Параметры операционных усилителей. Как измерить и какие возникают сложности? / Хабр

Операционный усилитель – одна из базовых схем аналоговой электроники, на основе которой можно строить сложные системы. Данный элемент существует как отдельно, так и присутствует в составе почти всех интегральных микросхем: управления питанием AC/DC,DC/DC,LDO, АЦП, ЦАП, интерфейсы, синтезаторы частот, микроконтроллеры и тд. Система, в которой будет использоваться усилитель накладывает определенные ограничения на его параметры. Как измерить параметры усилителя и с какими трудностями можно столкнуться?

Базовые сведения об операционном усилителе ОУ

Фундаментально, операционный усилитель представляет собой преобразователь напряжения с высоким коэффициентом умножения, разработанный для применения в системах с обратной связью. Существует много различных архитектур, как построить усилитель на базе транзисторов, однако в большинстве случаев схемотехники рассматривают его как некий черный ящик или треугольник, в котором есть 3 основных вывода: Inp — неинвертирующий вход, Inn инвертирущий вход, Out- выход для полностью дифференциальных усилителей доступны два выхода: инвертирующий и неинвертирующий. Идеальный усилитель можно представить следующим образом:

Основные параметры ОУ:

1. Ku – коэффициент усиления.

2. Vos – напряжение смещения нуля.

3. Диапазон входных и выходных напряжений.

4. GBW – частота единичного усиления.

5. CMRR – коэффициент ослабления синфазного напряжения.

6. Noise – собственный уровень шума усилителя

7. Iin – входной ток.

8. +PSRR – устойчивость к помехе по питанию.

9. -PSRR – устойчивость к помехе по земле.

10. V-, V+ – напряжения земли и питания соответственно.

11. P – потребляемая мощность.

Итак, основные параметры усилителя описали, приступим к анализу схем для их измерения.

Измерения параметров ОУ

При разработке микросхем, в симуляторе довольно легко проверить все параметры, которые вас интересуют. В современных САПР есть много различных типов анализа схем, которые позволяют сделать это быстро. При работе с реальной схемой сталкиваешься сразу же с кучей проблем. Последний год, работал над проектом – изолированный усилитель ошибки. Проект запущен в изготовление на фабрике, а пока необходимо разобраться – как же все это дело проверить в жизни. Для работы данной схемы в составе изолированного DC-DC преобразователя очень важны параметры входного ОУ:

Блок-схема изолированного усилителя

В РФ существует отдельный ГОСТ 23089, в котором описаны схемы измерений, но нигде не выведено как именно они работают и с какие проблемы могут встретиться в данном процессе. Рассмотрим подробно все схемы измерений, надеюсь кому-то это будет полезно при работе с аналоговым железом).

Коэффициент усиления Ku

Для измерения коэффициента усиления соберем схему, для работы которой необходимо применять вспомогательный усилитель.

Схема измерения коэффициента усиления

Для того, чтобы при измерении избавиться от напряжения Vos, необходимо производить измерения 2 раза, при разных G4.
1. G4=U1, тогда Uxi=Ux1.
2. G4=U2, тогда Uxi=Ux2.

Вывод формулы

Запишем уравнения Кирхгофа:

Составим уравнения для 2-х этапов измерения, проводя следующие замены переменных:
1. V1→V11, V3→V31, V4→V41, Ux_i→Ux₁, G4=U1.
2. V1→V12, V3→V32, V4→V42, Ux_i→Ux₂, G4=U2.

Получаем систему из 8-ми уравнений с 8-ю неизвестными: V11, V12, V31, V32, V41, V42, Ku, Vos. Решая уравнения, получаем:

Примечания к схеме моделирования

Измеряемое напряжение Uxi будет равно:

Для увеличения точности измерений необходимо увеличивать R3, однако смещение нуля может вывести из режима вспомогательный усилитель поэтому стоит выбирать усилитель с широким диапазоном биполярного питания.

Результаты моделирования

Переходим от теории к практике: подгружаем spice модель вспомогательного усилителя в симулятор и собираем схему измерения.

Схема измерения коэффициента усиления, собранная в симуляторе

Схема измерения коэффициента усиления, собранная в симуляторе

Для компенсации всей системы необходимо использовать RC цепь на неинвертирующем входе вспомогательного усилителя.

Для измерений источник vtest создает 2 уровня напряжений U2, U1, после чего замеряется напряжение на vin, и по формуле пересчитывается в коэффициент усиления:

Работа схемы в tran анализе, где vin — выход вспомогательного усилителя (для различных G3)

Работа схемы в tran анализе, где vin — выход вспомогательного усилителя для различных G3

Для исследуемого усилителя получается 105дБ.

Возможные трудности при измерениях

1) Влияние смещения нуля на рабочую точку вспомогательного усиления. При смещении нуля исследуемого усилителя 5мВ, выход вспомогательного усилителя по DC становится -4.7В проблема устраняется при использовании биполярного питания.

2) При моделировании с включенными в симуляторе шумами транзисторов, их амплитуда оказывается сопоставимой с разницей напряжений, необходимых для вычислений Ku:

Выход вспомогательного усилителя с учетом шума исследуемого усилителя

Для улучшения точности измерений необходимо использовать усреднение, однако оно не помогает полностью избавиться от шума. Если коэффициент усиления не слишком высокий, шум не будет сильной помехой. У исследуемого усилителя минимальное значение Ku=66дБ:

Получается, чтобы отбраковать усилитель нужно задетектировать 0.4В, что с таким уровнем шума является легкой задачей.

3) Напряжение на выходе исследуемого усилителя будет равно V12+V12−Vtest. Для повышения точности необходимо задавать разницу между двумя vtest как можно больше, однако все это ограничивается допустимым выходным напряжением усилителя, это нужно также учитывать.

Смещение нуля Vos

Рассмотрим схему для измерения смещения:

Схема измерения коэффициента усиления

Найдем формулу, которая будет определять напряжение смещения.

Вывод формулы

Составим систему уравнений:

Решая систему неизвестные V1 и Vos, получаем:

Итого:

Примечания к схеме моделирования

Выходное напряжение вспомогательного усилителя определяется формулой:

Для увеличения точности измерений необходимо увеличивать R5, однако смещение нуля может вывести из режима вспомогательный усилитель поэтому стоит выбирать усилитель с широким диапазоном биполярного питания.

Результаты моделирования

Приступим к моделированию. Собираем схему измерения с учетом цепи коррекции и однополярного питания исследуемого усилителя:

Схема измерения напряжения смещения, собранная в симуляторе

Схема измерения напряжения смещения, собранная в симуляторе

Проведем AC анализ с цепью коррекции:

AC анализ на стабильность обратной связи

AC анализ на стабильность обратной связи

Система работает стабильно, теперь проведем измерения для разных смещений нуля: Voff=-5m:2m:5m

Напряжения на выходе вспомогательного усилителя для различных значений смещения нуля и G3

Напряжения на выходе вспомогательного усилителя для различных значений смещения нуля и G3

При измерении смещения выход вспомогательного усилителя варьируется от -3.5В до 5.4В. Итого для Vos при Vcm=0.4, 1.5 получаем следующие значения по формулам:

Возможные трудности при измерениях

1) При смещении нуля исследуемого усилителя -5мВ, выход вспомогательного усилителя по DC становится -3. 5В. Для vos=5мВ – напряжение становится 5.4В проблема устраняется при использовании биполярного питания.

2) При добавлении шума, картина измерений не сильно ухудшается:

Выход вспомогательного усилителя с учетом шума исследуемого усилителя

Результаты для измерений с шумом используется усреднение:

Частота единичного усиления f1/GBW

Рассмотрим схему измерения частоты единичного усиления:

Схема измерения частоты единичного усиления

Найдем формулу, которая будет определять частоту единичного усиления:

Вывод формулы

Запишем уравнения Кирхгофа:

Неизвестные: V3, V4, Vin, Ku. Решим систему и найдем чему равен Ku:

Переходя к амплитудам переменных сигналов с частотой f₀, учитывая, что сигналы V2 и V1 сдвинуты на 180 градусов, а G3=const:

Если Ku имеет наклон 20db/dec вплоть до f1, тогда передаточную характеристику, можно представить в виде:

AЧХ данной характеристики можно представить как:

Если проводить измерения отступив от полочки, АЧХ можно записать в след виде:

Для частоты единичного усиления:

Проводим измерения для частоты

Подставляем уравнение 1, получаем финальное выражение для частоты единичного усиления:

Примечания к схеме моделирования

1. Для использования данной методики необходимо учитывать, что наклон АЧХ должен составлять 20дБ/дек вплоть до частоты единичного усиления.

2. Запишем уравнение для V4:

   Для того, чтобы система не выходила из режима, необходимо подбирать R2 >> R3. Также увеличение R2 приведет к увеличению V1, что повысит точность измерений.

3. При переходе от сигналов к амплитудам, необходимо помнить о предположении, что V2 и V1 отстают друг от друга на 180 градусов, поэтому при подборе цепи коррекции, необходимо убедиться в данном предположении.

Результаты моделирования

Приступим к моделированию. Собираем схему измерения с учетом цепи коррекции и однополярного питания исследуемого усилителя:

Схема измерения частоты единичного усиления, собранная в симуляторе

Проведем ac анализ для данной системы:

AC анализ на стабильность обратной связи

Из графика видно, что для стабильной работы нужно использовать частоту f0 в диапазоне от 1-20кГц.

По моделированию наклон АЧХ усилителя имеет 20дб/дек, поэтому метод справедлив. Итого для различных технологических корнеров, температур и питания получаем результаты:

Результаты моделирования для различных технологических корнеровВозможные трудности при измерениях

1. Необходимо использовать увеличивать резисторы R1, R2, R5 в моем случае R1=R5=10кОм,R2=50кОм, чтобы увеличить амплитуду сигнала v1 и vout, что повышает точность измерений.

2. Можно увеличить амплитуду входного сигнала для увеличения точности в моем случае до 500мВ.

При выполнении пунктов выше влияние шума становится минимальным.

Метод 2 для измерения f1

Существует более простой метод для измерения частоты единичного усиления:

Схема измерения частоты единичного усиления (метод 2)

Для измерения на вход емкости Cin подается синусоидальный сигнал. Частота сигнал изменяется, до поры, пока амплитуда входного сигнала не станет равной амплитуде выходного.

Резисторы Rout и Rin подбираются исходя из того, чтобы амплитуда на выходе Ux не превышала напряжение питания. Однако в единичном включении схему составлять нельзя. Из-за плавного спада амплитуды, что заведомо будет уменьшать частоту единичного усиления при измерениях:

АЧХ цепи: синим — собственная АЧХ усилителя, зеленым — АЧХ усилителя с обратной связью > 1, красным — АЧХ усилителя с единичной обратной связью

Поэтому при выборе резисторов необходимо добавлять коэффициент обратной связи обычно влияние спада становится слабым при усилении более 20дБ.

Минусы метода:

1. Большая часть усилителей не рассчитана на работу с сигналом большой амплитуды на высоких частотах нелинейности будут влиять на амплитуду – следовательно и на результат измерений. К примеру, для данного усилителя на 10МГц нужно подавать сигнал 10мВ для отсутствия искажений.

2. При использовании малых сигналов, шумы становятся по амплитуде сопоставимы с полезным сигналом.

3. Требуется высокочастотный генератор для усилителей с большой полосой.

Коэффициент ослабления синфазного напряжения CMRR

Уравнение идеального ОУ можно записать так:

Однако если учитывать неидельность усилителя, в уравнении появится коэффициент усиления синфазного напряжения Acm:

CMRR определяется как отношение Ad к Acm.

Рассмотрим схему для измерения CMRR:

Для устранения влияния смещения нуля усилителя на систему, измерения необходимо проводить в 2 этапа:

1. G1 = U1, Ux_i = Ux1, Vi=V1;

2. G1 = U2, Ux_i = Ux2, Vi=V2;

Найдем формулу, которая будет определять CMRR:

Вывод формулы

Составим систему уравнений, с учетом влияния CMRR на систему:

Выведем уравнение для Uxi:

Для разности Uxi 2-х этапов измерения, справедливо:

Учитывая тот факт, что и :

Итого:

Примечания к схеме моделирования

1. Исходя из уравнения 1, видно что на вклад постоянного напряжения выхода вспомогательного усилителя сильно влияет Vos с коэффициентом R3/R1.

2. Для использования уравнения для CMRR, необходимо, чтобы .

Результаты моделирования

Приступим к моделированию. Собираем схему измерения с учетом цепи коррекции и однополярного питания исследуемого усилителя:

Схема измерения коэффициента подавления синфазной помехи, собранная в симуляторе

Проведем tran анализ для измерения CMRR. Рассмотрим сигналы vcm и vin:

Временной анализ (на графике красным — выход вспомогательного усилителя, синим — вход синфазного уровня исследуемого усилителя)

В аналоговой электронике существует один из видов теста -Монте-Карло, который статистически разбрасывает параметры компонент транзисторов, конденсаторов, резисторов. Именно из-за неидеальностей технологий появляется усиление Acm. Проведем данный анализ и определим максимальное и минимальное значение CMRR:

В монте-карло анализе получаем следующие результаты:

Результаты по CMRR для исследуемого усилителяВозможные трудности при измерениях

1. Необходимо использовать биполярный усилитель для компенсации части Uxi, которую вносит смещение: R3/R1 * Vos.

2. Шум не сильно будет влиять, для 66dB – dUx > 1.65В.

Входной ток Iin1, Iin2

Рассмотрим схему для измерения входных токов:

Схема измерения входных токов ОУ

Для измерения входных токов необходимо проводить 3 этапа измерений:

1. R3, R4 – закорочены. PV1 → Ux₁. ключи S2, S1 — замкнуты.

2. R3 — активный, R4 – закороченный. PV1 → Ux₂._{ключ S1 — разомкнут, S2 — замкнут.}

3. R4 — активный, R3 – закороченный. PV1 → Ux₃. ключ S2 — разомкнут, S1 — замкнут.

Найдем формулу, которая будет определять CMRR:

Вывод формулы

1) Эквивалентная схема при включении на 1 этапе:

Упрощенная схема измерения Iin — этап 1

Запишем систему уравнений:

2) Эквивалентная схема при включении на 2 этапе:

Упрощенная схема измерения Iin — этап 2

Запишем систему уравнений:

Вывод формулы

3) Эквивалентная схема при включении на 3 этапе:

Упрощенная схема измерения Iin — этап 3

Упрощенная схема измерения Iin — этап 2

Запишем систему уравнений:

Итого получаем 9 уравнений. Неизвестные: V1, V12, V13, V3, V2, V23, Iin1, Iin2, Ku.

Решая систему уравнений получаем следующие формулы для входных токов:

Примечания к схеме моделирования

1. При выводе формулы считается, что входной ток усилителя не зависит от входного напряжения. Этот факт дает небольшую погрешность в измерениях.

2. Для повышения точности измерений, необходимо увеличивать резисторы R3,R4,R5. Также необходимо, чтобы R1 << R5.

Результаты моделирования

Приступим к моделированию. Собираем схему измерения с учетом цепи коррекции и однополярного питания исследуемого усилителя:

Схема измерения входных токов ОУ

Из-за низкого входного тока, для проверки работоспособности схемы используем входные источники тока, подключенные к выводам ta2 и tb2. По методологии, описанной ранее, изменяя положение ключей, рассчитываем входной ток. На рисунке изображен выход вспомогательного усилителя для максимальных входных токов 100нА:

Временная диаграмма выходов вспомогательного усилителя для различных G3

Проводим тест для различных G3, и в итоге получаем:

Возможные трудности при измерениях

1.  При смещении нуля исследуемого усилителя -5мВ, выход вспомогательного усилителя по DC становится -4.7В проблема устраняется при использовании биполярного питания.

2. При моделировании с включенным шумом внутренних компонентов усилителя, его уровень становится сопоставимым с разницей напряжений при маленьком входном токе 1нА:

Временная диаграмма выхода вспомогательного усилителя, при входном токе 1нА, с учетом шума

Точно маленькие токи данным методом не измерить, однако для отбраковки, при усреднении необходимо задетектировать токи в 100нА, что с текущем уровнем шума довольно легко сделать:

Временная диаграмма выхода вспомогательного усилителя, при входном токе 100нА, с учетом шума

Заключение

Надеюсь, не сильно утомил читателей формулами, однако для понимания необходимо было все точно вывести. Большинство схем были взяты из советского госта, к сожалению, описание там никуда не годится, ко всему прочему он имеет ошибки. Зато данные схемы можно использовать радиолюбителю в случае необходимости проверить заявленные характеристики усилителя, ведь схемы не требуют создавать стенд с дорогостоящим оборудованием.

4.12. Эффекты ограничений ОУ на работу схем на их основе

Операционные усилители

Подробный анализ работы операционных усилителей

Подразделы: 4.11 4.12 4.13

Вернемся к инвертирующему усилителю и рассмотрим его еще раз, учитывая известные нам теперь ограничения. Покажем, как они влияют на работу схемы и как их учесть при разработке ОУ. Используя этот пример, вы сможете разобраться и с другими схемами ОУ. На рис. 4.30 вновь показан инвертирующий операционный усилитель.

Рис. 4.30.

Коэффициент усиления при разомкнутой пени ОС. В связи с тем что коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС имеет конечное значение, в усилителе с обратной связью коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усиления при разомкнутой петли ОС) в определенный момент начинает убывать. Этому моменту соответствует частота, на которой коэффициент усиление при разомкнутой цепи ОС приближается к значению R₂/R₁ (рис. 4.31). Этот спад позволяет судить о том, что семейство усилителей типа 411 относится к классу низкочастотных усилителей; на частоте 50 кГц коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС падает до 100, а частота ƒ_ср равна 4 МГц. Обратите внимание, что коэффициент усиления при замкнутой цепи ОС всегда меньше, чем коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС; это означает, что если на основе ОУ типа 411 построить, например, усилитель со 100 — кратным усилением, то на частотах около 50 кГц его усиление заметно ослабеет. Более точно мы опишем этот эффект чуть ниже (разд. 4.25), когда будем рассматривать транзисторные схемы с обратной связью, имеющие конечный коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС.

Рис. 4.31. Зависимость коэффициента усиления от частоты для ОУ типа LF411 («диаграмма Боде»). 1 — коэффициент усиления при разомкнутой ОС, 2 — коэффициент усиления при замкнутой ОС,
ƒ_эдБ = ƒ_т/К_{(замкнутой ОС)}.

Скорость нарастания. В связи с тем что скорость нарастания ограничена, на частотах выше некоторого граничного значения максимальный размах синусоидального сигнала начинает падать. На рис. 4.32. представлен график для операционного усилителя типа 411 со скорость нарастания 15 В/мкс. При скорости нарастания s выходная амплитуда ограничена значением А_{от пика, до пика} ≤ s/πƒ для синусоидального сигнала, имеющего частоту ƒ; тем самым объясняется наличие участка спада на графике с наклоном 1/ƒ. Горизонтальный участок на графике соответствует ограничению размаха выходного напряжения источников питания.

Рис. 4.32. Зависимость размаха выходного напряжеиия от частоты (LF411). U_и = ± 15В; Т_окр = 25°С R_н = 10 кОм. Кривая убывает пропорционально 1/ƒ.

Попутно отметим, что ограничения связанные со скоростью нарастания ОУ можно использовать на благо, для устранения шумовых импульсов полезного сигнала с помощью так называемой нелинейной низкочастотной фильтрации. Суть метода состоит в следующем: намеренно ограничивая скорость нарастания можно существенно уменьшить острые импульсы, никак не искажая при этом фоновый сигнал.

Выходной ток. В связи с тем, что выходной ток операционного усилителя ограничен, размах выходного напряжения на низкоомных нагрузках также ограничен. На рис. 4.33 представлен график для операционного усилителя типа 411. В прецизионных схемах как раз и нужно ограничивать выходные токи для того, чтобы избежать появления в кристалле схемы температурных градиентов, связанных с рассеянием слишком большой мощности в выходном каскаде.

Рис 4. 33. Зависимость размаха выходного напряжения от нагрузки (LF411). U_и = 15 В, Т_окр = 25°С.

Напряжение сдвига. Благодаря наличию входного напряжения сдвига при нулевом напряжении на входе напряжение на выходе равно U_вых = K_U0U_сдв. Инвертирующий усилитель на основе ОУ типа 411 имеет коэффициент усиления по напряжению, равный 100. При заземленном входе напряжение на выходе этой схемы достигает значения ± 0.2 В (U_сдв = 2 мВ, максимальное значение). Можно предложить следующие пути решения проблемы: а) Если усиление сигнала по постоянному току не представляет интереса, то с помощью конденсатора можно уменьшить коэффициент усиления для сигналов постоянного тока до единицы, как показано на рис. 4.7, также как в рассмотренном выше усилителе для звукоснимателя (рис. 4.20). Там для передачи входного сигнала используется емкостная связь, б) Настроить нуль, используя предлагаемую фирмой — изготовителем схему регулировки. в) Можно использовать ОУ с меньшим напряжением сдвига U_сдв, г) Настроить нуль, используя схему регулировки, описанную в разд. 7.06 (рис. 7.5).

Входной ток смешения. Если в инвертирующем усилителе один из входов заземли, то даже при условии идеальной настройки (т. е. U_сдв = 0), на выходе усилителя будет присутствовать отличное от нуля выходное напряжение. Это связано с тем, что входной ток смещения I_см создает падение напряжения на резисторах, которое затем усиливается схемой усилителя. В этой схеме сопротивление со стороны инвертирующего входа определяется резисторами R₁ R₂, но ток смещения воспринимается как входной сигнал, подобный току, текущему через R₁, а поэтому он порождает смещение выхода U_вых = I_см R₂.

В операционных усилителях со входами на полевых транзисторах эффектом входного тока смещения обычно можно пренебречь, по-другому дело обстоит с операционными усилителями на биполярных транзисторах — здесь значительные входные токи могут привести к серьезным проблемам. Рассмотрим в качестве примера инвертирующий усилитель, в котором R₁ = 10 кОм и R₂ = 1 МОм; эти значения подходят для инвертирующего каскада, в котором желательно обеспечить значение Z_вх, равным 10 кОм. Если выбрать схему типа LM833 на биполярных транзисторах, с низким уровнем шумов, то ее выходное напряжение (при заземленном входе) может достигать величины 100 х 1000 нА х 9,9 кОм или 0.99 В, что ни в какой мере не может быть приемлемо. Для сравнения отметим, что ОУ типа LF411 (со входами на полевых транзисторах с p-n — переходом) соответствующее выходное напряжение для худшего случая (при заземленном входе) составляет 0,2 мВ; для большинства практических случаев эта величина пренебрежимо мала и уж во всяком случае несравнима с ошибкой выходного напряжения, порождаемой напряжением сдвига (в худшем случае для не настроенного ОУ типа LF411 она составляет 200 мВ).

Для борьбы с ошибками, обусловленными током смешения, существует несколько способов. Если вам нужен ОУ с большим током смешения, можно сделать сопротивление со стороны обоих входов одинаковым, как на рис. 4.34. В этом случае сопротивление 9,1 кОм выбрано с учетом параллельного соединения резисторов 10 кОм и 100 кОм. Кроме того, лучше всего если сопротивление цепи обратной связи будет достаточно малым, тогда ток смещения не будет давать большие сдвиги: сопротивления в цепях входов ОУ имеют типичные значения от 1 до 100 кОм. Третий способ состоит в уменьшении до единицы коэффициента усиления по постоянному току, как в рассмотренном выше усилителе для звукоснимателя.

Рис. 4.34. Для уменьшения ошибок, обусловленных входным током смещения в ОУ на биполярных транзисторах следует использовать компенсационный резистор.

Однако для большинства случаев можно рекомендовать использовать ОУ с пренебрежимо малыми входными токами. В операционных усилителях со входами на полевых транзисторах с p-n — переходом или на полевых МОП — транзисторах входные токи как правило имеют порядок пикоампер (однако, здесь входной ток быстро растет при увеличении температуры удваивается при изменении температуры на каждые 10°С), во многих современных схемах на биполярных транзисторах за счет использования транзисторов со сверхвысоким значением коэффициента β и схем компенсации смещения токи смещения почти также невелики и незначительно зависят от температуры. Такие операционные усилители обладают достоинствами ОУ на биполярных транзисторах (высокая точность, низкий уровень шума) и лишены недостатков, связанных со входным током. Например, для прецизионного биполярного ОУ с низким уровнем шума типа ОР-27 I_см = 10 нА (типичное значение), для недорогого биполярного ОУ типа LM312 I_см = 1,5 нА (типичное значение), для улучшенных вариантов этого ОУ (типа LT1012 и LM11) — I_см = 30 пА (типичное значение). Среди недорогих ОУ на полевых транзисторах можно назвать ОУ типа LF411 на полевых транзисторах p-n — переходом, для которого I_см = 50 Па (типичное значение) и серию ИС тип TLC20 на полевых МОП — транзисторах, для которой I_см= 1 пА (типичное значение).

Входной ток сдвига. Как мы только что убедились, лучше всего создавать такие схемы, в которых импедансы и токи смещения ОУ порождают пренебрежимо малые ошибки. Однако иногда может возникнуть потребность в ОУ с большим током смещения или с очень большим эквивалентным импедансом. В этой ситуации лучше всего постараться сбалансировать входные импедансы по постоянному току. На выходе все равно будет существовать некоторая ошибка (К_{пост.ток} I_сдв R_ист), обусловленная асимметрией входных токов ОУ. В общем, I_сдв меньше, чем I_см в 2 — 20 раз (биполярные ОУ, как правило, дают лучшее согласование, чем ОУ на полевых транзисторах).

В предыдущих параграфах мы рассмотрели эффекты ограничений ОУ на примере простого инвертирующего усилителя напряжения. Для него, например, наличие входного тока ОУ вызывает появление ошибки напряжения на выходе. В ОУ другого назначения эффект может быть совсем другим, например в инвертируюшем ОУ конечный входной ток порождает на выходе линейно меняющийся сигнал (а не константу) при нулевом напряжении, приложенном ко входу. По мере освоения схем ОУ вы сможете оценивать, как сказываются ограничения ОУ на работе данной схемы и, следовательно, сможете выбрать операционный усилиель, подходящий для конкретного случая. Вообше говоря, «самого-самого» лучшего ОУ на свете не существует даже если вас не останавливает никакая цена): у операционных усилителей с самыми незначительными входными токами (на полевых МОП — транзисторах), как правило, плохо обстоят дела с напряжением сдвига, и наоборот. Хорошие разработчики при выборе компонентов идут на компромиссы с тем, чтобы оптимизировать характеристики схемы, и избегают по-возможности элементов с ненужной «позолотой».

«Сегодня густо, завтра пусто»

В своем неустанном стремлении к совершенству крисдаллов полупроводниковая промышленность преподносит нам иногда неприятные сюрпризы. Представьте себе такую ситуацию: вы разработали отличную новую схему, сделали образец, проведи тесирование и горите желанием запустить свое детище в производство Вы оформляете заказ на необходимые компоненты, но оказывается, что самую нужную ИС сняли с производства! А порой бывает и еще хуже: заказчик начинает жаловаться на задержку поставки прибора, который выпускается уже ни один год. Когда вы начинаете выяснять, что случилось, оказывается, что для завершения сборки плат не хватает единственной ИС которая «еще не поступила» на участок сборки. Далее выясняется, что она не поступила и на склад. В конце концов вы узнаете, что схему сняли с производства 6 месяцев назад и в наличии нет ни одной!

Почему же возникают подобные казусы и что может предпринять в таких случаях разработчик? По нашему мнению, существуют четыре основных причины прекращения производства ИС:

1. Устаревание: Появились новые, лучшие ИС и нет смысла продолжать выпуск старых. Это целиком и полностью относится к цифровым ИС памяти (например, каждый год небольшие статические кристаллы ЗУПВ (ЗУ с произвольной выборкой) и СППЗУ (стираемые программируемые постоянные ЗУ) заменяются более компактными и быстродействующими модификациями), хотя не избежали этой участи и линейные ИС. В подобных случаях чаще всего новая модифицированная ИС совместима со старой по выводам и может быть вставлена в старый разъем.

2. ИС не пользуется спросом у покупателей: Иногда исчезают прекрасные ИС. Если проявить настойчивость, то изготовитель может дать объяснение — «не было спроса» или что-нибудь в этом роде. Этот случай можно квалифицировать так: «прекращение производства для удобства изготовителя». Мы столкнулись с серьезными трудностями, когда фирма Harris сняла с производства прекрасную схему НА4925, исчез великолепный счетверенный компаратор с очень высоким быстродействием и ничего не появилось ему взамен. Фирма Harris сняла также с производства схему НА2705 — бесследно исчезла еще одна замечательная ИС, самый быстродействующий микромощный ОУ. Иногда хорошую ИС снимают с производства в связи с изменениями в технологической линии, производящей подложки (увеличивается размер подложки — вместо 3 дюймов устанавливают размер 5 или 6 дюймов). Мы уже заметили, что фирма Harris особенно любит прекращать производство очень хороших и уникальных ИС; тоже самое проделывали фирмы Intersi и GE.

3. Утеряны чертежи схем: В это трудно поверить, но когда фирмы — изготовители теряют чертежи какого-либо кристалла и по этой причине прекращают его производство. Такая история произошла с 8 — каскадным делителем на КМОП — транзисторах типа SSS-4404 фирмы Solid State Systems.

4. У изготовителя нет заказов: это также относится к SSS-4404!.

Если у вас есть уже разработанная плата, но нет никакой возможности достать нужную ИС, предлагаем вам следующие решения. Во-первых, можно разработать плату заново (а может быть и схему) на основе ИС, имеющихся в наличии. Это, наверное, лучший выход из положения в случае, когда вы запускаете в производство новую плату или когда уже идет производство большой партии плат. Во-вторых, можно разработать маленькую «дочернюю» плату, которая будет подключаться к пустому разъему вместо недостающей ИС и эмулировать ее работу. Хотя этот выход из положения нельзя назвать красивым, он полностью решает возникшую перед вами проблему.

К чему приводят ограничения, свойственные ОУ. Рассмотренные ограничения операционного усилителя влияют на параметры компонентов почти во всех схемах. Например, резисторы обратной связи должны быть достаточно большими, тогда они не будут существенно нагружать выход; вместе с тем, если они будут слишком большими, то входной ток смешения будет порождать ощутимые сдвиги. Кроме того, высокое сопротивление в цепи обратной связи повышает восприимчивость схемы к влиянию внешних наводок и увеличивает влияние паразитной емкости. Учитывая сказанное выше, для ОУ общего назначения обычно выбирают резисторы цепей ОС с сопротивлением от 2 до 100 кОм.

Подобные компромиссы принимают при разработке почти всех электронных схем включая и самые простые транзисторные схемы. Например, величина тока покоя в транзисторном усилителе ограничена сверху мощностью, которую может рассеивать устройство, величиной входного тока и питающего тока, коэффициента усиления по току, а снизу — величиной тока утечки, коэффициента усиления по току и быстродействием (которое уменьшается из-за паразитной емкости и больших сопротивлений). В связи с этим, как было указано в гл. 2, величину коллекторного тока обычно выбирают в диапазоне от нескольких десятков микроампер до нескольких десятков миллиампер (побольше для мощных схем, поменьше для «микромощных»). В следующих трех главах мы рассмотрим такие проблемы более тщательно для того, чтобы вы поняли, как находят компромиссные решения.

Упражнение 4.6. Нарисуйте схему инвертирующего усилителя со связями по постоянному току; его коэффициент усиления должен быть равен 100, а I_вх = 10 кОм. Предусмотрите возможность компенсации входного тока смещения и регулировки напряжения сдвига (используйте потенциометр на 10 кОм, который можно подключить к выводам 1 и 5, а его движок — к источнику питания u_{_}). И наконец, измените схему так. чтобы выполнялось условие вх z≥ 10⁸ Ом.

Подразделы: 4.11 4.12 4.13

Подробный анализ работы некоторых схем на операционных усилителях

Руководство по покупке » Примечания по электронике

При проектировании схемы важно правильно выбрать операционный усилитель для конкретного приложения, поскольку некоторые из них являются универсальными, другие имеют низкий уровень шума, третьи имеют высокое входное сопротивление и т.

 д.

---

Учебное пособие по операционному усилителю Включает:
Введение Усиление операционного усилителя Пропускная способность Скорость нарастания операционного усилителя Смещение нуля Входное сопротивление Выходное сопротивление Операционный усилитель с обратной связью по току Понимание спецификаций Как выбрать операционный усилитель Краткое описание схем операционных усилителей

---

При выборе операционного усилителя для любого конкретного проекта необходимо сделать несколько вариантов. Некоторые операционные усилители являются универсальными и подходят для многих приложений общего назначения, тогда как другие операционные усилители были разработаны с более высокими уровнями производительности в некоторых областях.

При разработке любой электронной схемы с использованием операционных усилителей необходимо выбрать правильный тип, чтобы обеспечить наилучшие характеристики при наилучших затратах, а также учитывать другие факторы, такие как дистрибьютор или поставщик электронных компонентов и время выполнения заказа.

и т. д. также во внимание.

Во многих схемах стандартные операционные усилители общего назначения будут работать очень хорошо, и специализированные операционные усилители с более высокими уровнями производительности не потребуются, но в некоторых приложениях требуется повышенная производительность, и можно выбрать более специализированные операционные усилители.

Требования к операционному усилителю

Идеальный операционный усилитель, если бы он когда-либо существовал, имел бы бесконечный коэффициент усиления, бесконечный входной импеданс, нулевой выходной импеданс, он должен иметь бесконечную частотную характеристику, не вносить никаких шумов и не иметь искажений. Очевидно, что ни один операционный усилитель не может удовлетворить всем этим требованиям.

Однако при выборе правильного операционного усилителя необходимо соблюдать баланс между различными операционными усилителями. Устройства общего назначения будут адекватно работать в большинстве областей, в то время как некоторые другие могут иметь очень высокий входной импеданс, низкий уровень шума или широкую частотную характеристику.

При проектировании схемы операционного усилителя необходимо знать, что требуется, чтобы можно было выбрать лучший операционный усилитель для работы.

Операционный усилитель общего назначения

При выборе электронных компонентов для схемы необходимо смотреть на то, что необходимо, и не увеличивать спецификацию больше, чем необходимо.

Повышение требований к характеристикам операционного усилителя или любых других электронных компонентов может увеличить не только стоимость, но и ограничить количество поставщиков, а также означает, что их не так просто найти.

Существует много доступных операционных усилителей общего назначения, часто со вторыми источниками. Если их можно выбрать, то стоимость и доступность становятся намного проще.

Тем не менее, если требуется операционный усилитель с более высокими характеристиками, необходимо будет выбрать электронный компонент с более высокими характеристиками.

Высокое входное сопротивление

В некоторых приложениях может потребоваться операционный усилитель с очень высоким входным сопротивлением. В ряде случаев может возникнуть необходимость в гораздо более высоком импедансе, чем тот, который обычно имеется в операционном усилителе общего назначения. Например, может быть для электронной схемы интегратора. Когда заряд интегрируется в течение длительного периода времени, даже высокий импеданс стандартного операционного усилителя будет заметен, поскольку заряд будет утекать.

Также могут быть случаи, когда используются пробники с высоким импедансом, а операционный усилитель размещается очень близко к пробнику в качестве буфера для предотвращения наводки. Здесь может понадобиться операционный усилитель с высоким импедансом. Есть также много других приложений, где могут потребоваться операционные усилители с высоким импедансом.

В подобных случаях может потребоваться выбор операционных усилителей с входами на полевых транзисторах. Эти операционные усилители имеют чрезвычайно высокий уровень импеданса на входе. Путь тока для смещения входа по-прежнему необходимо предусмотреть, поскольку полевые транзисторы должны иметь правильное смещение, но даже в этом случае эти входные операционные усилители на полевых транзисторах представляют собой отличный выбор.

Низкий уровень шума

Другим важным параметром в некоторых приложениях является шум. Там, где схемы требуют хороших шумовых характеристик, необходимо выбрать малошумящий операционный усилитель. Эти устройства легко доступны, так как во многих областях важно выбрать устройство с низким уровнем шума.

Шум может быть особенно важен на этапах ввода продукта. Дальнейшие этапы усиления будут только усиливать шум и его нельзя будет убрать.

При использовании операционного усилителя в качестве входного каскада вполне может быть целесообразным выбрать операционный усилитель с низким уровнем шума.

Низкая мощность/ток

В связи с тем, что в наши дни многим устройствам требуется питание от батареи, низкое энергопотребление может стать проблемой. Многие операционные усилители были разработаны для этих приложений, и с помощью поиска можно выбрать некоторые операционные усилители очень малой мощности.

Низкое напряжение питания

Ранние операционные усилители работали от источников питания с напряжением ±15 В.

В настоящее время, когда многие схемы должны работать от гораздо более низких источников питания, эти напряжения во многих случаях нецелесообразны. К счастью, можно выбрать операционные усилители с низким напряжением.

Правильный выбор корпуса операционного усилителя

При выборе ОУ необходимо также выбрать тип корпуса. Микросхемы могут поставляться в различных корпусах, как в обычном монтаже через отверстие в 4- и 8-контактном двойном ряду, так и в различных корпусах для поверхностного монтажа.

Как и другие электронные компоненты, операционные усилители доступны как в корпусе для сквозного, так и для поверхностного монтажа

. Также не забывайте, что можно выбрать корпус с несколькими операционными усилителями внутри. Обычно они могут поставляться с двумя или четырьмя операционными усилителями в упаковке, хотя доступно большее количество. Это может сэкономить место на доске и стоимость. Выбирая большее количество операционных усилителей в упаковке, помните, что эти несколько устройств в упаковке обычно не поставляются со смещенными нулевыми соединениями.

Проверьте это перед выбором устройства, если требуется нулевое смещение.

Дистрибьютор электронных компонентов / выбор поставщика

При покупке операционного усилителя речь может идти не только о том, чтобы получить продукт по самой низкой цене. В некоторых случаях может потребоваться покупка у дистрибьютора электронных компонентов.

Особенно для коммерческих организаций, занимающихся производством электроники, могут быть другие вопросы, которые следует учитывать, и выбор дистрибьютора электронных компонентов является более важным.

• Сроки:   Часто бывает необходимо учитывать сроки при выборе места покупки конденсаторов и других электронных компонентов. Некоторые дистрибьюторы электронных компонентов могут выполнить доставку очень быстро или в требуемую дату. и это преимущество во многих случаях. Наличие нужного продукта, когда это необходимо, может означать, что количество запасов, хранящихся на площадке по производству электроники, может быть уменьшено.

  Кроме того, надежное планирование доставки электронных компонентов, когда они необходимы, может уменьшить трудности с обработкой нехватки в производственном процессе.

  Часто случается так, что по мере того, как мировое электронное оборудование начинает увеличиваться, время выполнения заказа значительно увеличивается. В этих обстоятельствах наличие дистрибьютора электронных компонентов в качестве партнера может оказать значительную помощь в получении необходимых запасов.

• Стоимость:   При покупке электронных компонентов основным фактором является стоимость. Особенно для частных лиц это может быть одним из самых важных соображений. Обычно качество хорошее, но это нужно учитывать, особенно когда цены низкие. Обычно, хотя качество очень хорошее.
• Широкая доступность:   В некоторых случаях требуется широкий складской запас, и это может быть причиной для выбора конкретного дистрибьютора или продавца электронных компонентов.
• Отгрузка на склад:   Для крупномасштабного производства электроники можно создать объект, известный как отгрузка на склад. Вступая в отношения с дистрибьютором электронных компонентов, они могут быть в курсе требований, и когда запасы на производственном предприятии заканчиваются, новые компоненты могут быть отправлены непосредственно на производственную линию с минимальными формальностями.

• Отслеживаемый запас:   Для многих профессиональных применений необходимо иметь электронные компоненты, и в данном случае операционные усилители, которые получены из гарантированного источника и не являются подделками. Если контрафактные товары попадут в цепочку поставок, это может повлиять на производительность, надежность и ряд других факторов.

  В дополнение к этому могут быть штрафы за подделку запасов, особенно при производстве оборудования для многих государственных организаций. Использование авторитетного, авторизованного дистрибьютора электронных компонентов может гарантировать, что запасы будут получены из правильных источников.

Для большинства производственных ситуаций будут использоваться распределители электронных компонентов, но для любителей и для некоторых небольших приложений по прототипированию часто могут использоваться компоненты из обычных источников электронных компонентов.

При выборе операционного усилителя, соответствующего потребностям любого приложения, необходимо сначала понять требования. После того, как это будет сделано, требования можно сравнить с имеющимися устройствами и сделать лучший выбор операционного усилителя.

Короткое замыкание процесса может означать, что выбрано неправильное устройство. Следование логическому подходу означает, что правильный операционный усилитель выбран для удовлетворения потребностей рассматриваемой схемы.

Дополнительные схемы и схемы:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Транзисторная конструкция Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы схемы полевых транзисторов Символы цепи
    Вернитесь в меню «Конструкция схем». . .

что нужно знать

19 февраля 2016 г. Крис Фрэнсис Оставить комментарий

Выбор операционного усилителя для конкретной задачи иногда может быть простым, но в других случаях у вас будет много противоречивых требований, что делает выбор более сложной задачей. Кроме того, количество операционных усилителей, доступных в настоящее время, огромно, поэтому может потребоваться некоторое время, чтобы разобраться с вариантами от разных производителей. Хотя вам может понадобиться быстрый операционный усилитель, вам также может понадобиться низкий уровень шума, низкое входное смещение и низкий ток смещения. На сайте производителя малошумящие усилители могут быть сгруппированы отдельно от высокоскоростных. Решение обычно состоит в том, чтобы просто выбрать основной параметр, который вас интересует для начала. В случае с Texas Instruments это дало бы 313 высокоскоростных операционных усилителей (из 1387). Затем вы можете сузить область поиска, включив в него другие важные параметры.

Если вам не повезет, вы в конечном итоге не найдете операционных усилителей, соответствующих вашим требованиям, поэтому вам придется либо пойти на компромисс со спецификацией, либо использовать схему, отличную от операционных усилителей. Например, в прошлом вы не могли получить очень быстродействующие входные операционные усилители JFET (а быстрых операционных усилителей CMOS не существовало). Раньше я добавлял истоковый повторитель JFET с двойным согласованием к высокоскоростному биполярному операционному усилителю, чтобы получить требуемую производительность. Сегодня в этом нет необходимости, например, из-за наличия быстрых устройств CMOS и SiGe.

Пропускная способность/скорость
Обычно это первое, что следует учитывать. Если вам нужна полоса пропускания всего в несколько кГц, вы, вероятно, можете игнорировать полосу пропускания в качестве основного критерия выбора и использовать один из других ключевых параметров спецификации, чтобы начать поиск. Имейте в виду, что если вы хотите получить коэффициент усиления 100 в одном каскаде на частоте 10 кГц, вам потребуется полоса пропускания более 1 МГц. Вы также можете рассмотреть скорость нарастания, хотя операционные усилители с большей пропускной способностью обычно имеют более высокие скорости нарастания.

Обратная связь по напряжению или току
Это важно, особенно для быстродействующих операционных усилителей. Операционные усилители с токовой обратной связью могут быть очень быстрыми, но также могут иметь низкий входной импеданс и не любят реактивные компоненты в обратной связи (например, конденсаторы). Итак, если вы найдете операционный усилитель с обратной связью по току, который соответствует вашим основным требованиям, убедитесь, что он подходит для схемы вашего приложения.

Стабильность единичного усиления
Еще один важный параметр, зависящий от вашего приложения, если вы хотите, чтобы ваш усилитель не был генератором.

Диапазон входного и выходного напряжения
В наши дни существует множество операционных усилителей с входом и выходом, но вам нужно выбирать с умом. Не выбирайте rail-to-rail, если он вам не нужен. И, если вам нужен выход rail-to-rail, не предполагайте, что вам также нужен вход rail-to-rail. Если у вас есть значительное усиление замкнутого контура, то диапазон входного напряжения будет намного меньше, чем диапазон выходного напряжения.

Диапазон входного напряжения обычно представляет собой «диапазон синфазного напряжения». Два входа операционного усилителя будут иметь почти одинаковое напряжение, а дифференциальное напряжение будет крошечным, поэтому важно напряжение «синфазного режима».

Диапазон рабочего напряжения
Это важно. Если вы хотите питать операционный усилитель от одного источника питания 3,3 В, убедитесь, что он работает на таком низком уровне. Точно так же, если вы хотите запитать его от +/- 12В, проверьте, подойдет ли он. В настоящее время существует множество операционных усилителей, которые работают при низких напряжениях — например, LMV951 значительно ниже 2 В, который работает до 0,9 В. Хотя это звучит впечатляюще, это довольно современный операционный усилитель, а LM10 от National Semiconductor (теперь часть Texas Instruments) работает при напряжении до 1,1 В. Он был разработан Бобом Видларом почти 40 лет назад, но доступен и сейчас.

Для приложений с низким энергопотреблением вы также можете добавить потребление тока в список параметров, чтобы сузить область поиска. Опять же, есть несколько впечатляющих устройств с операционными усилителями, потребляющими менее 1 мкА, что делает возможными схемы, которые «крадут» немного энергии откуда-то.

Входной шум напряжения или тока
Часто другой важный параметр. В зависимости от вашего приложения шум входного тока может вносить больший вклад в выходной шум, чем шум входного напряжения, поэтому вам необходимо убедиться, что вы смотрите на правильное значение.

Входное смещение
Иногда это не имеет значения, например, в системе со связью по переменному току. Но в системе со связью по постоянному току вы должны быть осторожны, чтобы смещение было приемлемым. Имейте в виду, что смещение на входе усиливается, поэтому 1 мВ на входе может реально равняться 100 мВ на выходе операционного усилителя, и с более чем одним каскадом усиления со связью по постоянному току вы можете в конечном итоге подключить выход операционного усилителя конечного каскада усиления к шинам питания. от усиленных смещений.

Входной ток смещения
Это важно для цепей с высоким импедансом, будь то источник сигнала или внешние компоненты. Помните, что на вашу точность может влиять не фактический ток смещения, а ток смещения , смещенный на . Это было бы так, если бы эквивалентное сопротивление каждого входа было одинаковым, поэтому влияние фактического тока смещения компенсировалось.

Дрейф
Предполагая, что вы проектируете в соответствии с температурным диапазоном, необходимо проверить дрейф смещений и токов смещения, чтобы убедиться, что ваша конструкция по-прежнему соответствует требованиям при всех рабочих температурах.