Новости в операционните усилватели

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2008

 

Операционните усилватели (Operational Amplifier) ОУ навлязоха в 5-ото десетилетие на своето съществуване, но приложенията им продължават да нарастват – към класическите, познати вече на трето поколение специалисти, непрекъснато се прибавят нови, сред които комуникациите, компютрите и автомобилите. Не са малко новостите в аналоговата техника, които се появяват именно за подобряване на параметрите на ОУ.

В статията се прави преглед на съвременното състояние на ОУ и на някои схемни и технологични нововъведения. Дават се таблици с данни за основните видове ОУ, пуснати на пазара след 01.01.2005 г. с едно изключение в табл. 7, което е от 2003 г. и характерни примери за приложение.

Класификация на ОУ

Обикновено тя се прави в зависимост от параметрите им, като основните видове са дадени на фиг. 1. Често един ОУ принадлежи към два или три вида, например измервателен маломощен или широколентов мощен. Все още най-разпространени са ОУ с биполярни транзистори, което рядко намира отражение в наименованието им. Сравнително неголямо е количеството на ОУ с входно стъпало, реализирано с полеви транзистори с PN преход, а останалата част е с биполярни транзистори (FET Input OA, BiFET OA). Така се осигурява много малък ток IB, рядко надхвърлящ няколко десетки рА, и съответно много голямо съпротивление RIN при останали параметри, подобни на тези на ОУ с биполярни транзистори. Продължава да нараства броят на ОУ, реализирани изцяло с MOS транзистори (CMOS ОА) с още по-малък IB - достигната засега минимална стойност е 3 fA. Комбинацията на входно и изходно стъпало с MOS транзистори и междинно стъпало с биполярни се използва в BiCMOS OА, които обикновено са с общо предназначение или микромощни. Коефициентът на потискане CMRR при входно стъпало с MOS транзистори е по-малък в сравнение с използването на биполярно стъпало поради все още по-големите производствени толеранси на транзисторите.

Рационалното използване на ОУ изисква разликите между максималните им входни и изходни напрежения и захранващите да са колкото е възможно по-малки. Това е особено съществено за добиващите все по-голяма популярност ОУ с единично захранване (Single Supply OA), което като правило е положително и обикновено до около 6 V. Максималната амплитуда на изходното напрежение uo за този случай е дадена на фиг. 2, а в каталозите като параметри се дават VoH (Output Voltage Swing High) и VoL (Output Voltage Swing Low). Реално те зависят от съпротивлението на товара RL в изхода и са между няколко mV (при RL стотина kW) и стотина mV (при RL няколко kW). Когато малката разлика е осигурена само за изходните напрежения се използва терминът Rail to Rail Output (RRO), а при малка разлика и за входните напрежения - Rail to Rail Input/Output (RRIO). И двата почти задължително се прибавят в наименованието на ОУ.

Нерядко в раздела Operational Amplifiers на каталозите са включени буфери и усилватели с фиксиран коефициент на усилване – инвертиращи и неинвертиращи с Av между 2 и 10 и измервателни усилватели. Освен ОУ те съдържат резисторите на задължителната отрицателна обратна връзка (ООВ), но не са включени в настоящата статия.

Нови
технологии

В края на 2005 г. National Semiconductor съобщи за технологията VIP50, предназначена за BiCMOS ОУ. Благодарение на разполагането на всички елементи върху изолационна подложка (Silicon On Insulator, SOI), вертикални PNP транзистори и точни тънкослойни резистори захранващите напрежения са между 0,9 и 12 V, а консумираният ток на един ОУ е под 1 mA. Чрез технологията се реализират прецизни (LMP7701 и LMP771), микромощен (LPV511), микромощен широколентов (LMV651) и малошумящ (LMV791) ОУ.

Съществуват технологии за подобряване на параметрите на MOS транзисторите с цел ефективното им използване в усилвателен (линеен) режим. Тези транзистори имат гейт от полисилиций вместо класическия метал, което позволява намаляване на размерите и по-малки производствени толеранси на параметрите. Резултатът е по-малко напрежение VOS, по-тесни негови граници, намаляване на входният ток на несиметрия IOS и увеличаване на GBW. Но може би най-важна е възможността за работа на ОУ с едно малко захранващо напрежение (в някои случаи дори под 1 V) при малка постояннотокова консумация. Същевременно технологиите са съвместими с тези на цифровите CMOS интегрални схеми (ИС), което позволява лесно съчетаване на цифрови и аналогови блокове. Последното, заедно с малките размери на транзисторите, е предпоставка за ниска цена. В означенията на ОУ с такава технология компанията Texas Instruments прибавя LinCMOS - пример е серията TLC27L1, TLC27L1А и TLC27L1B.

Във входното стъпало на своите биполярни ОУ, например серията МС3327А, МС33274А, компанията ON Semiconductor вгражда патентования елемент за настройка Zip-R-Trim, чрез който при производството се постига намаляване на VOS.

Фирмата Advanced Linear Devices е създала технологията EPAD (Electrically Programmable Analog Devices), която използва MOS транзистори с плуващ (несвързан) гейт и програмируемо напрежение на отпушване в обхват от +2 V до – 2V със стъпка 0,1 mV. Поставянето им във входното стъпало на ОУ позволява след свързването му в схема да се настройва VOS по-точно, просто и евтино в сравнение с класическия начин чрез външен тример-потенциометър. За целта е необходим несложен програматор, свързван към компютър. Пример за такива ОУ са прецизният ALD1722E и микромощният ALD1726E.

Texas Instruments използва подобен похват (с наименование e-trim), но се прави настройка по време на производството на ОУ за намаляване на VOS и неговата зависимост от температурата. Пример е широколентовият прецизен ОУ ОРА727.

Компанията Analog Devices също е патентовала метода DigiTrim за намаляване на VOS чрез настройка по време на производството. Примери са прецизните единичен AD8601, двоен AD8602 и четворен AD8604.

Схемни особености

По-голямата част от ОУ продължават да се реализират като тристъпален усилвател с типична блокова схема на фиг. 3а. Тази структура им позволява да работят обхванати от ООВ по напрежение, която рязко намалява изходното съпротивление. В каталозите те се отбелязват с VFA (от Voltage Feedback Amplifier).

За предпазване на ОУ от повреда входното им диференциално напрежение се ограничава, принципът за което е даден на фиг. 3б. Показаните 3 диода определят максимално напрежение 2,1 V, но има ОУ с един (напрежение 0,7 V) и два диода (напрежение 1,4 V). При надхвърляне на напрежението диодите се отпушват и входното съпротивление намалява до сумата от съпротивленията на двата резистора.

По подобен начин във все повече ОУ се осигурява защита на всички изводи срещу електростатични разряди (ESD Protection), която вече достига до 4 kV.

В изхода на почти всички ОУ има вградена максималнотокова защита за ограничаване на тока на късо съединение (Output Short Circuit Current), който може да протича неограничено дълго време.

Неголям, но нарастващ е броят на ОУ с възможност за изключване (shutdown) чрез подаване на специален вход на ниско или високо логическо ниво. Изключеният ОУ консумира ток между няколко десетки nA и няколко mA, а изходът му е в състояние на висок импеданс (изходен ток десетина nA). Времето за включване и изключване на тези ОУ обикновено е няколко ms.

ОУ с общо
предназначение

Операционните усилватели с общо предназначение (General Purpose OA). Се характеризират със сравнително “скромни” параметри и преди всичко с по-ниска цена, което определя приложението им в произвеждани в големи серии изделия без никакви специални изисквания. В табл. 1 са дадени основните параметри на такива ОУ.

Прецизни ОУ

Точно определение за прецизни операционни усилватели (Precision OA) няма, но наименованието им показва, че с тях могат да се реализират схеми с по-точно установявани и по-стабилни параметри в сравнение с използването на ОУ с общо предназначение. За целта прецизните ОУ имат по-големи стойности на А, по-малко и по-слабо влияещо се от температурата напрежение VOS и по-малък ток IB. Стойностите на последните две величини налагат специални мерки при проектирането на мястото на печатната платка с ОУ. Пътечките към входовете му трябва да са максимално къси, близо една до друга и далеч от елементи, излъчващи топлина. В противен случай поради термоелектрични явления може да се получи постоянно входно напрежение до десетина mV. Изолационното съпротивление между входовете трябва да е достатъчно голямо и да се избягват утечки поради синфазни напрежения. Например при такова напрежение 1 V и изолационно съпротивление 1 GW се получава ток 1 nA, който може многократно да надхвърли IB. Класическа и ефективна мярка срещу това е поставянето на пътечка-пръстен около входовете на ОУ, имаща техния потенциал. Добре е ОУ да се монтира в ъгъл на печатната платка, където огъванията поради механични въздействия са по-малки, тъй като поради тях в изводите на ОУ и пътечките могат да се създават постоянни напрежения (поради тензоефекти), променящи VOS. Изходното съпротивление на прецизните ОУ рядко се дава в каталозите, но стойността му обикновено е от няколко десетки W до малко над 100 W. За сметка на изброените параметри на прецизните ОУ те имат сравнително малки стойности на GBW и SR.

Когато основното предназначение на ОУ е за усилване на слаби сигнали (например от сензори) той трябва да има малък собствен шум заедно с по-големи CMRR и PSRR. В табл. 2 са дадени основните параметри на няколко прецизни ОУ.

Широколентови ОУ

Обикновено се приема, че един ОУ е широколентов (Wideband OA) при GBW і 10 MHz и SR і 10 V/ms. Увеличаването на GBW е свързано с нарастване и на SR, поради което често се използва и наименованието бързи ОУ (Fast OA). Целта му е да се акцентира върху голямата SR и препоръчваните приложения за усилване на импулсни сигнали, докато широколентовите ОУ са по-скоро за аналогови сигнали. Особеност на част от този вид ОУ е, че при обхващането им с ООВ се гарантира стабилна работа (без самовъзбуждане) само при коефициент на усилване на схемата G над определена минимална стойност, обикновено между 2 и 10. Вместо GBW често се дава горната гранична честота на ниво -3 dB (BW, -3dB Bandwidth) на усилвател с минималния G, при което може да не е в сила класическата зависимост GxBW = GBW. Например усилвател с GBW = 40 MHz, измерван при G = 500, има BW = 200 MHz при G = 1 и 40 MHz при G = 2. В други ОУ се дават две стойности на BW – при малък сигнал (изходно напрежение до няколко десети от V) с означение SSBW и при голям сигнал (напрежение няколко V) – LSBW, като втората е няколко пъти по-голяма от първата. Освен това стойностите на Av на широколентовите и бързите ОУ не надхвърлят 100 dB, а големите GBW и SR по принцип са свързани с увеличаване на постояннотоковата консумация. Последното е причина някои производители да използват като параметър отношението на консумирания ток и GBW с измерение mA/MHz – колкото то е по-голямо, толкова ОУ работи по-ефективно.

Правоъгълните импулси в изхода на тези ОУ може да са с отскок (Overshoot), даван като параметър със стойности обикновено няколко % от амплитудата на импулса. Друга специфична особеност е много малкото изходно съпротивление (няколко десетки mW) и определяната от това възможност за значителен изходен ток, достигащ до 70 mA. В много от високочестотните приложения е важно нелинейните изкривявания на изходното напрежение и шумовете в него да са минимални. За оценката им се използва отношението на изходното напрежение с работната (носеща) честота към средноквадратичната стойност на най-близката хармонична или към шума. То се отбелязва с SFDR и се измерва в dBc (dB спрямо носещата честота).

В табл. 3 са дадени основните параметри на широколентови и бързи ОУ.

Малошумящи ОУ

Наименованието малошумящи ОУ (Low Noise OA) показва, че са източници на по-малък шум в сравнение с останалите ОУ. Пример за малошумящи прецизни ОУ са дадени в табл. 2, а за широколентови – в табл. 3. Шумът на ОУ се генерира от неговите резистори и активни прибори и се представя чрез източник на шумово напрежение VN, свързан към неинвертиращия вход на идеален (без шум) ОУ и източник на шумов ток IN между двата му входа (фиг. 4). В каталозите като параметри се дават eN с измерение nV/ЦHz и iN с измерение pA/ЦHz. Чрез тях се изчисляват VN = eNЦDf и IN = iNЦDf, където Df е честотната лента на схемата с ОУ. Поради статистическият характер на шума при наличие на няколко източника на напрежение общият шум е корен квадратен от сумата на квадратите на напреженията. Например в схемата на фиг. 4 токът IN протича през сумата на RG и успоредно свързаните R1 и R2, която може да се означи с Re. Следователно общото шумово напрежение между неинвертиращия вход и маса е VNt = Ц(V2N+V2NR+(INRe)2), където VNR е напрежението от RG. Нискочестотният шум (обикновено в обхват 0,1-10 Hz) се оценява чрез създаваното от него напрежение от връх до връх eNp-p.

В табл. 4 са дадени основните параметри на малошумящи ОУ.

Микромощни ОУ (m-Power OA, microPOWER OA)

Работещият ОУ консумира от захранващото напрежение VСС ток ICC и съответно мощност PCC = VCCICC, като при двойно захранване така се изчислява и мощността от източника на отрицателно напрежение и двете се събират. При намаляване на VСС пропорционално се понижава и токът ICC, т.е. PCC е право пропорционална на квадрата на VСС. Това е едната причина за подчертания стремеж през последните години да се разработват все повече нисковолтови ОУ, което се вижда и от колоните за VСС в таблици 1-4. Втората причина е, че захранването на портативните устройства с галванична батерия или акумулатор от една клетка е предпоставка за малки размери, тегло и цена. Напрежението от клетките е между 1,2 и 3,6 V, което също прави необходими нисковолтови ОУ с възможно по-малка консумация. Поради всичко това логично микромощните ОУ са и нисковолтови.

Влошаването на честотните свойства на транзисторите с намаляване на колекторния или дрейновия им ток е причина за по-малките стойности на GBW и SR. В известна степен този недостатък се компенсира чрез множество технологични подобрения, резултатът от които е наличието на ОУ със сравнително добри честотни свойства и малка консумация.

Не съществува точно определение на микромощен ОУ, но за такива могат да се приемат имащите ICC Ј 0,1 mA, като долната граница вече е под 1 mA. При двойните ОУ общият ток не надхвърля 0,2 mA, а при четворните – 0,4 mA. Освен това в съответствие с останалите си параметри микромощните ОУ принадлежат и към някой от останалите видове ОУ. Трябва да се има предвид, че съществува и категория маломощни ОУ (Low Power OA) с ICC достигащ 1 mA, които тук не се разглеждат. Някои от тях могат да работят с едно малко захранващо напрежение, например NSC2001 e с VСС = +0,9 V и ток ICC = 0,51 mA.

В табл. 5 са дадени основните параметри на микромощни ОУ.

Мощни ОУ

Използват се и наименованията Power OA, High Drive OA, High-Current OA. Те имат по-голям изходен ток Io в сравнение с другите ОУ, който достига до 10 А. В съответствие с данните във фирмените каталози тук е прието за мощни да се смятат ОУ c Io Ј 15 mA. Големият ток осигурява и значителна мощност върху товара в изхода на ОУ, което е причината за наименованието им. При положително изходно напрежение токът излиза (IoSOURCE), а при отрицателно – влиза в изхода (IoSINK), като двата може да са различни и максималните им стойности се дават поотделно в каталозите. Специфична съвременна разновидност са мощните ОУ в модемите за ADSL, чрез които се осигурява обмен на данни с голяма скорост по съществуващите телефонни линии. Често такива ОУ се наричат драйвери за ADSL (Driver for ADSL), въпреки че могат да имат и други приложения. Мощните ОУ обикновено работят стабилно при капацитети в изхода им до няколко nF. Неизбежните проблеми със значителната разсейвана мощност PD върху тези ОУ се решава чрез начините, познати от други ИС и дискретни прибори. Вместо GBW понякога се използва параметърът горна гранична честота при максимална мощност (Power Bandwidth), представляващ най-голямата честота, при която все още се получава максималният Io.

В редове 2-8 на табл. 6 са дадени основните параметри на мощни ОУ.

Високоволтови ОУ
(High-Voltage OA)

Техните захранващи и изходно напрежение може да са по-големи в сравнение с останалите видове ОУ. И тук няма точно определение, но може да се приеме, че един ОУ е високоволтов при максимално единично захранващо напрежение не по-малко от 40 V и двойно не по-малко от ±20 V. Основната причина за този избор е необходимостта от специфична технология за реализирането на елементите в ОУ. Тяхното производство и разпространение са сравнително ограничени и затова в края на табл. 6 са дадени само 4 примера.

ОУ с токова ООВ

Операционните усилватели с токова ООВ (Current Feedback Amplifier) CFA имат съпротивление на инвертиращия вход около 10W, поради което вместо напрежение (както при останалите ОУ) входната им величина е токът Ii и вместо коефициента на усилване Av имат параметър предавателен импеданс (Transimpedance) RoL=Uo/Ii (Uo е изходното напрежение). Съпротивлението RIN на неинвертиращия вход е подобно на това при класическите ОУ.

За реализация на стабилен коефициент на усилване G им се прилага ООВ както при другите ОУ, но с резистори от по няколко стотици W. Специфична особеност е, че горната гранична честота не намалява с увеличаване на G, а остава приблизително постоянна, т.е. GBW нараства с G. Това е причината вместо GBW като параметър да се използва горната гранична честота BW при определена стойност на G, обикновено 1. Същевременно стойностите на SR са впечатляващо големи, а изходният ток Io може да надхвърли 100 mA. Реално CFA са широколентови и бързи, което е свързано със значителни стойности на ICC. В табл. 7 са дадени основните параметри на CFA.

Приложения

Голямото разнообразие на ОУ, възможността за реализация на аналогови и цифрови схеми заедно с малките размери и ниската цена на значителна част от тях ги превърнаха в универсален градивен елемент. В табл. 8 е направен опит за обобщение на приложенията на ОУ.




Top