Модели операционных усилителей
Хотя упоминание операционных усилителей обычно вызывает представления о полупроводниковых устройствах, построенных в виде интегральных схем на миниатюрном кремниевом кристалле, первые операционные усилители на самом деле были схемами на электронных лампах. Первый коммерческий операционный усилитель общего назначения был произведен компанией George A. Philbrick Researches, Incorporated в 1952 году. Обозначенный как K2-W, он был построен на основе двух двухтриодных ламп, установленных в сборке с восьмеричным (8-контактным) разъемом. розетка для легкой установки и обслуживания в шасси электронного оборудования той эпохи. Сборка выглядела примерно так:
На принципиальной схеме показаны две лампы вместе с десятью резисторами и двумя конденсаторами, довольно простая схема даже по стандартам 1952 года:
Как работают вакуумные трубки?
Если вы не знакомы с работой электронных ламп, они работают аналогично N-канальным IGFET-транзисторам обедненного типа:то есть они проводят больший ток, когда управляющая сетка (пунктирная линия) сделана более положительной по сравнению с катод (изогнутая линия в нижней части символа трубки) и проводят меньше тока, когда управляющая сетка сделана менее положительной (или более отрицательной), чем катод. Сдвоенная триодная лампа слева работает как дифференциальная пара . , преобразующие дифференциальные входы (инвертирующие и неинвертирующие входные сигналы напряжения) в одиночный усиленный сигнал напряжения, который затем подается в управляющую сетку левого триода второй пары триодов через делитель напряжения (1 МОм - 2,2 МОм). Этот триод усиливает и инвертирует выходной сигнал дифференциальной пары для большего усиления по напряжению, затем усиленный сигнал подается на второй триод той же двухтриодной лампы в неинвертирующей конфигурации усилителя для большего усиления по току. Две неоновые «светящиеся лампы» действуют как регуляторы напряжения, аналогично полупроводниковым стабилитронам, обеспечивая напряжение смещения в соединении между двумя несимметричными триодами усилителя.
При двойном напряжении питания + 300 / -300 вольт этот операционный усилитель мог качать только выходное напряжение +/- 50 вольт, что очень плохо по сегодняшним стандартам. Он имел коэффициент усиления по напряжению без обратной связи от 15000 до 20000, скорость нарастания +/- 12 вольт / мксек, максимальный выходной ток 1 мА, потребляемую мощность в режиме покоя более 3 Вт (без учета мощности нитей накала ламп. !), и стоили около 24 долларов в долларах 1952 года. Лучшей производительности можно было бы достичь, используя более сложную схему проектирования, но только за счет большего энергопотребления, большей стоимости и снижения надежности.
Влияние твердотельных транзисторов на операционные усилители
С появлением твердотельных транзисторов стали возможны операционные усилители с гораздо меньшим энергопотреблением в режиме покоя и повышенной надежностью, но многие другие параметры производительности остались примерно такими же. Возьмем, к примеру, модель P55A от Филбрика, твердотельный операционный усилитель общего назначения примерно 1966 года. P55A обладал коэффициентом усиления разомкнутого контура 40 000, скоростью нарастания напряжения 1,5 В / мкс и размахом выходного напряжения +/- 11 вольт ( при напряжении источника питания +/- 15 вольт), максимальном выходном токе 2,2 мА и стоимости 49 долларов (или около 21 доллара для версии «служебного класса»). P55A, как и другие операционные усилители в линейке Philbrick того времени, имел конструкцию с дискретными компонентами, входящие в его состав транзисторы, резисторы и конденсаторы были размещены в сплошном «кирпичике», напоминающем большой корпус интегральной схемы.
Создать примитивный операционный усилитель из дискретных компонентов несложно. Схема одной из таких схем показана на рисунке ниже.
Простой операционный усилитель из дискретных компонентов.
Хотя по современным стандартам его производительность довольно мала, он демонстрирует, что сложность не является необходимой для создания минимально функционального операционного усилителя. Транзисторы Q 3 и Q 4 образуют основу другой схемы дифференциальной пары, полупроводникового эквивалента первой триодной лампы в схеме K2-W. Как и в схеме на вакуумной лампе, цель дифференциальной пары - усилить и преобразовать дифференциальное напряжение между двумя входными клеммами в несимметричное выходное напряжение.
Влияние технологии интегральных схем на конструкции операционных усилителей
С появлением технологии интегральных схем (ИС) конструкции операционных усилителей резко повысили производительность, надежность, плотность и экономичность. Между 1964 и 1968 годами корпорация Fairchild представила три модели операционных усилителей IC:702, 709 и все еще популярный 741. Хотя 741 сейчас считается устаревшим с точки зрения производительности, он все еще остается фаворитом среди любителей за простоту и отказоустойчивость (например, защита от короткого замыкания на выходе). Личный опыт злоупотребления многими операционными усилителями 741 привел меня к выводу, что убить этот чип сложно. . .
Внутренняя принципиальная схема операционного усилителя модели 741 показана на рисунке ниже.
Принципиальная схема операционного усилителя модели 741
По стандартам интегральных схем 741 - очень простое устройство:пример маломасштабной интеграции или SSI технологии. Было бы непросто построить эту схему с использованием дискретных компонентов, чтобы вы могли увидеть преимущества даже самой примитивной технологии интегральных схем по сравнению с дискретными компонентами, в которых задействовано большое количество деталей.
Сравнение характеристик некоторых операционных усилителей
Для любителя, студента или инженера, желающего добиться большей производительности, есть буквально сотни моделей операционных усилителей на выбор. Многие продаются менее чем за доллар за штуку, даже в розницу! Инструменты специального назначения и операционные усилители для радиочастот (RF) могут быть немного дороже. В этом разделе я продемонстрирую несколько популярных и доступных операционных усилителей, сравнив их характеристики производительности. Почтенный 741 включен в качестве «эталона» для сравнения, хотя, как я уже сказал, он считается устаревшим дизайном.
Широко используемые операционные усилители
В таблице выше перечислены лишь некоторые из недорогих моделей операционных усилителей, широко доступных от поставщиков электроники. Большинство из них можно приобрести в магазинах розничной торговли, таких как Radio Shack. Все они продаются напрямую от производителя по цене ниже 1 доллара (цены 2001 года). Как видите, производительность некоторых из этих устройств существенно различается. Возьмем, к примеру, параметр входного тока смещения:CA3130 получает приз за наименьшее значение 0,05 нА (или 50 пА), а LM833 имеет самое высокое значение, немного превышающее 1 мкА. Модель CA3130 обеспечивает невероятно низкий ток смещения за счет использования полевых МОП-транзисторов во входном каскаде. Один производитель заявляет, что входное сопротивление 3130 составляет 1,5 тераом, или 1,5 x 10 12 . Ω! В других представленных здесь операционных усилителях с низкими значениями тока смещения используются входные транзисторы JFET, а в моделях с высоким током смещения используются входные биполярные транзисторы.
В то время как 741 указан во многих схемах электронных проектов и показан во многих учебниках, его характеристики уже давно превзойдены по характеристикам по всем параметрам. Даже некоторые конструкции, изначально основанные на 741, были улучшены с течением времени и намного превзошли оригинальные технические характеристики. Одним из таких примеров является модель 1458, два операционных усилителя в 8-контактном DIP-корпусе, которая в свое время имела те же характеристики производительности, что и одиночный 741. В ее последнем воплощении она может похвастаться более широким диапазоном напряжений источника питания, в 50 раз больше, и почти в два раза больше выходного тока, чем у 741, при сохранении функции защиты от короткого замыкания на выходе 741. Операционные усилители с входными транзисторами JFET и MOSFET далеко превосходит 741-й по току смещения и, как правило, превосходит 741-й по полосе пропускания и скорости нарастания напряжения.
Мои личные рекомендации для операционных усилителей таковы:когда низкий ток смещения является приоритетом (например, в схемах низкоскоростного интегратора), выбирайте 3130. Для работы с усилителем постоянного тока общего назначения 1458 предлагает хорошие характеристики (и вы получить два операционных усилителя в пространстве одной упаковки). Для повышения производительности выберите модель 353, так как это совместимая по выводам замена модели 1458. Модель 353 разработана с входной схемой JFET для очень низкого тока смещения и имеет полосу пропускания, в 4 раза превосходящую 1458, хотя его предел выходного тока ниже (но все еще защищен от короткого замыкания). Его может быть труднее найти на полке в вашем местном магазине электроники, но он так же по разумной цене, как и модель 1458.
Если требуется низкое напряжение источника питания, я рекомендую модель 324, так как она работает от 3 вольт постоянного тока. Его требования к входному току смещения также невысоки, и он обеспечивает четыре операционных усилителя в одной 14-контактной микросхеме. Его основной недостаток - скорость, ограниченная полосой пропускания 1 МГц, и скорость нарастания выходного сигнала всего 0,25 В / мкс. Для схем высокочастотного усилителя переменного тока 318 - очень хорошая модель «общего назначения».
Образцы операционных усилителей с высокой пропускной способностью и сильным током
Операционные усилители специального назначения доступны по умеренной цене, что обеспечивает лучшие рабочие характеристики. Многие из них предназначены для определенного типа преимущества в производительности, например максимальной пропускной способности или минимального тока смещения. Возьмем, к примеру, операционные усилители, оба рассчитанные на широкую полосу пропускания, указанные в таблице ниже.
Операционные усилители с высокой пропускной способностью
CLC404 стоит 21,80 доллара (почти столько же, сколько первый коммерческий операционный усилитель Джорджа Филбрика, хотя и без поправки на инфляцию), в то время как CLC425 немного дешевле - 3,23 доллара за единицу. В обоих случаях высокая скорость достигается за счет больших токов смещения и ограниченных диапазонов напряжений источника питания. Некоторые операционные усилители, рассчитанные на высокую выходную мощность, перечислены в таблице ниже.
Сильноточные операционные усилители
Да, LM12CL на самом деле имеет номинальный выходной ток 13 ампер . (13000 миллиампер)! Его цена составляет 14,40 доллара, что не так уж много, учитывая чистую мощность устройства. LM7171, с другой стороны, торгует высокой выходной мощностью по току на возможность быстрой выходной мощности (высокая скорость нарастания напряжения). Его цена составляет 1,19 доллара, то есть примерно столько же, сколько у некоторых операционных усилителей общего назначения.
Пакеты усилителей также могут быть приобретены как полные прикладные схемы, а не как чистые операционные усилители. Например, корпорации Burr-Brown и Analog Devices, давно известные своими линейками прецизионных усилителей, предлагают инструментальные усилители в заранее разработанных корпусах, а также другие специализированные усилители. В конструкциях, где важны высокая точность и повторяемость после ремонта, разработчику схемы может быть выгодно выбрать такой предварительно спроектированный «блок» усилителя, а не строить схему из отдельных операционных усилителей. Конечно, эти устройства обычно стоят немного дороже, чем отдельные операционные усилители.
СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:
- Базовая таблица операционных усилителей
Промышленные технологии