Modely operačného zosilňovača

System Charging Basics (Apríl 2019).

Anonim

Modely operačného zosilňovača

Kapitola 8 - Operačné zosilňovače


Zatiaľ čo zmienka o operačných zosilňovačoch typicky vyvoláva vízie polovodičových zariadení postavených ako integrované obvody na miniatúrnom kremíkovom čipu, prvé opampéry boli vlastne okruhy vakuových trubíc. Prvý komerčný univerzálny operačný zosilňovač bol vyrobený spoločnosťou George A. Philbrick Research, Incorporated, v roku 1952. Označil K2-W, ktorý bol postavený na dvoch dvojitých triódových rúrkach namontovaných v zostave s osmičkovým (8-pinovým) zásuvka pre jednoduchú inštaláciu a servis v šasi elektronických zariadení tej doby. Zhromaždenie vyzeralo takto:

Schéma znázorňuje dve trubice, spolu s desiatimi rezistormi a dvoma kondenzátormi, dosť jednoduchý obvodový dizajn dokonca aj podľa noriem z roku 1952:

Ak nie ste oboznámení s prevádzkou vákuových trubíc, fungujú podobne ako IGFET tranzistory s N-kanálovým vyčerpávajúcim typom: to znamená, že vedú väčší prúd, keď je riadiaca mriežka (prerušovaná čiara) pozitívnejšia vzhľadom na katóda (ohnutá čiara v blízkosti spodnej časti symbolu trubice) a vedie menej prúdu, keď je riadiaca mriežka menej pozitívna (alebo viac negatívna) ako katóda. Dvojitá trojitá trubica na ľavej strane funguje ako diferenciálny pár, ktorý konvertuje diferenčné vstupy (invertujúce a neinvertujúce signály vstupného napätia) do jedného zosilneného napäťového signálu, ktorý sa potom privádza do riadiacej siete ľavej triody druhého trojradového páru rozdeľovač napätia (1 MΩ-2, 2 MΩ). Táto trióda zosilňuje a invertuje výstup diferenciálneho páru pre väčší zosilňovač napätia, potom je zosilnený signál pripojený k druhej trióde rovnakej dubletodovej rúrky v konfigurácii neinvertujúceho zosilňovača pre väčší zosilňovač prúdu. Dve neónové "žiarovky" pôsobia ako regulátory napätia, podobné správaniu polovodičových zenerových diód, aby poskytli predpätie napätia v spojovacej jednotke medzi dvoma jednopólovými zosilňovačmi.

Pri dvojitom napájacom napätí + 300 / -300 voltov sa tento op-amp mohol otáčať iba o výstup +/- 50 voltov, čo je podľa dnešných štandardov veľmi nízke. Má napätie pri výpadku napätia 15 000 až 20 000, zotrvanú rýchlosť +/- 12 voltov za sekundu, maximálny výstupný prúd 1 mA, spotrebu v kľude viac ako 3 watty (okrem výkonu pre vlákna rúrok !) a stojí asi 24 dolárov v roku 1952 dolárov. Lepší výkon mohol byť dosiahnutý s použitím sofistikovanejšieho obvodu, ale len na úkor vyššej spotreby energie, vyšších nákladov a nižšej spoľahlivosti.

S príchodom polovodičových tranzistorov sa stali realizovateľné op-amp s oveľa menšou pokojovou spotrebou energie a vyššou spoľahlivosťou, ale mnohé ďalšie výkonové parametre zostali približne rovnaké. Vezmite napríklad model Philipick P55A, univerzálny polovodičový operačný zosilňovač okolo roku 1966. Model P55A získal zisk 40 000 otvorených slučiek, rýchlosť zotrvania 1, 5 voltu / μs a výstupný swing +/- 11 voltov ( pri napájacom napätí +/- 15 voltov), ​​maximálnym výstupným prúdom 2, 2 mA a cenou 49 dolárov (alebo asi 21 dolárov pre verziu "utility grade"). P55A, rovnako ako ostatné opampéry v Philbrickovej zostave tej doby, tvorili samostatné komponenty, zložené tranzistory, rezistory a kondenzátory umiestnené v pevnej "tehly" pripomínajúcej veľký balík integrovaných obvodov.

Nie je veľmi ťažké vytvoriť surový operačný zosilňovač pomocou diskrétnych komponentov. Schéma jedného takého obvodu je znázornená na obrázku nižšie.

Jednoduchý operačný zosilňovač vyrobený z diskrétnych komponentov.

Zatiaľ čo jeho výkon je podľa moderných štandardov dosť neuspokojivý, ukazuje, že zložitosť nie je potrebná na vytvorenie minimálne funkčného op-amp. Tranzistory Q3 a Q4 tvoria srdce ďalšieho dvojfázového obvodu diferenciálu, polovodičového ekvivalentu prvej triódovej trubice v schéme K2-W. Rovnako ako v obvode vákuovej trubice je účelom diferenciálneho páru zosilnenie a prevod diferenčného napätia medzi obidvoma vstupnými svorkami na jedno-koncové výstupné napätie.

S príchodom technológie integrovaného obvodu (IC), optické zosilňovače zaznamenali dramatický nárast výkonu, spoľahlivosti, hustoty a hospodárnosti. Medzi rokmi 1964 a 1968 spoločnosť Fairchild uviedla tri modely IC op-amp: 702, 709 a stále populárne 741. Zatiaľ čo 741 je teraz považované za zastarané z hľadiska výkonu, je stále obľúbeným medzi fanatikov pre svoju jednoduchosť a toleranciu voči chybám (napr. ochrana proti skratu na výstupe). Osobná skúsenosť zneužívajúca viac ako 741 optických zosilňovačov ma priviedla k záveru, že je to tvrdý čip zabiť.,,

Vnútorný schematický diagram modelu 741 op-amp je znázornený na obrázku nižšie.

Schéma modelu modelu 741 op-amp.

Podľa noriem integrovaných obvodov je prístroj 741 veľmi jednoduchý prístroj: príklad integrácie v malom rozsahu alebo technológia SSI . Nebolo by malý problém stavať tento okruh pomocou diskrétnych komponentov, takže môžete vidieť výhody aj najprimitivnejšej technológie integrovaného obvodu na diskrétnych komponentoch, kde sa podieľajú vysoké počty súčiastok.

Pre fanúšikov, študentov alebo inžinierov, ktorí si želajú väčší výkon, existujú doslova stovky op-amp modelov na výber. Mnohí sa predávajú za menej ako jeden dolár za kus, dokonca aj za maloobchod! Špeciálne prístrojové prístroje a rádiofrekvenčné optické zosilňovače môžu byť o niečo drahšie. V tejto časti ukážem niekoľko populárnych a cenovo dostupných op-amp, ktoré porovnávajú a kontrastujú ich výkonové špecifikácie. Ctihodný 741 je zaradený ako "porovnávacia hodnota" pre porovnanie, aj keď je, ako som už povedal, považovaný za zastaraný dizajn.

Veľmi používané operačné zosilňovače

ModelZariadenia / balíkZdrojBandwidthBias currentRýchlosť prebehuVýstupný prúd
číslo(Počet)(V)(MHz)(NA)(V / uS)(MA)
TL082212/36481317
LM301A110/3612500, 525
LM318110/40155007020
LM32443/321450.2520
LF353212/36481320
LF356110/36581225
LF411110/364201525
741C110/3615000, 525
LM833210/36151050740
LM145826/3618001045
CA313015/16150, 051020

Uvádzané v Tableabove sú len niektoré z lacných modelov operačných zosilňovačov široko dostupných od dodávateľov elektroniky. Väčšina z nich je k dispozícii prostredníctvom maloobchodných predajní, ako napríklad Radio Shack. Všetky ceny sú nižšie ako 1.00 EUR priamo od výrobcu (ceny roku 2001). Ako vidíte, medzi niektorými z týchto jednotiek dochádza k výrazným zmenám výkonu. Vezmite napríklad parameter vstupného skreslenia: CA3130 vyhrá cenu za najnižšiu hodnotu pri 0, 05 nA (alebo 50 pA) a LM833 má najvyššiu hodnotu mierne nad 1 μA. Model CA3130 dosahuje svojim neuveriteľne nízkym prúdovým prúdom pomocou tranzistorov MOSFET vo svojom vstupnom štádiu. Jeden výrobca inzeruje vstupnú impedanciu 3130 ako 1, 5 tera-ohmu alebo 1, 5 x 10 12 Ω! Ostatné opampéry uvedené tu s nízkymi biasovými prúdovými číslami používajú vstupné tranzistory JFET, zatiaľ čo modely s vysokou odchýlkou ​​prúdu používajú bipolárne vstupné tranzistory.

Zatiaľ čo model 741 je špecifikovaný v mnohých elektronických schémach projektov a prezentovaný v mnohých učebniciach, jeho výkonnosť bola dlho prekonaná inými návrhmi v každom meradle. Dokonca aj niektoré návrhy, pôvodne založené na modeli 741, sa v priebehu rokov zdokonaľovali a výrazne prekonali pôvodné konštrukčné špecifikácie. Jedným z takýchto príkladov je model 1458, dva opampéry v 8-pólovom DIP balení, ktoré mali naraz presne rovnaké výkonové parametre ako jednotný 741. V poslednej inkarnácii sa môže pochváliť širší rozsah napájacieho napätia, 50 krát väčší a takmer dvojnásobok výstupnej prúdovej schopnosti 741, zatiaľ čo si stále zachováva funkciu výstupu ochrany proti skratu 741. Optické zosilňovače s vstupnými tranzistormi JFET a MOSFET ďaleko presahujú výkon 741 z hľadiska zaujatého prúdu, a vo všeobecnosti sa podarilo poraziť 741 z hľadiska šírky pásma a slew rate tiež.

Moje osobné odporúčania pre opampéry sú také: ak je nízky bias current prioritou (napríklad v obvodoch s nízkymi otáčkami), zvoľte 3130. Pre všeobecné použitie DC zosilňovačov ponúka 1458 dobrý výkon (a vy dostať dva op-ampery v priestore jedného balíka). Ak chcete zvýšiť výkon, vyberte model 353, pretože je to náhrada kompatibilná s pinom pre model 1458. Model 353 je navrhnutý s obvodmi vstupného obvodu JFET pre veľmi nízky skosený prúd a šírka pásma 4 krát je skvelá ako 1458, jeho limitný výstupný prúd je nižší (ale napriek tomu je chránený proti skratu). Môže to byť ťažšie nájsť na poli vašej domácej elektroniky, ale je to rovnako cenovo dostupné ako 1458.

Ak je požadované nízke napájacie napätie, doporučujem model 324, pretože funguje na menej ako 3 volt DC. Jeho vstupné predpoveď požiadavky sú tiež nízke a poskytuje štyri op-ampéry v jednom 14-pin čipu. Jeho hlavnou slabosťou je rýchlosť, obmedzená na šírku pásma 1 MHz a výstupná rýchlosť zberu len 0, 25 voltov na μs. Pre vysokofrekvenčné obvody zosilňovača striedavého prúdu je model 318 veľmi dobrým "univerzálnym" modelom.

Špeciálne optické zosilňovače sú k dispozícii pre skromné ​​náklady, ktoré poskytujú lepšie špecifikácie výkonu. Mnohé z nich sú prispôsobené konkrétnemu typu výkonnostnej výhody, ako je maximálna šírka pásma alebo minimálny skreslený prúd. Vezmite napríklad op-ampéry, obidva navrhnuté pre vysokú šírku pásma v Table Below.

Operačné zosilňovače s vysokou šírkou pásma

ModelZariadenia / balíkZdrojBandwidthBias currentRýchlosť prebehuVýstupný prúd
číslo(Počet)(V)(MHz)(NA)(V / uS)(MA)
CLC404110/1423244, 000260070
CLC42515/14190040.00035090

CLC404 sa uvádza na úrovni 21, 80 dolárov (takmer rovnako ako prvý komerčný optický zosilňovač George Philbrick, hoci bez korekcie na infláciu), zatiaľ čo CLC425 je o niečo lacnejší za 3, 23 dolárov za jednotku. V obidvoch prípadoch sa dosahuje vysoká rýchlosť na úkor vysokých biasových prúdov a obmedzujúcich rozsahov napájacieho napätia. Niektoré operačné zosilňovače, určené pre vysoký výkon, sú uvedené v tabuľke.

Operačné zosilňovače s vysokým prúdom

ModelZariadenia / balíkZdrojBandwidthBias currentRýchlosť prebehuVýstupný prúd
číslo(Počet)(V)(MHz)(NA)(V / uS)(MA)
LM12CL115/800.71000913.000
LM717115, 5 / 3620012, 0004100100

Áno, LM12CL skutočne má výstupné prúdové hodnotenie 13 ampérov (13 000 miliampérov)! Uvádza sa na 14, 40 USD, čo nie je veľa peňazí, vzhľadom na surovú energiu zariadenia. Model LM7171 na druhej strane obchoduje s vysokou prúdovou výstupnou schopnosťou pre rýchlu schopnosť výstupného napätia (rýchlosť vysokého napätia). Obsahuje 1, 19 dolárov, čo je tak nízke ako niektoré "všeobecné" op-ampéry.

Zosilňovacie balíky sa môžu zakúpiť aj ako kompletné aplikačné obvody ako protiklad k holým operačným zosilňovačom. Spoločnosti Burr-Brown a Analog Devices, napríklad dlho známe pre svoje produktové rady precíznych zosilňovačov, ponúkajú zosilňovače v predpripravených balíkoch, ako aj iné špecializované zosilňovače. V projektoch, kde je dôležitá vysoká presnosť a opakovateľnosť po oprave, môže byť výhodné, ak navrhovateľ okruhu zvolí takýto predbežne upravený "blok" zosilňovača, než vytvoriť obvod z jednotlivých op-ampérov. Samozrejme, tieto jednotky zvyčajne stojí oveľa viac ako jednotlivé op-ampéry.