Операционные усилители с однополярным питанием. Справочная информация - промэлектроника Операционные усилители с однополярным питанием справочник

Компания Maxim/Dallas выпускает широкую номенклатуру радиоэлектронных компонентов, в том числе и операционных усилителей. В статье кратко описываются так называемые "rail-to-rail" операционные усилители, допускающие изменение входного синфазного сигнала от нуля до напряжения источника питания при однополярном питании или от отрицательного до положительного источника при двуполярном и обеспечивающие выходное напряжение в том же диапазоне.

Операционные усилители, допускающие изменение входных синфазных сигналов в полном диапазоне питающих напряжений, очень удобны во многих областях применения. Компания Maxim/Dallas выпускает более 150 типов таких ОУ. Для первичного ознакомления рассмотрим приборы, работающие при напряжения питания 2,85 В и менее, имеющие в корпусе один или два ОУ и выпускаемые в корпусах для поверхностного монтажа SC70 и SOT. Перечень таких микросхем приведен в табл. 1, а схематическое изображение корпусов и разводка выводов - на рис. 1.

В таблице приняты следующие обозначения:

N - число ОУ в корпусе; ShDn - возможность выключения ОУ по входу Shutdown; К У МИН - минимальный коэффициент усиления, при котором сохраняется его устойчивость; U ПИТ - диапазон питающих напряжений при однополярном питании; I ПИТ МАХ - максимальный ток потребления микросхемы; U СМ - напряжение смещения нуля; КОС.СФ - коэффициент ослабления входного синфазного напряжения; КВЛ.ИП - коэффициент влияния нестабильности источников питания на напряжение смещения; I ВХ - входной ток; f1 - частота единичного усиления; V UВЫХ - максимальная скорость нарастания выходного напряжения; U Ш - спектральная плотность шумового напряжения, приведенная к входу; I Ш - спектральная плотность шумового входного тока; f Ш - частота, на которой нормируются UШ и IШ.

Цена микросхем указана для покупки в США партии не менее 1000 шт.

ассмотрим некоторые особенности перечисленных в табл. 1 операционных усилителей. Все они обладают очень полезным свойством - при перегрузке по входам полярность выходного сигнал не меняется. Большинство усилителей имеет на входе резистивно-диодную защитную цепь (рис. 2), резко снижающую входное сопротивление при превышении входным сигналом уровня порядка 2 В. Для некоторых микросхем пороговое напряжение, при котором происходит снижение входного сопротивления, существенно ниже, поскольку у них в защитной цепи только два диода, а не шесть.

Рис. 2

Операционные усилители МАХ4122 и МАХ4124 на нагрузке 250 Ом обеспечивают выходное напряжение, лишь на 300 мВ не доходящее до напряжения питания. Аналогичными свойствами обладает ОУ МАХ4130.

ОУ МАХ4162 имеет уникальное входное сопротивление для дифференциального сигнала - более 1013 Ом. Напряжение питания этой микросхемы может достигать 10 В. В ОУ нет защитной входной цепи, а синфазный входной сигнал может заходить за уровни напряжения питания на 250 мВ. Таким же свойством обладают и некоторые другие ОУ.

КМОП ОУ микросхем МАХ4230-МАХ4232 обеспечивают выходной ток до 30 мА и скорость нарастания выходного сигнала до 10 В/мкс.

Микросхема МАХ4240 может гарантированно работать при напряжении питания 1,8 В, потребляя при этом менее 18 мкА. Синфазный входной сигнал может заходить за уровни напряжения питания.

Микросхемы МАХ4321-МАХ4323 могут работать на нагрузку 250 Ом.

КМОП ОУ МАХ4490 и МАХ4491 обладают минимальным уровнем шумов.

Большинство серий микросхем, перечисленных в табл. 1, имеют продолжения в виде приборов, содержащих по два и четыре ОУ в одном корпусе.

Следует отметить, что сайт компании Maxim/Dallas очень удобен для подбора радиоэлементов. Из имеющегося обилия однотипных компонентов можно автоматически отобрать нужные по заданным параметрам - числу ОУ в корпусе, напряжению питания, быстродействию, смещению нуля, коэффициенту усиления и по всем другим функциональным возможностям. Список отобранных компонентов можно отсортировать по возрастанию или убыванию величины какого-либо параметра, а щелкнув по обозначению микросхемы, получить справочные данные (data sheet), а также модели для отобранных микросхем.

65 нанометров - следующая цель зеленоградского завода «Ангстрем-Т», которая будет стоить 300-350 миллионов евро. Заявку на получение льготного кредита под модернизацию технологий производства предприятие уже подало во Внешэкономбанк (ВЭБ), сообщили на этой неделе «Ведомости» со ссылкой на председателя совета директоров завода Леонида Реймана. Сейчас «Ангстрем-Т» готовится запустить линию производства микросхем с топологией 90нм. Выплаты по прошлому кредиту ВЭБа, на который она приобреталась, начнутся в середине 2017 года.

Пекин обвалил Уолл-стрит

Ключевые американские индексы отметили первые дни Нового года рекордным падением, миллиардер Джордж Сорос уже предупредил о том, что мир ждет повторение кризиса 2008 года.

Первый российский потребительский процесор Baikal-T1 ценой $60 запускают в массовое производство

Компания «Байкал Электроникс» в начале 2016 года обещает запустить в промышленное производство российский процессор Baikal-T1 стоимостью около $60. Устройства будут пользоваться спросом, если этот спрос создаст государство, говорят участники рынка.

МТС и Ericsson будут вместе разрабатывать и внедрять 5G в России

ПАО "Мобильные ТелеСистемы" и компания Ericsson заключили соглашения о сотрудничестве в области разработки и внедрения технологии 5G в России. В пилотных проектах, в том числе во время ЧМ-2018, МТС намерен протестировать разработки шведского вендора. В начале следующего года оператор начнет диалог с Минкомсвязи по вопросам сформирования технических требований к пятому поколению мобильной связи.

Сергей Чемезов: Ростех уже входит в десятку крупнейших машиностроительных корпораций мира

Глава Ростеха Сергей Чемезов в интервью РБК ответил на острые вопросы: о системе «Платон», проблемах и перспективах АВТОВАЗа, интересах Госкорпорации в фармбизнесе, рассказал о международном сотрудничестве в условиях санкционного давления, импортозамещении, реорганизации, стратегии развития и новых возможностях в сложное время.

Ростех "огражданивается" и покушается на лавры Samsung и General Electric

Набсовет Ростеха утвердил "Стратегию развития до 2025 года". Основные задачи – увеличить долю высокотехнологичной гражданской продукции и догнать General Electric и Samsung по ключевым финансовым показателям.

Пекин обвалил Уолл-стрит

Первый российский потребительский процесор Baikal-T1 ценой $60 запускают в массовое производство

МТС и Ericsson будут вместе разрабатывать и внедрять 5G в России

Сергей Чемезов: Ростех уже входит в десятку крупнейших машиностроительных корпораций мира

Ростех "огражданивается" и покушается на лавры Samsung и General Electric

Мобильные электронные системы с питанием от батарей получают все большее распространение.
Обычно в них используется однополярное питание напряжением 5 В и меньше. Схемы с однополярным
питанием позволяют уменьшить сложность источника питания и зачастую повысить экономичность
устройств.

Операционные усилители (ОУ) преимущественно используются в схемах с двухполярным питанием, поскольку входные и выходные сигналы ОУ чаще всего могут иметь как положительную так и отрицательную полярность относительно общей шины схемы. В случае, если не инвертирующий вход ОУ соединен с общей шиной, синфазное входное напряжение, вызывающее погрешность преобразования сигнала схемой на ОУ, отсутствует (рис. 1) .

Тогда выходное напряжение ОУ Vout=-Vin R2/R1 .

Если источник входного сигнала не соединен с общей шиной (рис. 2, а) , то разность потенциалов Vсф между общей шиной и выводом источника входного сигнала влияет на выходное напряжение Vout=-(Vin+Vсф)R2/R1 .

Иногда это допустимо, но чаще выходное напряжение усилителя должно обязательно определяться только входным сигналом Vin. В таком случае ОУ используется в дифференциальном включении, причем на второй вход подается смещение, в точности равное Vсф (рис. 2, б) . Напряжение Vсф существует в обеих входных цепях, и, следовательно,
является синфазным входным сигналом. Схема инвертирующего включения ОУ с однополярным питанием приведена на рис. 3.

Здесь входное напряжение привязано не к средней точке источника питания, как это обычно делается в случае двухпоярного питания ОУ, а к отрицательному полюсу источника питания. Эта схема не работает, если входное напряжение положительно, поскольку выходное напряжение должно в этом случае становиться отрицательным, а отрицательного источника питания здесь нет. Для нормальной работы с отрицательными входными сигналами в этой схеме следует использовать ОУ, допускающие соединение входов с шинами питания. Непременное требование соединения входов с общей шиной или другим опорным напряжением затрудняет построение схем на ОУ с однополярным питанием. Наиболее естественно использовать однополярное питание операционных усилителей тогда, когда источник входного сигнала однополярный, например, фотодиод (рис. 4) .

В других случаях могут использоваться различные способы смещения входных и выходных напряжений ОУ.

Смещение ОУ с однополярным питанием

На рис. 5 представлены три основные схемы подключения источника смещения при однополярном питании ОУ.

Схема на рис. 5, а представляет собой инвертирующий сумматор,

на рис. 5, б -дифференциальный усилитель,

а на рис. 5, в - неинвертирующий сумматор.

В общем случае связь между входными и выходными напряжениями в этих схемах можно представить уравнением

Vout= kVin+b . (3)

Уравнению (3) соответствует график статической переходной характеристики схемы с ОУ в виде прямой
линии (рис. 6) .

таблица 1.

В табл. 1 приведены значения постоянных k и b для уравнения (2), соответствующих схемам на рис. 5 . Если в схеме на рис. 5, б поменять местами источники V IN и V OF , то такому включению соответствует нижняя строка в графе «Рис. 5, б» табл. 1.
Схемы и значения постоянных k и b выбираются так, чтобы при любых возможных значениях входного напряжения
V IN выполнялось условие 0 < V OUT < V S . (4)
Обычно k определяется необходимым усилением схемы, поэтому разработчик может выбрать только конфигурацию схемы и постоянную b. Более подробно смещение ОУ при однополярном питании рассматривается в . Типовая схема включения ОУ для усиления сигналов переменного тока с питанием от однополярного источника приведена на рис. 7 .

Здесь напряжение смещения равно половине напряжения питания. Резисторы делителя цепи смещения могут быть выбраны достаточно высокоомными, что бы не нагружать источники питания и входного сигнала.

Введение искусственной нулевой точки

От использования цепей смещения можно отказаться, если ввести искусственную нулевую (среднюю) точку, т. е. точку схемы, потенциал которой располагается приблизительно посередине между потенциалами положительного и отрицательного полюсов однополярного источника питания. Для того, чтобы схема могла усиливать биполярные сигналы, источник входного сигнала включается между входом инвертирующего усилителя и искусственной нулевой точкой
(рис. 8) .

При этом, чтобы избежать смещения выходного напряжения, нагрузку R L включают между выходом усилителя и искусственной нулевой точкой. Это усложняет построение цепей, формирующих нулевую точку.

На рис. 9 представлены примеры схем формирования потенциала нулевой точки. Наиболее простым является резистивный делитель напряжения, средняя точка которого соединена с искусственной нулевой точкой 0 (рис. 9, а) . Однако при наличии нагрузки R L ток нагрузки I L протекает через один из резисторов этого делителя, создавая не симметрию напряжений между полюсами источника питания и точкой 0, причем степень этой не симметрии зависит от силы тока
нагрузки. Уменьшение сопротивлений делителя снижает не симметрию этих напряжений, но при этом возрастают потери энергии в делителе.
Схема со стабилитроном (рис. 9, б) обеспечивает хорошую стабилизацию потенциала искусственной нулевой точки относительно отрицательного полюса источника питания. В качестве стабилитрона в этой схеме целесообразно применение двухвыводного источника опорного напряжения (или регулируемого трехвыводного, такого как, например,
(TL431). Эта схема хорошо работает при вытекающем выходном токе ОУ, но для сохранения стабильности потенциала точки 0 при значительном втекающем выходном токе требуется резистор R с низким сопротивлением, что опять-таки
обуславливает повышенные потери. Аналогичные проблемы возникают при использовании для формирования искусственной нулевой точки стабилизатора напряжения с последовательным регулирующим элементом.
Лучшие характеристики имеет схема с операционным усилителем, подключенным по схеме не инвертирующего повторителя к средней точке резистивного делителя напряжения (рис. 9, в) . В данной схеме делитель может быть высокоомным, т. к. он нагружен только входным током покоя операционного усилителя. ОУ сравнивает потенциал на выходе схемы с потенциалом в средней точке делителя и поддерживает напряжение на своем выходе таким, чтобы разность сравниваемых потенциалов была равна нулю. Этот эффект достигается благодаря действию отрицательной обратной связи. При малых токах покоя, потребляемых этой схемой (менее 1 мА), такой активный делитель имеет выходное сопротивление не более 1 Ом.

Еще более эффективно применение специальных микросхем для формирования искусственной нулевой точки (рис. 9, г) . Фирма Texas Instruments (США) выпускает ИМС типа TLE2425. Эта ИМС изготавливается в малогабаритном трех выводном корпусе ТО-92 и обеспечивает ток через искусственную среднюю точку до 20 мА в любом направлении при токе собственного потребления не более 0,25 мА и динамическом выходном сопротивлении не более 0,22 Ом. В том случае, если нагрузка может быть не связана с общей точкой схемы или с какой-либо из шин питания, можно использовать простейший вариант формирования искусственной нулевой точки на резистивном делителе (рис. 9, а) , но с мостовой усилительной схемой (рис. 9, д) .

В этой схеме инвертирующий повторитель на ОУ2 создает на нижнем полюсе нагрузки RL потенциал, противофазный по отношению к потенциалу верхнего ее полюса.Здесь в искусственную нулевую точку втекает ток, равный V IN /R1, поэтому сопротивление резистора R1 следует взять по возможности большим, иначе возможна не симметрия нулевой точки. Дополнительные достоинства этой схемы: увеличение максимальной амплитуды напряжения
на нагрузке в два раза при том же напряжении питания и заметное повышение КПД при полном размахе выходного напряжения.

Расширение динамического диапазона

Снижение напряжения питания ОУ от обычных +15 В до однополярного 5 В значительно уменьшает амплитудный диапазон входного и выходного напряжений. Амплитудный диапазон в данном случае можно определить как разность между максимально и минимально возможными входными (выходными) напряжениями. Применение усилителей, рассчитанных на двухполярное питание, возможно и с однополярным питанием, но, во-первых, при низкой разности потенциалов между выводами питания далеко не все типы таких ОУ имеют приемлемые характеристики (например, коэффициент усиления), а во-вторых, амплитудный диапазон их выходных напряжений сравнительно мал из-за довольно больших напряжений насыщения транзисторов выходного каскада. Размах выходного напряжения обычных усилителей общего применения не доходит до верхнего и нижнего потенциалов источника питания на 1…2 В при номинальной нагрузке. При питании такого усилителя от однополярного источника напряжением 5 В, амплитудный диапазон выхода составит 1…3 В. Это означает серьезное снижение соотношения сигнал/шум и уменьшение разрешающей способности схемы.

В настоящее время для работы от низковольтных источников питания, в том числе и однополярных, разработано большое количество моделей ОУ с полным размахом выхода(«Rail-to-Rail»). Выходное напряжение таких усилителей при работе на холостом ходу может изменяться практически от потенциала отрицательного полюса источника питания до потенциала положительного полюса.

Схемотехника выходных каскадов усилителей с полным размахом выхода и обычных ОУ различна. Выходной каскад обычных ОУ строится по схеме с общим коллектором на комплиментарных транзисторах (рис. 10, а) .

При использовании такого схемного решения минимальное падение напряжения на выходном транзисторе принципиально не может быть снижено. Как следует из схемы на рис. 10, а , источник тока I должен обеспечивать ток коллектора транзистора каскада усиления напряжения VT3 и базовый ток выходного транзистора VT1. Для нормальной работы схемы источника тока необходимо падение напряжения на нем VT1 не менее 1 В. Остальная часть общего падения напряжения приходится на выходной транзистор. Можно уменьшить минимальное падение на транзисторах выходного каскада, включив в выходном каскаде транзисторы по схеме с общим эмиттером (рис. 10, б) . По этой схеме построен выходной каскад, например, ОУ AD823 фирмы Analog Devices.

На рис. 11 представлены графики зависимости напряжения насыщения V SAT выходных транзисторов этого усилителя от тока нагрузки I L для максимального (V S –V OH) и минимального (V OL) выходных напряжений. Очевидно, что при работе усилителя на холостом ходу максимальное выходное напряжение почти достигает напряжения питания, а минимальное - мало отличается от нуля. Еще лучшие характеристики на холостом ходу обеспечивают усилители, у которых выходной каскад построен на комплементарных МОП-транзисторах (рис. 10, в) .
Сопротивления полностью открытого канала верхнего и нижнего МОП-транзисторов выходного каскада ОУ типа TLC2272 фирмы Texas InstRuments составляют, соответственно, 500 и 200 Ом при питании усилителя от однополярного источника 5 В.

Если нагрузка R L включена между выходом ОУ и общей точкой схемы, так как показано на рис. 4 , то при низких выходных напряжениях выходной ток также мал, и напряжение на открытом нижнем транзисторе усилителя весьма близко к нулю (доли милливольта). Если ток нагрузки велик, и нагрузка соединена другим выводом с плюсом источника питания или искусственной нулевой точкой, напряжение на полностью открытом выходном транзисторе может достигать больших значений (более 1 В). В некоторых применениях требуется не только полный размах выхода ОУ, но и полный размах (Rail-to-Rail) допустимых значений входного синфазного напряжения V СФ (вход с полным размахом). Это нужно, например, в схеме неинвертирующего повторителя, согласующего датчик сигнала с аналого-цифровым преобразователем. Для некоторых приложений необходимо, чтобы диапазон входных сигналов был ниже потенциала общей шины на 0,2…0,3 В. Это требуется при однополярном питании инвертирующего усилителя, где на вход должно подаваться отрицательное напряжение (рис. 3) , например, в схеме фотометра (рис. 4) , где полярность напряжения на инвертирующем входе ОУ несколько ниже, чем на неинвертирующем. Усилители, имеющие вход с полным размахом, схемотехнически заметно сложнее, чем обычные. Других преимуществ, кроме возможности работы с широким диапазоном входного синфазного сигнала, они не имеют. Поэтому их следует применять только там, где действительно требуется полный размах входа.

На рис. 12 , а приведена схема дифференциального входного каскада обычного ОУ. Он состоит из двух согласованных структур. Для того, чтобы входной сигнал мог достигать потенциала общей шины используются p-n-p-транзисторы.
Такое построение позволяет подавать на вход потенциал общей шины без нарушения работы входного каскада. При
более низком синфазном входном напряжении поведение входного каскада становится непредсказуемым. Часто наблюдается инверсия входов, при которой меняется знак обратной связи, и происходит переход ОУ в триггерный режим
(так называемое «защелкивание»). Поскольку напряжение на источнике тока V ИТ в схеме на рис. 12, а должно быть не
менее 0,4 В (иначе он просто не будет работать), а напряжение база-эмиттер транзисторов V BE в активном режиме
составляет приближенно 0,6 В, то входной синфазный сигнал должен быть по крайней мере на 1 В меньше напряжения питания.

На рис. 12, б представлен дифференциальный каскад на n-канальных полевых транзисторах с управляюшим p-n-переходом (JFET-транзисторы). Поскольку пороговое напряжение исток-затвор таких транзисторов составляет –2…–3 В, то можно легко обеспечить нормальную работу входного каскада ОУ при небольших отрицательных синфазных входных напряжениях. Именно так построен входной каскад ОУ AD823 с полным размахом выхода. Этот усилитель нормально работает при –1 В < V СФ < V S –1 В.

Если обязательно требуется работа ОУ с полным размахом входного напряжения, то применяют двойной комплементарный дифференциальный каскад (рис. 12, в) . Биполярный вариант, показанный на рис. 12 , в, используется в ОУ типа TLV245x и OP196, КМОП вариант этой схемы - в TLV247х и AD853х. Из схемы ясно, что оба дифференциальных усилителя входного каскада управляются одновременно. Дифференциальный усилитель (ДУ) с p-n-p-транзисторами работает до максимального уровня входных сигналов на 1 В ниже напряжения питания. Для нормальной работы n-p-n-усилителя требуется синфазный сигнал не менее 1 В. Таким образом, в зоне 1 В V S –1 В и V СФ <1 В - только один. Это обстоятельство вызывает довольно значительное изменение входных токов и напряжения смещения нуля (до 3 нА и 70 мкВ у TLV245x) при переходе через
границы этих зон, что может вызвать искажения усиливаемого сигнала. Уменьшить эти искажения можно, включив последовательно с неинвертирующим входом резистор RC (рис. 3) , сопротивление которого определяется по формуле

Rc = R1R2/R1+R2 (5)

В табл. 2 представлены основные параметры (типичные значения) некоторых типов ОУ, предназначенных для работы с однополярным питанием.

Схемы на ОУ с однополярным питанием

Линейный стабилизатор напряжения
Схема линейного стабилизатора напряжения на ОУ с регулирующим транзистором, включенным по схеме с ОК, представлена на рис. 13, а .

Схема содержит ОУ, включенный по схеме неинвертирующего усилителя с отрицательной обратной связью понапряжению, источника опорного напряжения V REF и регулирующего n-p-n-транзистора VТ, включенного последовательно с нагрузкой. Выходное напряжение V OUT контролируется с помощью цепи отрицательной обратной связи, выполненной на резистивном делителе R 1 R 2 . ОУ играет роль усилителя ошибки. Ошибкой здесь является разность между опорным напряжением V REF , задаваемым источником опорного напряжения (ИОН) и
выходным напряжением делителя R 1 R 2

ΔV = V REF — V OUT R1/R1+R2. (6)

Питание операционного усилителя осуществляется однополярным положительным напряжением. При этом операционные усилители, рассчитанные на двухполярное питание +15 В можно использовать в схемах стабилизаторов
со входным напряжением до 30 В. Стабилизируемое выходное напряжение ограничено снизу минимальным синфазным входным напряжением ОУ, а сверху - суммой напряжения насыщения ОУ и напряжения насыщения база-эмиттер регулирующего транзистора, т. е. минимально допустимое напряжение вход-выход стабилизатора при применении
обычных ОУ будет большим (около 3 В). На рис. 13, б приведена схема стабилизатора с пониженным допустимым напряжением вход/выход (так называемый, LDO-стабилизатор). Здесь регулирующий транзистор включен
по схеме с ОЭ, поэтому могут быть проблемы с устойчивостью . Минимально допустимое напряжение вход/выход в
этой схеме ограничено только напряжением насыщения коллектор-эмиттер регулирующего транзистора VT.

Прецизионный выпрямитель

Замечательная по простоте схема двухполупериодного прецизионного выпрямителя представлена на рис. 14 .

Она вообще не содержит диодов. Однако в этой схеме могут применяться только ОУ с полным размахом входных и выходных напряжений (Rail-to-Rail). Усилители питаются обязательно от однополярного источника. Если V IN >0, то усилитель ОУ1 работает как неинвертирующий повторитель. В этом случае усилитель ОУ2 работает в дифференциальном включении и V OUT =V IN . При V IN <0 усилитель ОУ1 уходит в отрицательное насыщение, напряжение на его выходе становится равным нулю (питание однополярное!). Тогда усилитель ОУ2 переходит в режим инвертирующего повторителя, поэтому V OUT = –V IN . Как следствие, V OUT = |V IN |.

Усилитель ОУ2 всегда работает в линейном режиме, а потенциал неинвертирующего входа ОУ1 при V IN <0 становится ниже потенциала отрицательного полюса источника питания. Не все операционные усилители это допускают. Например, сдвоенный ОУ ОР291 как нельзя лучше подходит для этой схемы. Его входы защищены от дифференциального перенапряжения встречно-параллельно включенными диодами, причем в цепи баз входных транзисторов включены резисторы сопротивлением в 5 кОм. Это позволяет усилителю выдерживать при однополярном питании входное синфазное напряжение до –15 В. В этом случае резистор R1 можно не включать. Иное дело - сдвоенный усилитель ОР296. Он не имеет защитных резисторов, и при его применении в этой схеме необходимо включать резистор R1=2 кОм.
Изготовитель рекомендует для этой схемы при 5-вольтовом питании диапазон входных сигналов ±1 В. Из-за того, что усилитель ОУ1 долго выходит из насыщения, частотный диапазон схемы оказывается довольно узким - для ОУ ОР291 он составляет 0…2 кГц.

Схема измерения тока

Для измерения больших токов в линии, находящейся под относительно высоким потенциалом, может быть использована схема, представленная на рис. 15 .

Ток, протекающий через нагрузку, создает напряжение V IN на шунте R ш, который здесь является датчиком тока. Полагаем ОУ идеальным. Тогда через инвертирующий вход усилителя ток не течет, и, поскольку напряжение между дифференциальными входами усилителя равно нулю, напряжение V IN приложено к левому резистору R. Ток через резистор R и коллектор транзистора VТ

l c = V IN /R = l L R ш /R (7)

Пренебрегая током базы транзистора, найдем выходное напряжение схемы

V OUT = l C R T = l L R T R ш /R (8)

Именно по этой схеме выполнен измеритель тока фирмы Burr-Brown INA168 (границы кристалла показаны на рис. 15 штриховой линией). Он допускает синфазное напряжение на входах до 60 В и коэффициент усиления напряжения на шунте до 100. Ток, потребляемый микросхемой, составляет всего 50 мкА. Микросхема LT1787 аналогичного назначения построена симметрично, т. к. имеет в своем составе усилитель с дифференциальными входами и выходами и нагрузку в виде токового зеркала. Допустимое синфазное напряжение также 60 В. Динамический диапазон -12 бит (72 дБ). Микросхема измерителя тока МАХ471 имеет на кристалле шунтовой резистор, рассчитанный на ток до 3 А, а у МАХ4372 такого резистора нет, но зато ее погрешность преобразования не превышает 0,18%.

Цифро-аналоговый преобразователь
с выходом в виде напряжения

Комбинация ЦАП с токовым выходом, например, 12-битного AD7541А и ОУ с полным размахом показана на рис. 16 .

Здесь используется инверсное включение резистивной матрицы R-2R. ОУ включен по схеме неинвертирующего усилителя с коэффициентом усиления 2. В качестве источника опорного напряжения может быть использован TL431. Выходное напряжение схемы определяется формулой

V OUT = 2V REF /4096*DI, (9)

где DI - входной код.

Выводы

Операционные усилители, предназначенные для работы с биполярным питанием, могут работать в схемах с одним источником, однако амплитудный диапазон их входных и выходных сигналов может оказаться слишком узким. Операционные усилители, предназначенные для работы с одним источником, в свою очередь, тоже могут работать в схемах с биполярным питанием. Необходимо только, чтобы разность потенциалов положительного и отрицательного источника не превышала предельно допустимого напряжения питания для данного типа усилителя. Если требуется усиливать сигналы переменного тока, то при однополярном питании целесообразно использовать цепи смещения и разделительные конденсаторы (рис. 7) .
Если входной сигнал постоянного тока биполярный, то можно использовать цепи смещения, однако более удобно
введение в схему искусственной нулевой точки. Если предполагается работа со входными сигналами ниже потенциала общей шины при однополярном питании, следует в необходимых случаях предусмотреть меры для защиты входов усилителя.

Георгий Волович,
[email protected]

Литература
1. Mancini R. Single Supply Op Amp Design Techniques // Application RepoRt SLOA030. - Texas InstRuments
IncoRpoRated. - OctobeR 1999. - 23 p.
2. Волович Г. Устойчивость линейных интегральных стабилизаторов напряжения. - Схемотехника, 2001. № 11.

Компания Maxim Integrated Products — один из ведущих мировых производителей аналоговых интегральных схем. В данной статье предлагается обзор операционных усилителей (ОУ), выпускаемых Maxim, их классификация по основным параметрам, а также ряд соображений, позволяющих сделать оптимальный выбор для конкретного приложения из более чем широкой номенклатуры изделий, предлагаемых компанией.

В настоящее время каждый из ведущих производителей полупроводников выпускает более сотни (а иногда и несколько сотен) типов операционных усилителей. Линейка ОУ компании Maxim Integrated Products содержит около 150 типов микросхем (не учитывая исполнения в разных корпусах). На фоне этого изобилия разработчику сложно сделать оптимальный выбор микросхемы для конкретного приложения. Решение проблемы выбора предполагает определение нескольких ключевых параметров, критичных для разрабатываемого изделия и, тем самым, ограничение списка возможных вариантов до разумных пределов.

Основные параметры и классификация операционных усилителей
Параметры, которые определяют качество операционных усилителей, принято разделять па три группы: эксплуатационные, точностные и динамические.

К основным эксплуатационным параметрам относят:
. Минимальное и максимальное напряжения питания:
. Потребляемый ток;
. Наличие свойств Rail-to-Rail по входу и выходу;
. Наличие входа Shutdown (отключение от нагрузки).

К основным точностным параметрам относят:
. Напряжение смещения пуля VOS:
. Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСО;
. Коэффициент подавления пульсаций напряжения питания (КШШП) (другое наименование — коэффициент ослабления влияния нестабильности источников питания (КОПИИ));
. Входной ток IBIAS;
. Спектральная плотность шума по напряжению ей.

К основным динамическим параметрам относят:
. Частоту единичного усиления (GBW);
. Скорость нарастания выходного напряжения г.
Ограниченный объем статьи не позволяет пояснить физический смысл данных параметров. Однако они достаточно подробно разобраны во всех монографиях, посвященных принципам работы операционных усилителей, например в .
В теории ОУ используется термин «идеальный операционный усилитель». В реальности приходится учитывать: высокий, но все-таки конечный коэффициент усиления; ненулевой входной ток; ненулевое выходное сопротивление; ограниченную полосу пропускания и т.д.

Выпускаемые промышленностью операционные усилители постоянно совершенствуются, их параметры «приближаются к идеальным». Однако улучшить все параметры одновременно технически невозможно (не говоря уже о нецелесообразности подобных мероприятии из-за стоимости полученного решения). Для того, чтобы расширить область применения ОУ, выпускаются различные их типы, в каждом из которых одни или несколько параметров являются доминирующими, а остальные па обычном уровне (или даже чуть хуже). Это оправдано, так как в различных сферах применения от ОУ требуется высокое значение того или ипого параметра, по не всех сразу. Отсюда вытекает классификация ОУ по назначению. В рамках данной статьи мы рассмотрим:
. ОУ с малым энергопотреблением;
. Низковольтные ОУ;
. Малошумящие ОУ;
. Прецизионные ОУ;
. Высокоскоростные ОУ;
. Высоковольтные ОУ;
. ОУ общего назначения.

Операционные усилители с малым энергопотреблением
Усилители данного класса используются в приборах, получающих питание от гальванических или аккумуляторных батарей. Ключевым параметром, по которому конкретный усилитель может быть отнесен к данной группе, является значение тока, потребляемого от источника питания. Компания Maxim в своей классификации определяет эту ветчину, как «менее 20 мкА». Линейка ОУ с малым энергопотреблением и их параметры приведены в таблице 1 .

Таблица 1. Номенклатура и параметры ОУ с малым энергопотреблением компании Maxim

Объем статьи не позволяет привести полные таблицы для всех ОУ рассматриваемого класса. Поэтому в данной и последующих таблицах приведены параметры не всех ОУ, входящих в семейство, а только одинарных (то есть, содержащих один усилитель в корпусе). Значения большинства параметров сдвоенных и счетверенных усилителей, как правило, аналогичны параметрам одинарных ОУ. Полная информация доступна на сайте компании Maxim — www.maxim-ic.com.
Как видим, значения точностных параметров (коэффициент ослабления синфазного сигнала, коэффициент подавления пульсаций напряжения питания, спектральная плотность шума) находятся на уровне устройств общего назначения. Значения динамических параметров (частота единичного усиления, скорость нарастания выходного напряжения) не могут быть высокими, поскольку малое энергопотребление и высокая динамика в определенном смысле — понятия противоположные. Однако в тех приложениях, где малое энергопотребление выходит на первый план (мобильные устройства с батарейным питанием), динамические параметры не являются приоритетными.
Следует отметить микросхемы МАХ4464/70/71/72/74 - операционные усилители с потребляемым током 0,75 мкА. Это значение, на данный момент, является одним из лучших в отрасли. Кроме того, данные микросхемы обеспечивают достаточно высокие для своего класса значения КОСС и КППНП. Хорошие динамические характеристики (опять же для своего класса) обеспечивают семейства МАХ9910/11/12/13 и МАХ9914/15/16/17. Кроме того, эти микросхемы входят в категорию «Low Cost», т.е. микросхем с очень недорогой ценой, которые могут быть востребованы в экономичных приложениях. Достаточно сбалансированные параметры семейства МАХ406/07/09/17/18/19 позволяют рассматривать их в качестве усилителей общего назначения.

Необходимо отметить, что по сравнению с другими ведущими производителями операционных усилителей (Texas Instruments, Analog Devices, National Semiconductor, Intersil) компания Maxim в данном классе приборов выгодно выделяется широкой номенклатурой предлагаемых изделий. Компания Maxim предлагает 15 типов микросхем одинарных усилителей (один усилитель в корпусе) с током потребления менее 20 мкА. Компания Texas Instruments предлагает девять моделей, Intersil — шесть, Analog Devices и National Semiconductor — по две.

Низковольтные операционные усилители
Под низковольтными, как правило, понимают операционные усилители, у которых минимальное напряжение питания не превышает 1,8 В. Целевая область применения — устройства с батарейным питанием. Линейка низковольтных ОУ и их параметры приведены в таблице 2 .

Таблица 2. Номенклатура и параметры низковольтных ОУ компании Maxim

Как видим, большая часть номенклатуры низковольтных ОУ и ОУ с малым энергопотреблением пересекается — новыми являются только два семейства: МАХ9617/18/19/20 и МАХ4291/92/94. В первом случае упор сделан на улучшение точностных и динамических характеристик. Во втором — основное внимание уделено низкой стоимости, свойственных устройствам общего назначения. Из уникальных изделий следует обратить внимание на усилитель МАХ4289, который является, по утверждению компании Maxim, первым в отрасли ОУ с напряжением питания от 1 В в корпусе SOT-23 .

Что касается широты номенклатуры в данном классе, то предложения Maxim, Texas Instruments и National Semiconductor примерно одинаковы (15, 13 и 13 одинарных ОУ, соответственно), а позиции Analog Devices и Intersil скромнее (шесть и пять наименований).

Малошумящие операционные усилители
Шумы в операционных усилителях, накладываясь на полезный сигнал, обуславливают аддитивную погрешность в измерительных приложениях и помехи в аудиоаппаратуре. Различают внешние и внутренние шумы. Внешние шумы приходят в усилитель с входными сигналами, борьба с ними осуществляется различными схемотехническими и конструктивными решениями. Внутренние (тепловые, дробовые, фликер-шумы) являются собственными шумами уси-лителя — их уровень пытаются минимизировать на этапе разработки микросхемы усилителя. Для малошумящих усилителей ключевым параметром является спектральная плотность шума. Компания Maxim относит к этому классу ОУ, в которых это значение не превышает 15 нВ/\"Гц. Линейка малошумящих ОУ и их параметры приведены в таблице 3 .

Таблица 3. Номенклатура и параметры малошумящих ОУ компании Maxim

Лучшее но значению спектральной плотности шума семейство МАХ410/12/14 имеет показатель 1,5 нВ/Гц, что соответствует наиболее высоким достижениям в отрасли. Кроме того, отметим семейство МАХ4091/92/94 с точки зрения энергопотребления, хорошие показатели у МАХ4488/89 по динамике. Операционные усилители семейства MAX/i230/31 /32/33/34 являются достаточно привлекательными для тех приложений, где существенным фактором является цена.

Прецизионные операционные усилители
Для прецизионных (высокоточных) усилителей ключевым параметром является напряжение смешения нуля. Смешение нуля в операционных усилителях проявляется в наличии постоянного напряжения (смешения) на выходе О У при отсутствии входного сигнала (то есть, прямой и инверсный входы подключены к «земле»). Как правило, смешение нуля приводят ко входу, т.е. делят на коэффициент усиления. Очевидно, что минимальное смешение нуля — весьма существенный фактор для усилителей, работающих в измерительных приложениях. Компания Maxim относит к прецизионным усилителям те, у которых значение этого параметра не превышает 100 мкВ. Кроме того, важными параметрами для данного класса усилителей являются коэффициенты КОСС и КППНП, значения которых должны быть не хуже 100 дБ. Линейка прецизионных ОУ и их параметры приведены в таблице 4 .

Таблица 4. Номенклатура и параметры прецизионных ОУ компании Maxim

Несмотря на то, что номенклатура прецизионных ОУ, предлагаемых компанией Maxim, не очень широка, предлагаемые семейства явно дифференцированы по ключевому параметру. Таким образом, компания Maxim покрывает достаточно широкий спектр возможных приложений. Операционные усилители МАХ4238/39 показывают высокие показатели в этом классе — на уровне лучших показателей в отрасли. Отличительные особенности семейства МАХ9617/18/19/20: низковольтное питание; небольшой ток потребления и хорошие для своего класса динамические параметры. Микросхемы МАХ4236/37 классифицируются также как малошумящие. Усилители МАХ9943/44 позиционируются как прецизионные и высоковольтные.

Высокоскоростные операционные усилители
Договоримся, что в данном разделе мы не рассматриваем высокоскоростные усилители (с полосой частот шире 100 МГц), предназначенные для различного рода видеоаппаратуры, поскольку они выполнены по иным схемотехническим решениям и не являются операционными усилителями в классическом понимании этого термина. Под высокоскоростными ОУ будем понимать те усилители, скорость нарастания выходного напряжения которых превышает 10 В/мкс. Частота единичного усиления у таких ОУ в подавляющем большинстве случаев не менее 5 МГц. Для сравнения, скорость нарастания для видеоусилителей лежит в диапазоне 500...2000 В/мкс, а ширина полосы пропускания на уровне 3 дБ не менее 300 МГц. Линейка высокоскоростных ОУ и их параметры приведены в таблице 5 .

Таблица 5. Номенклатура и параметры высокоскоростных ОУ компании Maxim

Наиболее высокие показатели по скорости нарастания выходного напряжения (на уровне лучших в отрасли среди данного класса) при достаточно широкой полосе пропускания обеспечивают микросхемы МАХ9650/51. Однако они имеют более чем высокий потребляемый ток, большое смещение нуля и существенный недостаток — высокое напряжение питания (от 6 В).
Оптимальный выбор в данном классе по точностным характеристикам (КОСС, КППНП, спектральная плотность шума, смещение нуля) — микросхемы МАХ4488/89. С точки зрения энергопотребления — МАХ4124/25/28. Семейство МАХ4484/86/87 ориентировано на применение в экономичных приложениях «Low Cost».

Операционные усилители с широким диапазоном напряжения питания (высоковольтные ОУ)
Строго говоря, термин «высоковольтные ОУ» не совсем корректен. «Высоковольтными» были ОУ 1980-х годов, которые использовали напряжения питания =15 В, но с достаточно жестким допуском. Современные «высоковольтные» ОУ являются именно операционными усилителями с широким диапазоном напряжения питания. Возможность работы на повышенном (от 10 В) питании мы наблюдали в ряде микросхем рассмотренных выше классов. С этой точки зрения «высоковольт-ность» сама по себе является не столько критерием принадлежности к отдельному классу, сколько опцией, которая может быть присуща ОУ различного назначения.
С другой стороны, если рассматривать только усилители с максимальным напряжением питания 20 В и выше, то значение минимального напряжения питания (6 В) однозначно выделяет их в отдельный класс. Линейка таких ОУ и их параметры приведены в таблице 6 .

Таблица 6. Номенклатура и параметры высоковольтных ОУ компании Maxim

Специфичность данных микросхем обуславливает их ограниченную номенклатуру в продукции компании Maxim: усилители МАХ9650/51 — высокоскоростные, а МАХ9943/44/45 — малошумящие.

Операционные усилители общего назначения и недорогие операционные усилители

Некоторая нестандартность подзаголовка требует пояснений.
Усилители общего назначения. Здесь хотелось бы определиться с классификационным критерием. Если в рассмотренных выше группах критерий имел вполне определенный физический смысл (ток, напряжение и т.д.), то понятие «общее назначение» явно носит нематериальный характер. Договоримся, что в рамках данной статьи речь идет об изделиях, при проектировании которых ни один из параметров не считался доминирующим. С другой стороны, предполагалось, что ни один из параметров не будет завален «ниже нижнего». Поэтому изделие может быть востребовано в самых разнообразных приложениях, в тех фрагментах схемы, в которых к параметрам усилителя не предъявляются какие-то повышенные требования.
Если в качестве критерия использовать цену, то существуют «недорогие ОУ» (или «Low Cost» в терминах компании Maxim).

Остается определиться с понятием «недорого». Предлагается следующий механизм: рассматриваем всю линейку одинарных (один усилитель в корпусе) усилителей* , независимо от значения параметров и предполагаемого назначения, и ранжируем ее по цене** . Самая дешевая четверть изделий и составит группу «Low Cost». Понятно, что сюда попадут и те специализированные микросхемы, в которых один или несколько параметров будут хуже среднего. Ничего страшного: это говорит только о том, что данная микросхема — «Low Cost» в своем классе, но не имеет отношения к «общему на-значению». «Общее назначение» должно быть «Low Cost» по определению, и если усилитель со средними параметрами сюда не попал, то это, скорее всего, маркетинговая ошибка (или, все же, есть какая-то специализация, незаметная с первого взгляда). Линейка недорогих ОУ и их параметры приведены в таблице 7 .

Таблица 7. Номенклатура и параметры недорогих ОУ компании Maxim

И действительно, значительная часть усилителей из данной таблицы относится к какому-либо из классов: маломощных, малошумящих, высокоскоростных ОУ (именно они отмечены в столбце «Low Cost» соответствующих таблиц). К «чистым» операционным усилителям общего назначения можно отнести LMX321, МАХ4245, МАХ4400/01, МАХ4480/01 и, соответственно, сдвоенные и счетверенные модификации этих семейств.
Отметим также, что компания Maxim выделяет семейства МАХ9910/11/12/13 и МАХ9915/16/17/18, как операционные усилители с наилучшим соотноше-нием «быстродействие — потребляемая мощность».

«Автомобильные» (Automotive) операционные усилители
Отметим, что под «автомобильными» ОУ понимается не отдельный класс устройств, а опция, позволяющая использовать конкретную микросхему в автомобильных приложениях (а именно, соответствие требованиям сертификата TS 16949). Поскольку среди них есть ОУ общего назначения, прецизионные, высокоскоростные и т.д., то номенклатура и параметры «автомобильных» ОУ не сведены в отдельную таблицу, а отмечены в столбце «Мсиол-пение Automotive» в таблицах соответствующих групп.

Операционные усилители в миниатюрных корпусах
Характерная для современной электроники тенденция к минимизации габаритов электронных устройств (в особенности мобильного сегмента) определяет необходимость минимизации и отдельных электронных компонентов. Компания Maxim, в применении к ОУ, к миниатюрным относит корпуса размером 2x2 мм и менее. К ним относятся корпуса UCSP (с размерами 1x1; 1x1,5; 1,5x1,5 и 1,5x2 мм), CS-70 (размер 2x2 мм) и uDFK (размер 2x2 мм). Поскольку «миниатюрные» являются не отдельным классом, а только вариантом исполнения, то они не сведены в отдельную таблицу, а отмечены в столбцах «Миниатюрные корпуса» соответствующих таблиц (в корпусе liDFX в настоящий момент выпускается только микросхема МАХ4166).

[Вернувшись к таблице 7, можно сделать вывод: исполнение в корпусе CS70 — хорошее решение для снижения стоимости микросхемы (по крайней мере, в тех критериях Low Cost, которые были оговорены выше).

Заключение
Подводя итоги обзора операционных усилителей компании Maxim, можно сделать выводы, что компания Maxim производит операционные усилители для всех востребованных потребителем групп и различных областей применения. Номенклатура каждой из групп достаточно широка для того, чтобы найти изделие с заданным значением ключевого параметра. Характеристики операционных усилителей Maxim в наиболее востребованных группах не уступают аналогичным параметрам в продуктах других ведущих производителей, а часто и превосходят их.

Литература
1. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых устройств. — М: Додека-ХХI, 2005.
2. Страница http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/3254