От ламп к интегральным схемам: эволюция моделей операционных усилителей

Когда большинство людей думают об операционных усилителях, они представляют кремниевые ИС. Однако первые коммерческие ОУ были ламповыми схемами.

В 1952 году George A. Philbrick Researches, Inc. представила K2-W — первый универсальный ОУ. Он содержал два двойных триода в октальной (8-пиновой) базе, что позволяло легко устанавливать и обслуживать его в châssis того времени.

Схема показывает сборку двух триодов вместе с десятью резисторами и двумя конденсаторами — удивительно простой дизайн для того времени.

Как работают электронные лампы

Лампы ведут себя как n-канальные деплеционные IGFET: управляющая сетка проводит больше тока, когда она более положительна относительно катода, и меньше — когда менее положительна. В K2-W левый двойной триод образует дифференциальную пару, преобразующую инвертирующий и неинвертирующий входы в единый усиленный сигнал. Делитель 1 МОм – 2,2 МОм подаёт этот сигнал на левый триод второй лампы, дающий дополнительное усиление по напряжению и инвертирующий выход. Второй триод работает как неинвертирующий каскад для токового усиления. Неоновые лампы-стабилизаторы выполняют роль стабилизаторов напряжения, подобно зенерным диодам, создавая смещение между двумя однотактными усилителями.

При двуполярном питании +300 / –300 В K2-W мог раскачивать выход только ±50 В. Открытое усиление 15 000 – 20 000, скорость нарастания ±12 В/мкс, максимальный выходной ток 1 мА, потребляемая мощность в покое >3 Вт (без учёта накала). В 1952 году стоил около $24.

Твердотельные транзисторы и следующее поколение

Транзисторная технология дала ОУ с гораздо меньшим потреблением в покое и гораздо большей надёжностью при сопоставимой производительности. Philbrick P55A 1966 года имел открытое усиление 40 000, скорость нарастания 1,5 В/мкс, размах выхода ±11 В от ±15 В питания. Максимальный выходной ток 2,2 мА, цена $49 (~$21 за коммерческую версию). P55A — дискретная схема в твёрдом «кирпиче», напоминающем большой корпус ИС.

Можно собрать базовый ОУ из дискретных деталей, как на схеме ниже. Дифференциальная пара на транзисторах Q3 и Q4 играет ту же роль, что двойной триод в K2-W, преобразуя дифференциальный вход в однотактный выход.

Простой операционный усилитель из дискретных компонентов.

Революция интегральных схем

Появление ИС в середине 1960-х трансформировало дизайн ОУ. Fairchild выпустила 702, 709 и знаковый 741 между 1964 и 1968 годами. Хотя 741 считается устаревшим по современным меркам, он популярен у радиолюбителей за надёжность и защиту от короткого замыкания.

Внутренняя схема ОУ 741.

С технологией SSI 741 содержит всего несколько десятков компонентов, что делает непрактичной репликацию дискретными деталями. Это наглядно демонстрирует преимущества даже ранних ИС над громоздкими дискретными сборками.

Сравнение характеристик популярных ОУ

Ниже — выборка недорогих ОУ, иллюстрирующая диапазон доступных сегодня характеристик. 741 приведён как эталон, хотя современные дизайны далеко превосходят его спецификации.

Широко используемые операционные усилители

Модель	Кристаллов/корпус	Питание (В)	Полоса (МГц)	Ток смещения (нА)	Скорость нарастания (В/мкс)	Выходной ток (мА)
TL082	2	12 / 36	4	8	13	17
LM301A	1	10 / 36	1	250	0.5	25
LM318	1	10 / 40	15	500	70	20
LM324	4	3 / 32	1	45	0.25	20
LF353	2	12 / 36	4	8	13	20
LF356	1	10 / 36	5	8	12	25
LF411	1	10 / 36	4	20	15	25
741C	1	10 / 36	1	500	0.5	25
LM833	2	10 / 36	15	1050	7	40
LM1458	2	6 / 36	1	800	10	45
CA3130	1	5 / 16	15	0.05	10	20

Как видно, ток смещения варьируется драматически: CA3130 на MOSFET даёт удивительные 0,05 нА (50 пА), а LM833 на биполярных транзисторах — более 1 мкА. Входное сопротивление CA3130 заявлено как 1,5 ТОм (1,5×10¹² Ом).

Хотя 741 — классика учебников, его характеристики превзошли современные устройства. Например, LM1458 в том же корпусе даёт шире диапазон питания, в 50 раз большую скорость нарастания и почти в два раза больший выходной ток, сохраняя защиту от КЗ.

Мои рекомендации:

• Схемы с низким током смещения (медленные интеграторы): CA3130.
• Универсальное усиление постоянного тока: LM1458 (два ОУ в одном DIP-8).
• Большая полоса пропускания: LF353 (JFET вход, в 4 раза шире LM1458).
• Низковольтная работа: LM324 (питается от 3 В, четыре ОУ в 14-пиновом корпусе).
• Высокочастотное усиление переменного тока: LM318.

ОУ с высокой полосой пропускания и высоким выходным током

Специализированные ОУ выдают исключительную производительность при умеренной цене. Таблицы ниже подчеркивают модели, оптимизированные под полосу или ток.

ОУ с высокой полосой пропускания

Модель	Кристаллов/корпус	Питание (В)	Полоса (МГц)	Ток смещения (нА)	Скорость нарастания (В/мкс)	Выходной ток (мА)
CLC404	1	10 / 14	232	44 000	2600	70
CLC425	1	5 / 14	1900	40 000	350	90

CLC404 стоит $21,80, сравнимо с ценой K2-W в 1952 году. CLC425 дешевле — $3,23. Оба достигают высокой скорости ценой более высокого тока смещения и узких диапазонов питания.

ОУ с высоким выходным током

Модель	Кристаллов/корпус	Питание (В)	Полоса (МГц)	Ток смещения (нА)	Скорость нарастания (В/мкс)	Выходной ток (мА)
LM12CL	1	15 / 80	0.7	1000	9	13 000
LM7171	1	5.5 / 36	200	12 000	4100	100

LM12CL выдаёт потрясающие 13 А выходного тока за $14,40. Напротив, LM7171 даёт высокую скорость нарастания (4 кВ/мкс) всего за $1,19.

Для проектов, требующих экстремальной точности или повторяемости, производители вроде Burr-Brown и Analog Devices предлагают готовые инструментальные усилители и другие специализированные блоки. Хоть они дороже голых ОУ, они упрощают схемотехнику и часто повышают надёжность.

СВЯЗАННЫЙ ЛИСТ РАБОТЫ:

• Базовый лист работы по операционным усилителям