Новости при операционните усилватели

ЕлектроникаСп. Инженеринг ревю - брой 6/2017 • 19.09.2017

Новости при операционните усилватели
Новости при операционните усилватели

Стефан Куцаров

Независимо от над 50-годишната си история операционните усилватели (Operational Amplifier) OУ продължават да се използват масово не само като самостоятелни интегрални схеми (ИС), но и все по-често като блокове на ИС извън областта на усилвателите.

Съществено е мястото на ОУ в бързоразвиващите се области на индустриалната и автомобилната електроника, сензорите, управлението на електродвигатели, приборите с батерийно захранване.

Освен класическите усилия за подобряване на параметрите и съответно приближаване до идеалния ОУ, подчертани са стремежът за намаляване на захранващото напрежение и снижаване на постояннотоковата консумация. 

В реализацията им продължава да преобладава ползването на биполярни транзистори независимо от даваните в началото на века прогнози за бързо нарастване на относителния дял на CMOS транзисторите. 

Трябва да се отбележи увеличаването на броя на ОУ, чиито параметри им позволяват едновременно да принадлежат към няколко вида. Поради това дадената тук класификация (за която няма международно приети норми) е според типичните стойности на един от тях, а в колона 2 на таблици 1-6 са добавени останалите видове, към които принадлежи съответният ОУ. 

Ползваните съкращения са PrA за прецизни ОУ, AUA на ОУ за автомобилостроенето (Automotive Amplifier), RRO за ОУ с максимална амплитуда на изхода (Rail-to-Rail Output), RRIO за такава и на входа (Rail-to-Rail Input and Output или Input Output Full Range).

Продължава твърде честото предлагане на набор от ОУ с еднакви параметри, но различаващи се по броя им в един корпус (1, 2 или 4) и/или по неговия вид. Постепенно нараства броят на моделите с допълнителни функции като изключване на захранващото напрежение (Shutdown), например ОУ на ред 1 от табл. 3 или “спящ режим” (Sleep Mode), например ОУ на ред 1 от табл. 3, който е подобен на изключването, но с възможност за по-бързо преминаване в активен режим за сметка на по-големия консумиран ток.

В статията са разгледани основно ОУ, произведени след 01.01.2015 г., с последната версия преди тази дата (в някои каталози като “NEW” се отбелязват пуснати по-рано на пазара) или отбелязани като препоръчвани за нови разработки (Recommended for New Design). Дадените в таблиците параметри са само за определено  Amp for Cost-Sensitive Systems), а старото схващане, че са със сравнително скромни параметри, вече губи смисъл. 

В статията за тях е ползвано съкращението GPA, а основните им прилозахранващо напрежение (Supply Voltage) VDD, а размерите са на един от предлаганите корпуси. Освен това за простота в таблиците не е отбелязано дали има разновидности с различен брой ОУ в корпуса.

ОУ с общо предназначение
Наименованието на този първи вид ОУ (General Purpose Op Amp, Standard OA) се дължи най-вече на по-ниската им цена (Low Cost OA, Opжения освен в класическите области като битова електроника, индустриални системи, управление на електродвигатели и измерване на токове (Current Sensing), за обработката на сигнали от сензори (Sensor Interface) и в постояннотокови захранвания и др. 

Специфична особеност е ограниченият брой нови модели, тъй като пуснатите на пазара през последното десетилетие продължават да имат напълно задоволителни параметри. В табл. 1 са дадени примери за характерни новости с основни параметри VDD, консумиран ток от всеки ОУ в корпуса (Channel Supply Current) IDD, входно напрежение на несиметрия (Input Offset Voltage) VOS (или VIO в част от каталозите), входен поляризиращ ток (Input Bias Current) IB (или Iib), коефициент на усилване по напрежение (Voltage Gain) AVO (или AOL), коефициент на широколентност (Gain Bandwidth Product, Unity Gain) GBР, скорост на изменение на изходното напрежение (Slew Rate) SR и коефициент на потискане на синфазните сигнали (Common Mode Rejection Ratio) CMRR. Трябва да се има предвид, че GBP и SR нарастват с увеличаване на VDD. Дадените на редове 1 и 2 са двойни ОУ (Dual Operational Amplifier), а на редове 1 и 3 са CMOS.

Прецизни ОУ
Характерни за този вид (Precision Operational Amplifier) са намалените стойности на VOS и IB, по-малкият температурен коефициент (Offset Drift) TCVOS (или DVOS/DT) на това напрежение и по-ниският нежелан собствен шум, оценяван чрез плътността (Noise Density) ND на входното шумово напрежение при определена честота с измерение nV/ЦHz или чрез нискочестотния шум (1/f Noise, Peak-to-Peak Voltage Noise) от връх до връх eNp-p в определена честотна лента. 

Важни са и много големите стойности на AVО (те позволяват чрез дълбока отрицателна обратна връзка да се подобрят и стабилизират параметрите на електронните схеми) и на входното съпротивление (Input Resistance) RIN (възможност за работа с високоомни източници на сигнал). Специфичното наименование Zero-Crossover на част от прецизните ОУ означава подобрена структура на входното им MOS стъпало, която едновременно осигурява малко VOS и амплитуда на входното напрежение, много близка до VDD. 

Друг пример е ОУ на ред 7 на табл. 2 към диференциалните двойки от NMOS и PMOS транзистори, на чието входно стъпало е прибавен блок (Charge Pump) за практически цялостно премахване на нелинейните изкривявания при напрежения дрейн-сорс на транзисторите под 1,8 V. 

Прецизните ОУ с допълнителен термин Zero-Drift в наименованието си имат във входното си стъпало блок за непрекъснато коригиране на измененията на VOS, благодарение на който те рязко намаляват и същевременно се понижава температурната зависимост на напрежението. Такъв блок също съдържа ОУ на ред 7 в табл. 2. За последните две подобрения на ОУ трябва да се прибави, че те вече се използват и в някои GPA.

Основните приложения на прецизните ОУ са за реализацията на измервателни усилватели (Instrumentation Amplifier) в прибори от най-различно естество (вкл. с батерийно захранване и медицински), в системи за събиране на данни (Data Acquisition), сензорни, за измерване на токове, реализация на прецизни постояннотокови захранвания и активни филтри, на входни буфери за многоразредни АЦП, системи за управление в автомобили и др.

В табл. 2 са дадени характерни примери за прецизни ОУ, като този на ред 3 е електрометричен усилвател (Electrometer Amplifier) поради нищожния си IB.

Бързи ОУ
Този тип (High Speed OA, Fast OA, HSA) са с големи стойности на SR (обикновено над 20V/ms), поради което често се означават като High Slew Rate OA. По принцип осигуряването на подобни SR обикновено е свързано и с получаването на широколентови ОУ (Wideband OA) с GBP над 100 MHz. 

При ползването на каталожна информация трябва да се внимава, тъй като някои производители означават като бързи ОУ такива с твърде скромни GBP и SR (пример за това е даденият на ред 4 от табл. 3). Масовото излизане на пазара на бързите ОУ бе в десетилетието около 2000 г. и днес едновременно с новите непрекъснато продължават да се появяват подобрени разновидности, които не трябва да се пренебрегват.

Сред специфичните параметри могат да се отбележат горната гранична честота при намаляване на АVО с 0,1dB (Bandwidth for 0,1dB Flatness) BW0.1dB и времето за установяване на изходното напрежение с точност 0,1% (Setting Time to 0,1%). Съществена практическа особеност е съчетаването на параметрите с тези на някой (или някои) от другите видове ОУ, вкл. маломощни.

Основните приложения на бързите ОУ са в измервателни прибори и системи като видеоусилватели, в комуникационни мрежи и системи за събиране на данни и обработка на сигнали, медицински прибори, сензори, драйвери за АЦП с голяма разрешаваща способност (не по-малка от 16b), буфери за цифровоаналогови преобразуватели (ЦАП), четящи устройства за радиочестотна идентификация, управление на електродвигатели, за реализация на активни филтри и др.

В табл. 3 са дадени основните параметри на бързи ОУ, като този в ред 2 е троен, а даденият на ред 6 има и диференциален изход (Fully Differential Amplifier).

Маломощни ОУ
Общата тенденция за създаване на електронни схеми с малка постояннотокова консумация и сравнително ниско VDD за апаратури с батерийно и мрежово захранване присъства и при ОУ. Към тяхната основна разновидност (маломощни ОУ – Low Power OA) с IDD до 1 mA постепенно се прибавиха микромощни ОУ (Micropower OA) и наномощни ОА (Nanopower OA) без да има фиксирана граница за различаване на трите типа. 

Вече съществуват и прибори (например даденият на ред 7 в табл. 4 и TSU101 на ST Microelectronics) с IDD под 1mA. В статията и за трите разновидности е ползвано съкращението LPA, а за постигане на параметрите им немалка част са реализирани с CMOS транзистори, което обикновено е отразено в тяхното наименование. 

Полезно е да се има предвид, че по принцип намаляването на IDD води до понижаване на GBP и SR и че много производители предлагат серии от LPA – например ST Microelectronics има 21 модела. Освен това при повече от един ОУ в корпуса стойността на IDD e за всеки от тях и обикновено е с измерение mA/Ch.

Освен приложенията в прибори с батерийно захранване, те се използват в автомобили (обикновено в системите за сигнализация), в системи за събиране и обработка на данни, за реализация на усилватели за измерване на ток (Current Sensing Amplifier), като буфери за АЦП и ЦАП, в индустриални прибори, комуникационни системи, постояннотокови захранвания, зарядни устройства и програмируеми логически контролери, активни филтри и компаратори.

Маломощните ОУ нямат специфични параметри, дължащи се на намалената им постояннотокова консумация, и затова примерите в табл. 4 ползват същите основни, както GPA. Този на ред 7 е от вече споменатия тип Zero-Crossover и има IDD в долната граница на съвременните възможности (минималната му консумирана мощност е 1.44 mW).

ОУ с максимална амплитуда
Като термин и ползвани съкращения този вид ОУ вече бяха споменати и използвани в дадените таблици. Същността им е, че типичната разлика на осигуряваното от тях изходно променливо напрежение от захранващите напрежения VDD и VSS (или нулата при единично захранване) е между няколко mV и няколко десетки mV, като нейното постигане обикновено се осигурява чрез CMOS транзистори, например изходното стъпало работи в клас АВ. 

При ползването на каталози трябва да се внимава, тъй като нерядко производителите наричат ОУ с максимална амплитуда такива с разлика от няколко стотици mV. От гледна точка на останалите параметри тези ОУ могат да са всеки от останалите видове.

Специфични параметри са максималното изходно напрежение (High Output Voltage) VOH и минималното (Low Output Voltage) VOL, давани при определени VDD и VSS или разликите (Output Voltage Swing from Rail) между тях и захранванията със същите означения. Те са в обратнопропорционална зависимост от съпротивлението RL на товара в изхода на ОУ (или изходният ток ISOURCE при VOH и ISINK при VOL), поради което обикновено се дават две техни стойности, например при 1 kW и 10 kW.

Логично VOH и VOL зависят и от изходното съпротивление на ОУ – параметър е стойността му ZOUT при определен коефициент на усилване AVО с обратна връзка. Реализацията с MOS транзистори определя неголемите стойности на GBP (до няколко MHz) и SR (рядко над 10 V/ms) и много малкия IB (от порядъка на 1 рА).

Характерни приложения на тези ОУ са обработката на сигнали от източници с голямо изходно съпротивление като сензори (особено с фотодиоди) и някои медицински прибори, както и в измервателни прибори с батерийно захранване (поради малките им VDD) и за входни блокове на АЦП. Сред новостите са единичният ADA4622-1 и двойният ADA4622-2 на Analog Devices с VOH=30 mV и VOL=5 mV при изходен ток 1 mA и аналогичните AZV831 и AZV832 на Diodes c VOH=VOL=3 mV при RL=10 kW.

Високоволтови ОУ
Наименованието им (High-Voltage OA) се дължи на възможността за работа с големи захранващи напрежения – обикновено не по-малки от ±30 V и съответно единично захранване VDDі60 V, без това да е долна граница според някакви международно приети норми.

Например такива не са дадените на ред 4 в табл. 2 и ред 3 на табл. 3, тъй като първият се препоръчва да работи с единично захранване до +40 V, а това на втория може да е двойно до ±18 V. 

Очевидно основното предназначение на този вид ОУ е захранване на високоволтови товари, а специфични приложения са в съответните измервателни прибори и такива за тестване на полупроводникови прибори, за управление на пиезосистеми за прецизно позициониране и в прибори, осигуряващи отклонение на поток от заредени частици чрез електростатично поле (Electrostatic Deflection).

Параметрите им обикновено са подобни на GPA, а единствената особеност в тях е предпочитанието за работа с двойно захранване с цел получаване на максимална амплитуда на изходното напрежение. Сред характерните примери е SG1536 на Microsemi за захранващи напрежения между ±12 V и ±36 V, максимално изходно напрежение 60 V от връх до връх и работа при околна температура между -55 и +125°С. 

Захранващото напрежение от ±100 V до ±1250 V на РА99 (Apex Microtechnology) позволява изходно напрежение до 2400 V от връх до връх, което заедно с максималния изходен ток Io от 50 mA го класифицира и в групата на мощните ОУ.

Мощни ОУ
Този вид ОУ (Power Operational Amplifier) POA се характеризират преди всичко с големи стойности на изходния си ток (Output Current) Io, поради което някои производители ги наричат High Current OA или High Current Drive OA. Няма точно определена граница за Io, над която ОУ се приемат за мощни, но в някои каталози и в статията е прието Ioі50 mA. 

Част от РОУ са и високоволтови, което трябва да се има предвид в приложенията. Освен Io специфични параметри са токът на късо съединение на изхода (Short-Circuit Protection Current Limit) IoSP, чиято стойност се ограничава от вградена в РОА схема, максималното изходно напрежение (Output Voltage Swing) Vo и максималната разсейвана мощност (Internal Power Dissipation) PDISS, която може да бъде отделена като топлина.

Характерни приложения на РОА са като драйвери на мощни полеви транзистори, захранване на PIN диоди, в CCD и пиезоприбори, ултразвукови устройства и генератори на сигнали, в прецизни постояннотокови стабилизатори (вкл. програмируеми), управление на постояннотокови електродвигатели, захранване на светодиоди (LED String Driver). Не е за пренебрегване работата на РОА без опасност от самовъзбуждане при значителни капацитивни товари, достигащи няколко десетки mF.

Друга особеност поради големия Io е обикновено наличието на няколко изхода, които трябва да се свързват успоредно. В техническата документация често се дават и препоръки за оформянето на печатната платка с РОА и за неговото охлаждане. 

Приложенията на мощните ОУ обикновено не предполагат поръчки на големи количества (в сравнение с вече разгледаните видове), поради което предлаганите на пазара се задържат по-дълго време и по-рядко се появяват нови модели.

В табл. 5 са дадени примери за типични РОА, като за този на ред 1 вместо AVO се използват препоръчваните стойности на коефициента на усилване AFB с ООВ, а даденият на ред 2 е двоен с термична защита.

Други видове операционни усилватели
Извън разгледаните видове съществува значително разнообразие на други ОУ със специфични, но не по-малко съществени приложения.
Малошумящи ОУ. Въпреки използваните за тях наименования Low Noise OA, Very Low Noise OA и Ultralow Noise OA, реално не се различават помежду си, а разпространената им абревиатура е LNOA. 

Един от начините за оценка на неизбежно генерирания от ОУ шум е чрез предполагаемата плътност на входното шумово напрежение (Voltage Noise Density) eN с типични стойности няколко nV/ЦHz. Влиянието й заедно с това на по-рядко ползвания допълнителен параметър плътност на шумовия ток (Current Noise Density) iN върху изходния шум на ОУ зависят и от реализирания с него коефициент на усилване и работната честотна лента и е предмет на специализирана литература.

Независимо от това основният начин за сравнение на шума на ОУ остава чрез стойността на eN. Практически не съществуват само LNOA, а чрез своите параметри те принадлежат към някой или някои от другите видове, каквито са например дадените на редове 3 и 6 в табл. 3.

Типични приложения на LNOA са във висококачествени аудиосистеми, портативни устройства, индустриални и измервателни прибори, вкл. за обработка на сигнали от сензори. Сред характерните примери са единичният ADA4522-1, двойният ADA4522-2 и четворният ADA4522-4 на Analog Devices с eN=5,8 nV/ЦHz, двойният NJM2122 на New Japan Radio (NJR) с eN=1,5 nV/ЦHz и TS971 (единичен), TS972 (двоен) и TS974 (четворен) на ST Microelectronics c eN=4 nV/ЦHz.

ОУ с диференциален изход. Обикновено се означават като Fully Differential Amplifier и наименованието им ясно показва тяхното предназначение – за захранване на диференциални (симетрични) товари, например драйвери за АЦП и регистри с последователно приближение с голяма разрешаваща способност, такива за симетрични линии (Differential Line Driver) и в измервателни прибори. 

Характерен пример от новостите е LTC6363 на Analog Devices, който същевременно е и LPA (има VDD=2,8 V-11 V и IDD=1,7 mA), PrA c GBP=500 MHz и SR=75 V/ms и RRIO, като работи при TA=-40°Cё +125°С и един от корпусите му е 3x2x0,75 mm. Друг от характерните примери е двойният THS4552 на Texas Instruments, който също е LPA (VDD=2,7V-5,4V и IDD=1,37mA/ch) и PrA (GBP=135 MHz и SR=220 V/ms), но и LNOA с eN=3,3 nV/ЦHz при същата ТА и един от корпусите е 4x4x0,75 mm.

Усилватели на импеданс (Transimpedance Amplifier, TIA). Вместо AVО те имат като параметър предавателен импеданс (Transimpedance Gain, Gain) TZ, представляващ отношение на изходното им напрежение Vо и входния ток Ii с измерение в W. Основното им предназначение е да усилват тока от фотодиоди и да го преобразуват в напрежение, но се използват и за реализация на оптически усилватели (Optical Amplifier) и прибори за преобразуване на ток в напрежение (I/V Convertion).

Характерен пример е ОРА857 на Texas Instruments с TZ=18,2 kW и диференциален изход, който може да усилва сигнали с честоти до 125 MHz и има SR=215V/ms. Независимо от малкия му корпус (3x3x0,9 mm) се предлага и чипът OPA857-DIE със същите параметри, но размери 0,807x0,785x0,015 mm.

ОУ с токова ООВ (Current Feedback Amplifier, CFA). С тях се реализират само неинвертиращи усилватели при ползване на същата верига за отрицателна обратна връзка (ООВ), както при класическите ОУ. 

Основното им предимство (за сметка на увеличеното влияние на VOS и IB върху постояннотоковия режим) е практическата независимост на горната гранична честота на реализираните усилватели и стръмността на изходните им импулси от коефициента на усилване с ООВ, поради което вместо GBP параметър е горната гранична честота (-3dB Bandwidth) BW. Резултатът е възможността за реализация чрез CFA на видеоусилватели, комуникационни прибори, бързи комуникационни мрежи, компютри, драйвери за АЦП. 

Такава е серията EL5104, EL5105, EL5204 и EL5205 на фирмата Intersil с BW=700MHz и SW=3000V/ms при изходен ток до 160mA. Първият и третият от серията имат извод ENАBLE за изключване, а последните два са двойни ОУ.

ОУ за звуковъзпроизвеждане (Audio Operational Amplifier). Предназначението и приложенията са ясни от тяхното наименование, а освен малкия eN съществени параметри са коефициентът на нелинейни изкривявания (Total Harmonic Distortion) THD и интермодулационните изкривявания (Intermodulation Distortion) IMD. 

Когато първите се дават заедно с шума (THD+N) мерната им единица е % или dB. Например в четворния ОРА1679 на Texas Instruments те са 0,0001%, което означава 20lg(THD+N) = -120 dB. Същите са мерните единици и на IMD. Останалите параметри на този вид ОУ са подобни на тези на GPA, като трябва да се имат предвид даваните в каталозите графични зависимости на THD+N от честотата и изходното напрежение.

ОУ за автомобилостроенето
Принадлежащите към този вид ОУ (Automotive Compliant OA, OA For Automotive Systems) с бързо нарастващи приложения през последните години не винаги съдържат в каталожното си наименование “Automotive”, а това се отбелязва в описанието им. 

Използването в автомобили налага съответствие на параметрите със стандарта AEC-Q100 Grade 1, сред които са TA=-40°Cё+125°C или Grade 2 (TA=-40°Cё+105°C) и издръжливост на електростатични разряди според HBM ESD Classification Level 1C и CDM ESD Classification Level C5, към които се прибавят широк обхват на VDD. 

При това Q или Q1 в означението без да са задължителни, а според параметрите си автомобилните ОУ могат да принадлежат към някой или някои от описаните видове.

Основните области на приложение са за осигуряване на безопасността (спирачки, колани), осветлението, контрол на токове, в системите за подпомагане на водача (Advanced Driver-Assistance System, ADAS), в хибридните и електромобилите (особено в преобразувателите на постоянно в постоянно напрежение и инверторите в задвижването). 

Параметрите на тези ОУ обуславят и други приложения - в системи с батерийно захранване, като усилватели за сензори, в индустриални прибори и тестово оборудване. 

В табл. 6 са дадени основните параметри на типични ОУ за автомобилостроенето, като тя съдържа единични, двойни и четворни ОУ. Приборът на ред 2 има извод за изключване.

Top