требуется полный размах входа.

На рис. 12 , а приведена схема дифференциального входного каскада обычного ОУ. Он состоит из двух согласованных структур. Для того, чтобы входной сигнал мог достигать потенциала общей шины используются p-n-p-транзисторы.
Такое построение позволяет подавать на вход потенциал общей шины без нарушения работы входного каскада. При
более низком синфазном входном напряжении поведение входного каскада становится непредсказуемым. Часто наблюдается инверсия входов, при которой меняется знак обратной связи, и происходит переход ОУ в триггерный режим
(так называемое «защелкивание»). Поскольку напряжение на источнике тока V ИТ в схеме на рис. 12, а должно быть не
менее 0,4 В (иначе он просто не будет работать), а напряжение база-эмиттер транзисторов V BE в активном режиме
составляет приближенно 0,6 В, то входной синфазный сигнал должен быть по крайней мере на 1 В меньше напряжения питания.

На рис. 12, б представлен дифференциальный каскад на n-канальных полевых транзисторах с управляюшим p-n-переходом (JFET-транзисторы). Поскольку пороговое напряжение исток-затвор таких транзисторов составляет –2…–3 В, то можно легко обеспечить нормальную работу входного каскада ОУ при небольших отрицательных синфазных входных напряжениях. Именно так построен входной каскад ОУ AD823 с полным размахом выхода. Этот усилитель нормально работает при –1 В < V СФ < V S –1 В.

Если обязательно требуется работа ОУ с полным размахом входного напряжения, то применяют двойной комплементарный дифференциальный каскад (рис. 12, в) . Биполярный вариант, показанный на рис. 12 , в, используется в ОУ типа TLV245x и OP196, КМОП вариант этой схемы - в TLV247х и AD853х. Из схемы ясно, что оба дифференциальных усилителя входного каскада управляются одновременно. Дифференциальный усилитель (ДУ) с p-n-p-транзисторами работает до максимального уровня входных сигналов на 1 В ниже напряжения питания. Для нормальной работы n-p-n-усилителя требуется синфазный сигнал не менее 1 В. Таким образом, в зоне 1 В V S –1 В и V СФ <1 В - только один. Это обстоятельство вызывает довольно значительное изменение входных токов и напряжения смещения нуля (до 3 нА и 70 мкВ у TLV245x) при переходе через
границы этих зон, что может вызвать искажения усиливаемого сигнала. Уменьшить эти искажения можно, включив последовательно с неинвертирующим входом резистор RC (рис. 3) , сопротивление которого определяется по формуле

Rc = R1R2/R1+R2 (5)

В табл. 2 представлены основные параметры (типичные значения) некоторых типов ОУ, предназначенных для работы с однополярным питанием.

Схемы на ОУ с однополярным питанием

Линейный стабилизатор напряжения
Схема линейного стабилизатора напряжения на ОУ с регулирующим транзистором, включенным по схеме с ОК, представлена на рис. 13, а .

Схема содержит ОУ, включенный по схеме неинвертирующего усилителя с отрицательной обратной связью понапряжению, источника опорного напряжения V REF и регулирующего n-p-n-транзистора VТ, включенного последовательно с нагрузкой. Выходное напряжение V OUT контролируется с помощью цепи отрицательной обратной связи, выполненной на резистивном делителе R 1 R 2 . ОУ играет роль усилителя ошибки. Ошибкой здесь является разность между опорным напряжением V REF , задаваемым источником опорного напряжения (ИОН) и
выходным напряжением делителя R 1 R 2

ΔV = V REF — V OUT R1/R1+R2. (6)

Питание операционного усилителя осуществляется однополярным положительным напряжением. При этом операционные усилители, рассчитанные на двухполярное питание +15 В можно использовать в схемах стабилизаторов
со входным напряжением до 30 В. Стабилизируемое выходное напряжение ограничено снизу минимальным синфазным входным напряжением ОУ, а сверху - суммой напряжения насыщения ОУ и напряжения насыщения база-эмиттер регулирующего транзистора, т. е. минимально допустимое напряжение вход-выход стабилизатора при применении
обычных ОУ будет большим (около 3 В). На рис. 13, б приведена схема стабилизатора с пониженным допустимым напряжением вход/выход (так называемый, LDO-стабилизатор). Здесь регулирующий транзистор включен
по схеме с ОЭ, поэтому могут быть проблемы с устойчивостью . Минимально допустимое напряжение вход/выход в
этой схеме ограничено только напряжением насыщения коллектор-эмиттер регулирующего транзистора VT.

Прецизионный выпрямитель

Замечательная по простоте схема двухполупериодного прецизионного выпрямителя представлена на рис. 14 .

Она вообще не содержит диодов. Однако в этой схеме могут применяться только ОУ с полным размахом входных и выходных напряжений (Rail-to-Rail). Усилители питаются обязательно от однополярного источника. Если V IN >0, то усилитель ОУ1 работает как неинвертирующий повторитель. В этом случае усилитель ОУ2 работает в дифференциальном включении и V OUT =V IN . При V IN <0 усилитель ОУ1 уходит в отрицательное насыщение, напряжение на его выходе становится равным нулю (питание однополярное!). Тогда усилитель ОУ2 переходит в режим инвертирующего повторителя, поэтому V OUT = –V IN . Как следствие, V OUT = |V IN |.

Усилитель ОУ2 всегда работает в линейном режиме, а потенциал неинвертирующего входа ОУ1 при V IN <0 становится ниже потенциала отрицательного полюса источника питания. Не все операционные усилители это допускают. Например, сдвоенный ОУ ОР291 как нельзя лучше подходит для этой схемы. Его входы защищены от дифференциального перенапряжения встречно-параллельно включенными диодами, причем в цепи баз входных транзисторов включены резисторы сопротивлением в 5 кОм. Это позволяет усилителю выдерживать при однополярном питании входное синфазное напряжение до –15 В. В этом случае резистор R1 можно не включать. Иное дело - сдвоенный усилитель ОР296. Он не имеет защитных резисторов, и при его применении в этой схеме необходимо включать резистор R1=2 кОм.
Изготовитель рекомендует для этой схемы при 5-вольтовом питании диапазон входных сигналов ±1 В. Из-за того, что усилитель ОУ1 долго выходит из насыщения, частотный диапазон схемы оказывается довольно узким - для ОУ ОР291 он составляет 0…2 кГц.

Схема измерения тока

Для измерения больших токов в линии, находящейся под относительно высоким потенциалом, может быть использована схема, представленная на рис. 15 .

Ток, протекающий через нагрузку, создает напряжение V IN на шунте R ш, который здесь является датчиком тока. Полагаем ОУ идеальным. Тогда через инвертирующий вход усилителя ток не течет, и, поскольку напряжение между дифференциальными входами усилителя равно нулю, напряжение V IN приложено к левому резистору R. Ток через резистор R и коллектор транзистора VТ

l c = V IN /R = l L R ш /R (7)

Пренебрегая током базы транзистора, найдем выходное напряжение схемы

V OUT = l C R T = l L R T R ш /R (8)

Именно по этой схеме выполнен измеритель тока фирмы Burr-Brown INA168 (границы кристалла показаны на рис. 15 штриховой линией). Он допускает синфазное напряжение на входах до 60 В и коэффициент усиления напряжения на шунте до 100. Ток, потребляемый микросхемой, составляет всего 50 мкА. Микросхема LT1787 аналогичного назначения построена симметрично, т. к. имеет в своем составе усилитель с дифференциальными входами и выходами и нагрузку в виде токового зеркала. Допустимое синфазное напряжение также 60 В. Динамический диапазон -12 бит (72 дБ). Микросхема измерителя тока МАХ471 имеет на кристалле шунтовой резистор, рассчитанный на ток до 3 А, а у МАХ4372 такого резистора нет, но зато ее погрешность преобразования не превышает 0,18%.

Цифро-аналоговый преобразователь
с выходом в виде напряжения

Комбинация ЦАП с токовым выходом, например, 12-битного AD7541А и ОУ с полным размахом показана на рис. 16 .

Здесь используется инверсное включение резистивной матрицы R-2R. ОУ включен по схеме неинвертирующего усилителя с коэффициентом усиления 2. В качестве источника опорного напряжения может быть использован TL431. Выходное напряжение схемы определяется формулой

V OUT = 2V REF /4096*DI, (9)

где DI - входной код.

Выводы

Операционные усилители, предназначенные для работы с биполярным питанием, могут работать в схемах с одним источником, однако амплитудный диапазон их входных и выходных сигналов может оказаться слишком узким. Операционные усилители, предназначенные для работы с одним источником, в свою очередь, тоже могут работать в схемах с биполярным питанием. Необходимо только, чтобы разность потенциалов положительного и отрицательного источника не превышала предельно допустимого напряжения питания для данного типа усилителя. Если требуется усиливать сигналы переменного тока, то при однополярном питании целесообразно использовать цепи смещения и разделительные конденсаторы (рис. 7) .
Если входной сигнал постоянного тока биполярный, то можно использовать цепи смещения, однако более удобно
введение в схему искусственной нулевой точки. Если предполагается работа со входными сигналами ниже потенциала общей шины при однополярном питании, следует в необходимых случаях предусмотреть меры для защиты входов усилителя.

Георгий Волович,
[email protected]

Литература
1. Mancini R. Single Supply Op Amp Design Techniques // Application RepoRt SLOA030. - Texas InstRuments
IncoRpoRated. - OctobeR 1999. - 23 p.
2. Волович Г. Устойчивость линейных интегральных стабилизаторов напряжения. - Схемотехника, 2001. № 11.

В настоящее время в мире изготавливаются сотни наименований интегральных ОУ. Все это многообразие можно разделить на группы, объединенные общей технологией и схемотехникой, точностными, динамическими или эксплуатационными характеристиками, причем эти группы могут пересекаться, т.е. включать общие элементы.

С точки зрения внутренней схемотехники операционные усилители можно разделить на биполярные, биполярно-полевые и КМОП (на комплементарных полевых транзисторах с изолированным затвором). В биполярно-полевых ОУ полевые транзисторы с управляющим p-n переходом или МОП-транзисторы обычно используются в качестве входных в дифференциальном входном каскаде. За счет этого достигается высокое входное сопротивление и малые входные токи.

Большая часть номенклатуры ОУ относится к усилителям общего назначения . Это дешевые усилители среднего быстродействия, невысокой точности и малой выходной мощности. Обычные параметры: K U = 20 000 ё 200 000; U см = 0,1 ё 20 мВ; f т = 0,1 ё 10 МГц. Типичные примеры: 140УД6, 140УД8, 153УД6, LF411.

Быстродействующие усилители при средних точностных параметрах имеют высокие динамические характеристики (f т = 20 ё 1000 МГц, r = 10 ё 1000 В/мкс). Быстродействие ОУ ограничивает два обстоятельства. Во-первых, в состав входного дифференциального усилителя входят p-n-p-транзисторы, относительно низкочастотные из-за меньшей подвижности дырок по сравнению со свободными электронами. Во-вторых, скорость нарастания ограничена скоростью заряда корректирующего конденсатора С к. Влияние первого фактора устраняют, используя во входном каскаде более быстродействующие р-канальные полевые транзисторы. Увеличить скорость заряда С к можно либо увеличив ток дифференциального каскада, либо уменьшив емкость С к. В первом случае увеличивается ток потребления ОУ, а во втором ухудшается устойчивость. Повысить устойчивость можно, вводя дополнительные фазоопережающие звенья в схему усилителя или вне его. Как следствие, быстродействующие ОУ склонны к неустойчивости. Типичные примеры: 140УД10, 574УД3, 154УД4, ОРА634.

Прецизионные усилители имеют высокий дифференциальный коэффициент усиления по напряжению, малое напряжение смещения нуля и малый входной ток обычно при низком или среднем быстродействии. Увеличение K U возможно путем усовершенствования каскадов усиления по напряжению или применением трехкаскадной схемы (например, 551УД1), что усложняет частотную коррекцию. Радикально уменьшить смещение нуля позволяет применение модуляции-демодуляции (МДМ), либо периодическая компенсация дрейфа (прерывание). Типичные примеры: 140УД26, МАХ400М, ОРА227 (без прерывания), ICL7652, 140УД24, МАХ430 (с прерыванием).

Микромощные усилители используются в приборах, получающих питание от гальванических или аккумуляторных батарей. Эти усилители потребляют очень малый ток от источников питания (например, ОУ МАХ406 потребляет ток не более 1,2 мкА). Все другие параметры (особенно быстродействие) у них обычно невысокие. Для того, чтобы дать возможность проектировщику найти компромисс между малым потреблением и низким быстродействием некоторые модели микромощных ОУ выполняют программируемыми. Программируемый ОУ имеет специальный вывод, который через внешний резистор соединяется с общей точкой или источником питания определенной полярности. Сопротивление резистора задает ток системы токовых зеркал усилителя, которые выполняют функции генераторов стабильного тока и динамической нагрузки каскадов усилителя. Уменьшение этого резистора приводит к увеличению быстродействия ОУ и увеличению потребляемого тока. Увеличение - к обратному результату. Типичные примеры: 140УД12, 1407УД2, ОР22. Обычная величина тока потребления для микромощных и программируемых ОУ - десятки микроампер. Микромощные ОУ, как правило, допускают питание от весьма низких напряжений. Например, ОУ типа МАХ480 допускает работу от источников с напряжением от +/-0,8 до +/-18 В при токе потребления 15 мкА.

Если источник сигнала - однополярный (например, фотодиод), целесообразно использовать операционный усилитель с однополярным питанием . Это позволит питать усилитель от одной батареи или даже элемента, например, от литиевого элемента напряжением 3 вольта. Основное требование, предъявляемое к ОУ с однополярным питанием, - диапазон входного синфазного сигнала должен простираться ниже отрицательного напряжения питания (обычно привязанного к потенциалу земли), а размах выходного напряжения должен быть ограничен снизу практически напряжением питания (потенциалом земли). Существуют усилители, диапазоны входных и выходных напряжений которых почти достигают и верхней и нижней границы питания (так называемые, rail-to-rail вход и выход), причем входные напряжения могут даже заходить за эти границы. Типичные примеры: МАХ495, потребляющий от однополярного источника ток 150 мкА, LMV321, потребляющий ток 145 мкА, от источника 1,8 В.

Многие фирмы выпускают многоканальные усилители . Это микросхемы, имеющие на одном кристалле два, три или четыре однотипных ОУ. Например, ИМС типа 140УД20 имеет в своем составе два ОУ 140УД7. Микросхемы МАХ406/407/409 и ОРА227/2227/4227 включают, соответственно, один, два и четыре однотипных усилителя.

Мощные и высоковольтные операционные усилители. Большинство типов ОУ рассчитаны на напряжение питания +/-15 В. Некоторые допускают питание от источников вплоть до +/-22 В. Этого недостаточно для управления, например, пьезоэлектрическими преобразователями, для некоторых физических и биологических исследований. Поэтому промышленность производит высоковольтные ОУ , допускающие более высокие питающее и выходное напряжения. К высоковольтным относят операционные усилители, имеющие разность положительного и отрицательного питающих напряжений свыше 50 вольт. Проблема повышения напряжений в интегральных полупроводниковых (монолитных) ОУ связана с трудностью создания интегральных высоковольтных транзисторов и прочной изоляции между элементами в кристалле. Поэтому большинство ОУ с напряжением питания свыше 100 В изготавливаются в виде гибридных ИМС. В то же время, фирма Apex Microtechnology (США) производит полупроводниковые интегральные ОУ РА90, PA92 и РА94, с номинальным напряжением питания +/-200 В, выходным напряжением +/-170 В и выходным током до 14 А.

Операционные усилители общего применения обычно допускают выходной ток до 5 мА. Для управления мощной нагрузкой применяются мощные ОУ . К мощным обычно относят усилители, допускающие выходной ток свыше 500 мА. Примером полупроводникового интегрального мощного ОУ может служить LM12 с выходным током до 10 А и рассеиваемой мощностью до 90 Вт. Фирма Apex Microtechnology выпускает сверхмощный гибридный ОУ РА30, допускающий выходной ток до 100 А и способный отдать в нагрузку мощность до 2000 Вт при жидкостном охлаждении. Дальнейшее увеличение выходной мощности усилителей возможно путем использования режима класса D (ключевой режим). Рекордными являются характеристики гибридного усилителя фирмы Apex SA08 с широтно-импульсной модуляцией на частоте 22 кГц: 10 кВт при напряжении до 500 В и токе до 20 А. При этом КПД усилителя достигает 98%.

В табл. 1 приведены основные параметры некоторых моделей ОУ различных типов.

Таблица 1

Параметры	Операционные усилители общего применения
	140УД6	140УД7	140УД8	LF441
Напр. питания, В	+/-5 -+/-18	+/-5 -+/-18	+/-5 -+/-18	+/-5 -+/-18
Коэфф. усиления, В/мВ	50	50	50	25
КОСС, дБ	70	70	80	70
U см, мВ	6	4	20	5
Входн. ток, нА	50	200	0,2	0,1
Диф. вход. сопр., МОм	3	0,4	1000	-
f т, МГц	1	0,8	1	4
Скор. нараст., В/мкс	2,5	0,7	5	15
Ток потр., мА	4	3	5	0,25
Макс. вых. ток, мА	5	5	5	4
Вых. сопр. Rвых, Ом	150	150	200	-
Примечание			ОУ с ПТ на входе	ОУ с ПТ на входе

Параметры	Быстродействующие операционные усилители
	574УД3	154УД4	SL2541B	MAX437	ОРА641	AD8055
Напр. питания, В	+/-5 - +/-16,5	+/-5 - +/-17	+/-7 - +/-15	+/-4,5 - +/-18	+/-5 - +/-15	+/-5
Коэфф. усиления, В/мВ	50	8	10	7000	1	3
КОСС, дБ	80	70	47	112	-	82
U см, мВ	2	6	10	0,015	2	5
Входн. ток, нА	0,3	1200	10000	35	-	1000
Диф. вход. сопр., МОм	1000	1	-	-	-	10
f т, МГц	15	30	800	60	800	300
Скор. нараст., В/мкс	50	400	900	15	650	400
Ток потр., мА	3,5	7	25	4	-	5
Макс. вых. ток, мА	5	5	10	15	55	60
Вых. сопр. R вых, Ом	-	-	-	70	-	-
Примечание	ОУ с ПТ на входе				Устойчив при К>2	Двухканальный вариант - AD8056

Параметры	Прецизионные операционные усилители
	140УД21	MAX400	ICL7652	OPA177	LMC6001
Напр. питания, В	+/-12 - +/-20	+/-3 - +/-18	+/-2,5 -+/-8	+/-15	+/-5 - +/-15
Коэфф. усиления, В/мВ	1000	1000	6000	3000	5000
КОСС, дБ	120	120	120	-	75
U см, мВ	0,05	0,01	0,005	0,01	0,35
Входн. ток, нА	1	1	0,03	1,5	25 фA
Диф. вход. сопр., МОм	-	60	-	-	>1 ТОм
f т, МГц	3	0,6	0,45	0,4	1,3
Скор. нараст., В/мкс	2,5	0,3	0,6	0,1	1,5
Ток потр., мА	5	-	2	-	0,75
Макс. вых. ток, мА	-	5	-	12	20
Вых. сопр. R вых, Ом	-	60	-	-	-
Примечание	ОУ с прерыванием		ОУ с прерыванием		Сверхвысокое R вх

Параметры	Микромощные операционные усилители
	MAX438	MAX480	MAX406	AD8541	140УД12
Напр. питания, В	+/-3 -+/-5	+/-0,8 -+/-18	2,5-10	2,7-5,5	+/-1,5 - +/-18
Коэфф. усиления, В/мВ	6	1000	1000	300	50 25
КОСС, дБ	90	190	80	80	70
U см, мВ	0,5	0,075	0,5	5	5
Входн. ток, нА	2	3	0,1 пА	0,004	50 10
Диф. вход. сопр., МОм	90	30	-	-	50 5
f т, МГц	6	0,02	0,02	0,7	1 0,2
Скор. нараст., В/мкс	10	0,01	0,02	0,7	0,8 0,1
Ток потр., мА	0,075	0,015	0,0012	0,04	0,2 0,03
Макс. вых. ток, мА	3	1	-	25	2
Вых. сопр. R вых, Ом	-	-	-	-	1000 5000
Примечание		Может работать с одним источником	Один источник	Есть сдвоенный и счетверенный варианты	I у =15 мкА I у =1,5 мкА Программируемый

Параметры	Высоковольтные и мощные операционные усилители

Компания National Semiconductor, основанная в 1959 году, прошла огромный путь от производства первых дискретных транзисторов до сложнейших современных микроэлектронных устройств. Одним из приоритетных направлений деятельности фирмы на протяжении всего ее существования была разработка интегральных операционных усилителей (ОУ).

В 1968 году инженерами National Semiconductor был создан первый в мире двухкаскадный операционный усилитель LM101, положивший начало целому направлению в построении всевозможных аналоговых электронных устройств. Современные операционные усилители National Semiconductor соответствуют, а по многим параметрам и превосходят мировой уровень устройств данного класса, при этом имеют цены существенно меньшие, чем у других фирм, позволяя разработчикам успешно решать широкий круг задач по созданию различной электронной аппаратуры.

Большинство современных интегральных операционных усилителей выполняются по схеме прямого усиления с дифференциальными входами и рассчитаны на симметричное двухполярное питание (хотя все чаще используется и однополярное). Кроме двух входов, выхода и выводов питания, операционный усилитель может также иметь выводы для балансировки, коррекции, программирования (задания определенных параметров величиной управляющего тока) и другие.

В идеальном случае операционный усилитель должен иметь бесконечный коэффициент усиления по напряжению, бесконечно большое входное и бесконечно малое выходное сопротивления, бесконечно большую амплитуду выходного сигнала, бесконечно большой диапазон усиливаемых частот и отсутствие шумов. Параметры операционных усилителей не должны зависеть от внешних факторов, напряжения питания и температуры. При соблюдении этих условий передаточная характеристика операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью (ООС), точно соответствует передаточной характеристике цепи ООС и не зависит от параметров самого усилителя.

Реальные операционные усилители имеют характеристики, отличающиеся от идеальных, что является поводом для их всесторонней классификации. Реальный операционный усилитель - это компромисс взаимоисключающих требований с достижением наилучших свойств по одному или нескольким параметрам, каковыми могут являться: минимизация напряжения смещения и входных токов, достижение максимальной полосы усиливаемых частот и скорости нарастания выходного напряжения, уменьшение потребляемого тока и питающего напряжения и другие. Параметры операционного усилителя можно разделить на несколько групп - входные, выходные, усилительные, частотные, энергетические, шумовые и т. д. . Наряду с эксплуатационными параметрами, определяющими номинальный температурный режим работы операционного усилителя, допустимые параметры входных и выходных цепей и требования к источникам питания, весьма важными являются также максимально возможные значения ряда параметров, превышение которых не допускается. В настоящее время сложилась определенная (хотя и не очень строгая) классификация операционных усилителей по сочетанию различных параметров, отражающая их предпочтительное использование в том или ином классе устройств. Отметим также, что параметры операционных усилителей в значительной степени определяются их схемотехникой и используемой полупроводниковой технологией.

Фирма National Semiconductor использует следующую классификацию операционных усилителей, которая частично проявляется в первых двух-трех буквах маркировки микросхем, выпускаемых фирмой:

1. Усилители общего применения (General Purpose - LM, LMC) - коэффициент усиления до 100 дБ, напряжение смещения более 1 мВ, частота единичного усиления до 10 МГц.
2. Маломощные (Low Power - LP, LPV) - ток потребления менее 1,5 мА.
3. Микромощные (Micro Power - LP, LPV) - ток потребления менее 25 мкА.
4. Низковольтные (Low Voltage - LMV) - напряжение питания менее 3 В.
5. Прецизионные (Precision - LMP) - коэффициент усиления более 100 дБ, напряжение смещения менее 1 мВ.
6. Быстродействующие (High Speed - LMH) - частота единичного усиления более 50 МГц.
7. Малошумящие (Low Noise) - напряжение шумов менее 10 нВ/Гц 1/2 .
8. Мощные (High Output Power) - выходной ток более 100 мА.
9. С выходным и входным напряжением, близким к напряжению питания (Rail to Rail Output/Input).

В усилителях Rail to Rail максимальная и минимальная амплитуда выходного напряжения практически совпадают с соответствующими значениями напряжения питания, а допустимые значения синфазного входного напряжения равны или даже могут выходить за пределы напряжения питания. Последнее используется, например, в усилителях с однополярным питанием с возможностью подачи на вход отрицательного напряжения.

Как уже было сказано выше, данное разделение по понятным причинам не является строгим, буквенная классификация также не всегда соблюдается, операционный усилитель может быть одновременно низковольтным, быстродействующим, малошумящим, с выходным напряжением, близким к напряжению питания, и т. п. Кроме того, операционные усилители одного типа выпускаются в различных корпусах, а также по два, три или четыре усилителя в одном корпусе (многоканальные) и, наконец, в исполнениях, предназначенных для общего (Commercial - C), промышленного (Industrial - I, E) и военного применения (Military - M), отличающихся по ряду параметров, в частности, по диапазону рабочих температур (C: 0...+70 °C; I: –40...+85 °C; E: –40...+125 °C; M: –55...+125 °C).

Следует также отметить, что наряду с освоением производства новых изделий фирма непрерывно занимается усовершенствованием и развитием операционных усилителей, выпускавшихся ранее, что хорошо видно, например, на широко известном недорогом и очень популярном семействе маломощных счетверенных операционных усилителей с однополярным питанием (Single Supply) LM124/224/324/2902 и током потребления 0,2–0,4 мА на канал. Выпускается ряд их модификаций: LP324/LP2902 - микромощные с током потребления 21 мкА, LMV324 - низковольтный, с напряжением питания от 2,7 до 5,5 В, LPV324 - микромощный низковольтный с током потребления 9 мкА, изготавливаемый по фирменной технологии BiCMOS, и другие .

Отметим также, что для современных операционных усилителей, как, впрочем, и для других интегральных микросхем, имеется тенденция к уменьшению габаритов и все более широкому использованию корпусов для поверхностного монтажа. Широко распространенные ранее корпуса DIP и TSSOP заменяются на значительно меньшие SOIC, SOT-23 и SC-70 (последний имеет размеры 2×2×1 мм); ряд микросхем для поверхностного монтажа выпускается в особо малогабаритных корпусах microSMD с размерами 1,285×1,285×0,85 мм и менее.

В нашей предыдущей статье были рассмотрены быстродействующие операционные усилители National Semiconductor. Здесь мы остановимся на других типах операционных усилителей, выпущенных фирмой в последние годы. Обзор начнем с усилителей, основные параметры которых при напряжении питания 5 В приведены в таблице 1 и соответствуют операционным усилителям общего применения.

Таблица 1. Основные параметры современных операционных усилителей общего применения National Semiconductor

Операционные усилители общего применения

Как видно из таблицы 1, большая часть этих усилителей - низковольтные и мало- и микромощные в миниатюрных корпусах, что отражает современные тенденции проектирования электронной аппаратуры.

Семейство операционных усилителей LMV341/2/4 предназначено для использования в портативной аппаратуре с автономным питанием. Операционные усилители отличаются очень высокими параметрами по входному току и шумам. В режиме отключения (Shutdown) потребляемый ток уменьшается до типового значения всего 45 пА, а время перехода в рабочий режим не превышает 5 мкс. Усилители выпускаются в различных корпусах, в том числе, и в SC70-6L, весьма подходящем для размещения на материнских платах персональных компьютеров и ноутбуков. Отметим, что данные усилители работоспособны в расширенном температурном диапазоне (до 125 °С).

Характерной особенностью семейств операционных усилителей LMV931/2/4 и LMV981/2 (c режимом отключения Shutdown) является очень низкое минимальное напряжение питания 1,8 В, в связи с чем они позиционируются фирмой для применения в аппаратуре, питающейся от одного Li-Ion гальванического элемента, а также для систем контроля питания. Особенностями этих усилителей являются также вход и выход Rail to Rail и весьма высокий (101 дБ) коэффициент усиления при сравнительно малом уровне шумов, что дает возможность использовать данные операционные усилители в аудиоаппаратуре с низковольтным питанием.

Семейства операционных усилителей LMV321/358/324 и LPV321/358/354 (низковольтный и микромощный вариант соответствующих сверхпопулярных операционных усилителей серии LM), а также усилители LM2904/02 в миниатюрном корпусе microSMD и LP2902 (аналоги LM358/324 и LP324) являются классическими современными операционными усилителями общего применения и могут быть использованы в широком классе устройств. Отметим, что LM2904/02 и LP2902 могут работать при одно- и двухполярном питании с размахом от 3 до 32 В.

Операционный усилитель LMV301 - это CMOS-вариант LMV321. Он отличается крайне малым входным током и низким минимальным напряжением питания усилители в миниатюрном корпусе SC70 и может использоваться в устройствах выборки-хранения, усилителях сигналов фотодатчиков и других устройствах с батарейным питанием.

Операционные усилители семейства LMV821/22/24 отличаются сравнительно большим быстродействием (частота единичного усиления 5 МГц, скорость нарастания выходного напряжения 1,4 В/мкс) при малом энергопотреблении. Они также имеют хорошие параметры по напряжению смещения и его дрейфу (3,5 мВ и 1 мкВ/°С соответственно). Выпускаются в различных корпусах и предназначены для использования в технике связи - модемах, беспроводных и мобильных телефонах и других устройствах.

Операционный усилитель LMC7101 с входом и выходом Rail to Rail и его микромощный вариант LMC7111 выполнены по технологии CMOS в миниатюрных корпусах и предназначены для применения в различной портативной аппаратуре с автономным питанием. Благодаря очень малому входному току они могут использоваться в устройствах выборки-хранения и других, требующих большого входного сопротивления (гарантированное значение не менее 1 ТОм).

Заслуживает внимания операционные усилители LM7301 с входом и выходом Rail to Rail, сочетающий очень высокие значения различных параметров, в частности, широкий диапазон напряжения питания, относительно большое быстродействие, высокие коэффициенты усиления и подавления синфазных сигналов, а также CMOS операционные усилители LMC8101 с возможностью отключения. Эти усилители выпускаются в миниатюрных корпусах SOT-23 и microSMD и могут быть использованы в различных устройствах с соответствующими параметрами.

Сравнительно мощные и быстродействующие операционные усилители LM8261/2 и LM8272 с входом и выходом Rail to Rail и не лимитированной емкостью нагрузки предназначены для применения в схемах драйверов для жидкокристаллических экранов, выходных каскадов ЦАП, усилителей головных телефонов и других устройствах. Они работают в широком диапазоне напряжения питания и отличаются низким уровнем шумов и искажений.

Малошумящие операционные усилители семейства LMV721/2 предназначены для применения во входных каскадах усилительной аппаратуры, в том числе и с батарейным питанием. Выпускаются в миниатюрных корпусах и бескорпусном исполнении для встраивания в различные устройства, например, электретные микрофоны.

Прецизионные операционные усилители

Далее перейдем к рассмотрению последних разработок прецизионных операционных усилителей National Semiconductor, основные параметры которых при напряжении питания 5 В приведены в таблице 2. В дополнение к параметрам операционных усилителей общего применения для прецизионных усилителей весьма важными являются температурный дрейф напряжения смещения, коэффициент усиления и коэффициенты подавления синфазных сигналов (Common Mode Rejection Ratio - CMRR) и влияния нестабильности напряжения питания (Power Supply Ripple Rejection - PSRR).

Таблица 2. Основные параметры современных прецизионных операционных усилителей National Semiconductor

Семейства операционных усилителей LMC6081/2/4 и LMC6482/4 - с входом и выходом Rail to Rail выполнены по технологии CMOS и представляют типовые прецизионные операционные усилители, способные работать с однополярным питанием. Выпускаются также их микромощные аналоги с током потребления 20 мкА и пониженным быстродействием - LMC6061/2/4 и LMC6462/4. Область применения этих операционных усилителей - инструментальные усилители, устройства обработки сигналов, усилители сигналов пьезодатчиков и датчиков излучения, медицинская аппаратура (усилители биопотенциалов) и т. п.

Отличительной особенностью операционных усилителей LMC6001 является ничтожно малое типовое значение входного тока 10 фА и, соответственно, способность работать в электрометрических устройствах, приборах для измерения токов утечки, детекторах излучения, различной научной аппаратуре и т. п. Примечательна методика, используемая фирмой для тестирования каждой из только что изготовленных микросхем LMC6001 - 3 раза подряд в первую минуту. Экземпляры с входным током более 25 фА отбраковываются. Достоинством операционных усилителей является также низкий уровень шумов 22 нВ/Гц 1/2 и наличие защиты от электростатического потенциала до 2000 В. Выпускается в корпусах MDIP и круглом металлостеклянном корпусе MCAN. Отметим, что успешное применение операционных усилителей с малыми входными токами возможно только при отсутствии токов утечки по поверхности монтажной платы. Величина этих токов может на несколько порядков превышать входные токи усилителя и, следовательно, вызвать значительное смещение его нуля. Выходом из положения является создание на печатной плате специальных охранных колец вокруг входов операционных усилителей или соединение входов усилителя с другими элементами схемы вне платы. Образцы рисунков печатных плат для монтажа усилителей со сверхмалыми входными токами имеются на сайте компании.

Малошумящие прецизионные операционные усилителеи LMV751 и LMV771/2/4 с выходом Rail to Rail и однополярным питанием выпускаются в миниатюрных корпусах и предназначены для применения во входных каскадах различной аппаратуры. Они отличаются повышенным быстродействием и малыми искажениями, что дает возможность использовать данные операционные усилители в высококачественной аппаратуре с низковольтным питанием.

Следует отметить, что National Semiconductor выпускает специальные операционные усилители - сдвоенный LM833 и счетверенный LM837 (в таблице не представлены) - для использования в аудиотехнике класса Hi-Fi. По своим параметрам эти усилители приближаются к прецизионным и отличаются малым напряжением смещения (0,3 мВ), высоким коэффициентом усиления (110 дБ), очень низким уровнем шумов в звуковом диапазоне (4,5 нВ/Гц 1/2) и чрезвычайно малыми нелинейными искажениями (0,0015%). Операционные усилители скорректированы для любого коэффициента усиления вплоть до единичного, и наряду с использованием в предварительных УЗЧ их можно применять в самой различной аппаратуре для усиления слабых сигналов.

Последнее достижение National Semiconductor - это основанная на уникальной технологии непрерывной коррекции смещения на входе серия доступных по цене ультрапрецизионных операционных усилителей LMP2011/2/4 с ничтожно малыми величинами напряжения смещения (типовое значение 0,8 мкВ) и его температурного дрейфа (0,015 мкВ/°С). В отличие от операционных усилителей других фирм, в которых используется метод коррекции нуля сравнительно низкочастотной стабилизацией прерыванием , создающей значительные шумы и искажения сигнала, в LMP201x частота коррекции составляет 35 кГц, что позволяет перенести основной шумовой спектр в высокочастотную область, достигнув тем самым очень низкого уровня шумов и искажений в диапазоне частот до нескольких десятков килогерц. В целом совокупность великолепных характеристик операционных усилителей LMP201x, таких, как сверхмалое смещение и дрейф, весьма высокие для прецизионных операционных усилителей полоса пропускания и скорость нарастания выходного напряжения в сочетании с низкими шумами и малым потребляемым током, дает возможность применять эти микросхемы в широком классе устройств с повышенной точностью и температурной стабильностью.

В заключение обзора прецизионных операционных усилителей рассмотрим еще одну недавнюю разработку National Semiconductor - семейство прецизионных дифференциальных усилителей с фиксированным коэффициентом усиления и сверхшироким диапазоном входных синфазных напряжений LMP8270/1, предназначенных для применения в токоизмерительных устройствах, автомобильной электронике и других схемах, в которых необходимо выделить слабый дифференциальный сигнал на фоне очень большого синфазного напряжения.

Структура и типовая схема включения усилителя LMP8271 в схеме измерителя тока представлены на рис. 1. Микросхема содержит патентованное входное устройство сдвига уровня и двухкаскадный усилитель с общим коэффициентом усиления 20. LMP8270 отличается отсутствием вывода OFFSET. В типовой схеме включения связь между каскадами осуществляется через простейший RC-фильтр нижних частот с внешним конденсатором.

Рис. 1. Структура и типовая схема включения усилителя LMP8271

Усилитель LMP8270 выделяет входной сигнал только положительной полярности, в то время как LMP8271 может усиливать и отрицательный сигнал. Возможность усиления отрицательного входного напряжения V IN достигается благодаря сдвигу уровня выходного напряжения V OUT на некоторую постоянную величину согласно графикам, приведенным на рис. 2. Сдвиг производится подачей управляющего напряжения на специальный вход микросхемы LMP8271 OFFSET. Если вход OFFSET соединен с общим проводом, LMP8271 выделяет только положительный входной сигнал. При подаче на вывод OFFSET напряжения питания V S к выходному напряжению усилителя прибавляется половина напряжения питания, и таким образом вход усилителя становится биполярным. В принципе, на вход OFFSET можно подавать любое напряжение V X от 0 до V S , при этом к выходному напряжению прибавляется величина V X /2.

Рис. 2. Зависимость входного и выходного напряжения усилителя LMP8271 от управляющего сигнала OFFSET

Программируемые операционные усилители

National Semiconductor выпускает ряд операционных усилителей, параметрами которых можно управлять путем изменения тока через специальный вывод микросхемы, - так называемые программируемые операционные усилители. Новейший образец программируемого операционного усилителя - сдвоенный усилитель LMV422 - интересен тем, что может работать в двух режимах, обычном и экономичном, при этом, естественно, параметры усилителя ухудшаются, но основные функции сохраняются, что может быть весьма полезным, например для поддержания аппаратуры в «ждущем» состоянии, переходе на резервное питание и т. п. В нормальном режиме (Full; управляющий вывод PS заземлен) операционные усилители потребляет ток 400 мкА и имеет параметры, близкие к прецизионным усилителям (см. табл. 1). В экономичном режиме (Low; на управляющий вывод PS подано напряжение более 4,5 В) потребляемый ток снижается до 2 мкА, и усилитель становится ультрамикромощным. Каждый усилитель микросхемы имеет свой независимый вывод управления PS. Операционные усилители LMV422 скорректированы для коэффициента усиления больше 2, выпускаются в 10-выводном корпусе MSOP.

Комбинированные устройства

Тенденция к уменьшению габаритов электронной аппаратуры подводит разработчиков к созданию различных комбинированных устройств на основе операционных усилителей. В частности, для нужд видеотехники фирма National Semiconductor выпускает наборы быстродействующих операционных усилителей с мультиплексорами LMH6570/2/4, параметры которых приведены в таблице 3.

Таблица 3. Основные параметры усилителей-мультиплексоров National Semiconductor

Микросхема LMH6572 содержит три комплекта мультиплексоров 2:1 и высококачественных буферных усилителей с коэффициентом усиления 2, а LMH6570 и LMH6574 - соответственно 2 и 4 буферных усилителя, мультиплексор и высококачественный быстродействующий операционный усилитель с очень высокими параметрами по частотным характеристикам, скорости нарастания выходного напряжения, нелинейным искажениям и шумам, что позволяет использовать их в различных устройствах обработки и усиления видеосигналов, мониторах, многоканальных АЦП, аппаратуре телевидения высокой четкости и др. Как и все операционные усилители National Semiconductor, ориентированные на видеоприложения, операционные усилители микросхем LMH6470/2/4 обеспечивают минимальные значения специфических для видеосигналов искажений типа «дифференциальное усиление» и «дифференциальная фаза» . Структура и типовая схема включения мультиплексора LMH6570 и таблица его состояний приведены на рис. 3. Управление работой мультиплексора производится стандартными логическими уровнями на контактах SEL и SD.

Рис. 3. Структура и типовая схема включения мультиплексора LMH6570 и таблица его состояний

Во многих схемах электропитания и других устройствах часто используются операционные усилители вместе с источниками опорного напряжения (ИОН). National Semiconductor выпускает несколько комбинированных микросхем, содержащих два и более операционных усилителей с фиксированным или регулируемым ИОН. Для примера рассмотрим микросхему LM432, состоящую из двух операционных усилителей, аналогичных популярному LM358, и источника фиксированного опорного напряжения 2,5 В с выходным током до 10 мА и нестабильностью не более 4 мВ в диапазоне температур от 40 до +85 °C. Структура микросхемы приведена на рис. 4. Диапазон ее применений может быть самый разнообразный - простейшие линейные стабилизаторы напряжения, устройства ШИМ импульсных преобразователей и др.

Рис. 4. Структура микросхемы LM432

Аналоговые компораторы

В ассортименте продукции National Semiconductor имеется также большое число интегральных аналоговых компараторов, производством которых с большим успехом фирма занимается уже много лет. В частности, представленная в 1970 году серия компараторов с однополярным питанием LM139/239/339 оказалась настолько удачной, что ее модификации LM193/293/393/2903 и другие выпускаются и в настоящее время несколькими фирмами в разных странах.

Наряду с общими для операционных усилителей параметрами для компараторов весьма важным является время переключения (Response Time) - промежуток времени от начала сравнения входных напряжений до момента, когда выходное напряжение достигает соответствующего логического уровня. Современные низковольтные компараторы обычно выполняются по технологии BiCMOS, которая позволяет совместить высокое быстродействие и низкий уровень шумов с малым энергопотреблением, а также получить выходное напряжение, близкое к напряжению питания. Как и операционные усилители, компараторы можно условно разделить на универсальные или общего применения, быстродействующие, микромощные, с выходом Rail to Rail, прецизионные и т. п., причем для их маркировки National Semiconductor использует ту же систему, что и для операционных усилителей. Основные параметры современных компараторов National Semiconductor при напряжении питания 5 В приведены в таблице 4.

Таблица 4. Основные параметры современных аналоговых компараторов National Semiconductor

Семейство универсальных компараторов, приведенное в первой строке таблицы, выполнено по биполярной технологии с выходом в виде открытого коллектора (ОК), работоспособно в широком диапазоне напряжений питания (как двухполярного, так и однополярного) и по выходному напряжению совместимо с различными типами цифровых логических устройств: TTL, CMOS, ECL и др. Новейшие компараторы семейства выполнены в миниатюрных корпусах microSMD и предназначены для использования в портативных устройствах с автономным питанием.

Компараторы LMV331/393/339 - это низковольтный вариант предыдущего семейства, выполненный по технологии BiCMOS. Они позиционируются для применения в устройствах с однополярным питанием от 2,7 до 5 В.

Счетверенный микромощный компаратор LP339 выполнен по биполярной технологии и предназначен для применения совместно с логическими устройствами CMOS в широком диапазоне напряжений питания. Примечательно, что величина потребляемого одним компаратором тока (15 мкА) от напряжения питания не зависит.

Микромощные CMOS-компараторы LMC7211 с двухтактным выходом (2Т) и LMC7221 с выходом в виде открытого стока (ОС) выпускаются в миниатюрных корпусах SOT23 и предназначены для применения в различных портативных устройствах - ноутбуках, мобильных телефонах и т. д. Еще большей экономичностью обладают аналогичные компараторы LMC7215 и LMC7225 с потребляемым током всего 0,7 мкА. Эти компараторы имеют вход и выход Rail to Rail и предназначены для использования в схемах с режимом ожидания.

Последние разработки компараторов National Semiconductor выполнены по технологии BiCMOS и отличаются уникальным сочетанием различных параметров. Современные универсальные компараторы LMV7235/39 обеспечивают время переключения 45 нс при потребляемом токе 65 мкА. Высокоскоростной вариант LMV7219 имеет время переключения 7 нс, а низковольтные модификации LMV7271/2/5 и LMV7291 работоспособны при напряжении питания 1,8 В. Четкое переключение компараторов при сравнении медленно меняющихся входных сигналов гарантируется внутренним гистерезисом схемы. Все компараторы серии LMV72xx выпускаются в миниатюрных корпусах.

Прецизионные одиночный и сдвоенный CMOS-компараторы LMV761/2 отличаются весьма малыми величинами напряжения смещения и входного тока при сравнительно высоком быстродействии. Компаратор LMV761 имеет режим отключения (Shutdown), при котором потребляемый ток снижается до 0,2 мкА, а выход компаратора переходит в высокоимпедансное состояние. Время перехода в рабочий режим не превышает 4 мкс. Отметим, что по техническим условиям для этих микросхем неиспользуемый вывод отключения SD нельзя оставлять свободным, а следует соединить его с положительным выводом питания.

В ассортименте продукции National Semiconductor имеется ряд комбинированных микросхем на основе аналоговых компараторов. Это, например, детектор спада напряжения питания LMS33460, формирующий активный (нулевой) уровень при снижении напряжения питания устройства до 3 В. Структура микросхемы LMS33460 и типовая схема ее включения приведены на рис. 5.

Рис. 5. Структура микросхемы детектора спада напряжения питания LMS33460 (а) и его типовая схема включения (б)

В состав микросхемы LMS33460, выполненной в миниатюрном корпусе SC70-5, входит прецизионный ИОН, компаратор с гистерезисом и выходной каскад с открытым стоком. Диапазон входных напряжений микросхемы - 0,8–7 В, величина потребляемого тока не превышает 1 мкА, при этом время переключения в активное состояние составляет 70 мкс.

Выбор нужного операционного усилителя

Для сокращения затрат времени на выбор и тестирование операционных усилителей National Semiconductor создала удобную онлайновую технологию Amplifiers Made Simple, являющуюся частью программной оболочки WEBENCH, размещенной на сайте фирмы. Новое интерактивное средство имеет мощную систему поиска, позволяющую быстро и точно находить нужный компонент среди массы других изделий, каждое из которых обладает множеством разнообразных электрических характеристик.

На первом этапе Amplifiers Made Simple дает возможность выбрать оптимальный тип операционного усилителя, соответствующий требованиям пользователя. Затем производится поиск операционных усилителей среди изделий фирмы National Semiconductor, в результате чего выявляются операционные усилители, наилучшим образом подходящие для решения данной конкретной задачи. Как и все прочие инструментальные средства семейства WEBENCH, Amplifiers Made Simple является абсолютно бесплатным. Различные инструменты семейства интегрированы друг с другом, что создает дополнительные удобства для пользователя.

Благодаря средству Amplifiers Made Simple разработчику электронных устройств больше нет необходимости производить трудоемкие расчеты схем и дорогостоящее физическое макетирование. Технология обеспечивает мгновенный доступ к самым последним SPICE-моделям, параметрам и иной информации об операционных усилителях National Semiconductor, а также позволяет пользователю проводить сравнение характеристик нескольких устройств одновременно. Компания National Semiconductor гарантирует поставку любых поддерживаемых средствами WEBENCH продуктов в течение 24 часов.

Широкая номенклатура и невысокая стоимость интегральных операционных усилителей National Semiconductors, а также возможность онлайнового выбора делает их весьма привлекательными для широкого круга разработчиков РЭА. Информацию по рассмотренным операционным усилителям, а также другим компонентам производства компании National Semiconductor вы можете найти по адесу http://promelec.ru/lines/nsc.html или на сайте производителя www.national.com.

Литература

1. Волович Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. М.: Издательский дом «Додэка-XXI». 2005.
2. National Analog Products Databook. 2004 Edition.
3. Штрапенин Г. Л. Быстродействующие операционные усилители фирмы National Semiconductor // Chip News. 2003. № 10.

65 нанометров - следующая цель зеленоградского завода «Ангстрем-Т», которая будет стоить 300-350 миллионов евро. Заявку на получение льготного кредита под модернизацию технологий производства предприятие уже подало во Внешэкономбанк (ВЭБ), сообщили на этой неделе «Ведомости» со ссылкой на председателя совета директоров завода Леонида Реймана. Сейчас «Ангстрем-Т» готовится запустить линию производства микросхем с топологией 90нм. Выплаты по прошлому кредиту ВЭБа, на который она приобреталась, начнутся в середине 2017 года.

Пекин обвалил Уолл-стрит

Ключевые американские индексы отметили первые дни Нового года рекордным падением, миллиардер Джордж Сорос уже предупредил о том, что мир ждет повторение кризиса 2008 года.

Первый российский потребительский процесор Baikal-T1 ценой $60 запускают в массовое производство

Компания «Байкал Электроникс» в начале 2016 года обещает запустить в промышленное производство российский процессор Baikal-T1 стоимостью около $60. Устройства будут пользоваться спросом, если этот спрос создаст государство, говорят участники рынка.

МТС и Ericsson будут вместе разрабатывать и внедрять 5G в России

ПАО "Мобильные ТелеСистемы" и компания Ericsson заключили соглашения о сотрудничестве в области разработки и внедрения технологии 5G в России. В пилотных проектах, в том числе во время ЧМ-2018, МТС намерен протестировать разработки шведского вендора. В начале следующего года оператор начнет диалог с Минкомсвязи по вопросам сформирования технических требований к пятому поколению мобильной связи.

Сергей Чемезов: Ростех уже входит в десятку крупнейших машиностроительных корпораций мира

Глава Ростеха Сергей Чемезов в интервью РБК ответил на острые вопросы: о системе «Платон», проблемах и перспективах АВТОВАЗа, интересах Госкорпорации в фармбизнесе, рассказал о международном сотрудничестве в условиях санкционного давления, импортозамещении, реорганизации, стратегии развития и новых возможностях в сложное время.

Ростех "огражданивается" и покушается на лавры Samsung и General Electric

Набсовет Ростеха утвердил "Стратегию развития до 2025 года". Основные задачи – увеличить долю высокотехнологичной гражданской продукции и догнать General Electric и Samsung по ключевым финансовым показателям.