Операционные усилители

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В настоящее время существует большое количество компаний занимающихся производством компонентов РЭА. Ниже будет приведен обзор операционных усилителей компании National Semiconductor.

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. [1]. 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.

Маломощные (Low Power - LP, LPV) - ток потребления менее 1,5 мА.

Микромощные (Micro Power - LP, LPV) - ток потребления менее 25 мкА.

Низковольтные (Low Voltage - LMV) - напряжение питания менее 3 В.

Прецизионные (Precision - LMP) - коэффициент усиления более 100 дБ, напряжение смещения менее 1 мВ.

Быстродействующие (High Speed - LMH) - частота единичного усиления более 50 МГц.

Малошумящие (Low Noise) - напряжение шумов менее 10 нВ/Гц1/2.

Мощные (High Output Power) - выходной ток более 100 мА.

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).

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 2Ч2Ч1 мм); ряд микросхем для поверхностного монтажа выпускается в особо малогабаритных корпусах microSMD с размерами 1,285Ч1,285Ч0,85 мм и менее.

1. Операционные усилители общего применения

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.

В заключение обзора операционных усилителей общего применения рассмотрим операционные усилители LMV710/11/12/14, выполненные по технологии BiCMOS с входным CMOS-каскадом. Особенностью операционных усилителей является наличие режима отключения (Shutdown), в котором потребляемый ток снижается до 0,2 мкА, при этом на выходе LMV711/12 устанавливается напряжение, на 50 мВ превышающее потенциал отрицательного вывода питания операционного усилителя, а выход усилителя LMV715 переходит в высокоимпедансное состояние, то есть практически отключается от схемы. Отметим, что по техническим условиям для этих микросхем неиспользуемый вывод отключения (SD) во избежание паразитной генерации нельзя оставлять свободным, а следует соединить его с положительным выводом питания.

2. 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).

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/Гц1/2 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/Гц1/2) 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 [1], 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.

Структура и типовая схема включения усилителя LMP8271

операционный усилитель программируемый прецизионный

Усилитель LMP8270 выделяет входной сигнал только положительной полярности, в то время как LMP8271 может усиливать и отрицательный сигнал. Возможность усиления отрицательного входного напряжения VIN достигается благодаря сдвигу уровня выходного напряжения VOUT 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 VS к выходному напряжению усилителя прибавляется половина напряжения питания, и таким образом вход усилителя становится биполярным. В принципе, на вход OFFSET можно подавать любое напряжение VX от 0 до VS, при этом к выходному напряжению прибавляется величина VX/2.

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

3. 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.

Литература

1. Резисторы: Справочник/ В.В. Дубровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Пратусевич и др.; Под ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1991. -528 с.: ил.

2. Конденсаторы: Справочник / И.И. Четвертков, М.Н. Дьяконов, В.И. Присняков и др.: Под ред. И.И. Четверткова, М.Н. Дьяконова. - М.: Радио и связь, 1993. -392 с.: ил.

3. Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные, стабилитроны, тиристоры: Справочник // А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев, В.В. Мокряков и др. Под ред. А.В. Голомедова.-М.: Радио и связь, 1988. - 528 с.; ил.

4. Операционные усилители и компараторы: лаб. Практикум по курсу «Микроэлектроника и микросхемотехника» для студентов специальности 1-36 04 02 «Промышленная электроника» / авт.-сост. Л.А. Захаренко. - Гомель: ГГТУ им. П.О. Сухого, 2007. -30 с.

5. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник/ С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон, В.И. Кулешов и др.; под ред. С.В. Якубовского. - М.: Радио и связь, 1989. - 496 с.: ил.

6. Сидоров И.Н., Скорняков С.В. Трансформаторы бытовой радиоэлектронной аппаратуры: Справочник. - М.: Радио и связь, 1994. - 320 с.: ил.

7. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: в 3-х томах. Пер. с англ. - М: Мир, 2003 г.

Размещено на Allbest.ru