Модели на оперативни усилватели

Обзор LEAGOO M5 бюджетный прочный смартфон со сканером отпечатков пальцев (Юли 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Модели на оперативни усилватели

Глава 8 - Операционни усилватели


Докато споменаването на операционните усилватели обикновено провокира видения на полупроводникови устройства, изградени като интегрални схеми на миниатюрен силициев чип, първите оп-ампера са всъщност вакуумни тръбни вериги. Първият търговски оперативен усилвател с общо предназначение е произведен от Джордж А. Филбрик Изследвания, Incorporated, през 1952. Определен е K2-W, той е изграден около две двойно-триодни тръби, монтирани в монтаж с осмоъгълен (8-пинов) гнездо за лесно инсталиране и обслужване в шасита на електронното оборудване от онази епоха. Събранието изглеждаше така:

Схемата показва двете тръби, заедно с десет съпротивления и два кондензатора - сравнително проста схема дори през 1952 г.:

В случай, че не сте запознати с работата на вакуумни тръби, те работят подобно на IGFET транзистори с N-канален изтъняване, т.е. те извършват по-голям ток, когато контролната решетка (прекъснатата линия) е направена по-положителна по отношение на катод (извитата линия близо до долната част на символа на тръбата) и по-малко ток, когато контролната решетка е направена по-малко положителна (или по-отрицателна) от катода. Тройната тръба отляво функционира като диференциална двойка, превръщайки диференциалните входове (инвертиращи и неинвертиращи сигнали на входното напрежение) в единичен усилен сигнал за напрежение, който след това се подава към контролната решетка на левия триод на втората триодна двойка разделител на напрежението (1 MΩ-2, 2 MΩ). Тази тройка усилва и обръща изхода на диференциалната двойка за по-голямо усилване на напрежението, след което усиления сигнал е свързан към втория тридод на същата двойно-триодна тръба в неинверторна конфигурация на усилвателя за по-голяма токова печалба. Двете неонови "светещи тръби" действат като регулатори на напрежението, подобни на поведението на полупроводникови ценерови диоди, за да осигурят напрежение на пристрастие в съединителя между двете единични усилвателни триоди.

При двойно захранване с напрежение + 300 / -300 волта, този оп-усилвател можеше само да си върти изхода +/- 50 волта, което е много лошо според днешните стандарти. Имаше напрежение от 15, 000 до 20, 000, скорост от +/- 12 волта / мин, максимален изходен ток от 1 mA, консумация на енергия в неработен режим над 3 вата (без да включва мощност за нишките на тръбите !) и струва около 24 долара през 1952 долара. По-добро представяне би могло да бъде постигнато чрез по-сложен дизайн на електрическата верига, но само за сметка на по-голяма консумация на енергия, по-висока цена и по-малка надеждност.

С появата на транзистори в твърдо състояние, оп-усилватели с много по-ниска консумация на енергия и повишена надеждност станаха възможни, но много от останалите параметри на производителността останаха почти същите. Вземете например модела P55A на Philbrick, общото усилвателно устройство в твърдо състояние около 1966 г. P55A увеличи печалбата от 40 000 на открита контура, скорост на заснемане от 1, 5 волта / μсек и изходна мощност от +/- 11 волта ( при захранващо напрежение от +/- 15 волта), максимален изходен ток от 2.2 mA и цена от $ 49 (или около $ 21 за версията "полезен клас"). P55A, както и други оп-амплитури в състава на Филбрик от времето, бяха от отделни компонентни конструкции, съставни транзистори, резистори и кондензатори, поместени в солидна "тухла", наподобяваща голяма пакет от интегрални схеми.

Не е много трудно да се изгради суров операционен усилвател, използващ отделни компоненти. Схема на една такава схема е показана на фигурата по-долу.

Опростен операционен усилвател, направен от отделни компоненти.

Докато представянето му е доста мрачно от съвременните стандарти, това показва, че сложността не е необходима, за да се създаде минимално функционален оп-усилвател. Транзисторите Q3 и Q4 образуват сърцето на друга верига диференциални двойки - полупроводниковият еквивалент на първата тръбопровод с триод в схемата K2-W. Както беше във веригата на вакуумна тръба, целта на диференциалната двойка е да разшири и преобразува диференциалното напрежение между двата входни терминала към еднопосочно изходно напрежение.

С появата на технологията с интегрални схеми (IC), дизайните на оп-усилватели претърпяха драстично увеличение на производителността, надеждността, плътността и икономичността. Между 1964 и 1968 г. корпорацията "Феърчайлд" представи три модела IC op-amps: 702, 709 и все още популярната 741. Докато 741 вече се смята за остаряла от гледна точка на производителността, тя все още е любима сред любители заради своята простота и толерантност към грешки (например защита от късо съединение на изхода). Личното преживяване, злоупотребяващо с много 741 оп-ампера, ме доведе до заключението, че това е твърд чип, който трябва да убиете.,,

Вътрешната схема на модела 741 op-amp е показана на фигурата по-долу.

Схематична схема на модел 741 оп-усилвател.

Чрез стандартите за интегрални схеми, 741 е много просто устройство: пример за малка интеграция или SSI технология. Би било незначително да се изгради тази схема с помощта на отделни компоненти, така че можете да видите предимствата дори на най-примитивната технология на интегралните схеми върху дискретни компоненти, където се включват големи части.

За любители, студенти или инженери, които искат по-добро представяне, има буквално стотици оп-усилвател модели, от които да избирате. Много продават за по-малко от един долар на брой, дори и на дребно! Специалните прибори за измерване и радиочестотите (RF) op-amps може да са доста по-скъпи. В тази секция ще ви покажа няколко популярни и достъпни оп-ампера, сравняващи и контрастиращи техническите спецификации. Венчърът 741 е включен като "бенчмарк" за сравнение, въпреки че, както казах по-рано, смятам за остарял дизайн.

Широко използвани операционни усилватели

МоделУстройства / пакетЗахранванеBandwidthДинамичен токСтепен на понижаванеИзходен ток
номер(броя)(V)(MHz)(NA)(V / s)(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

Изброени в Tableabove са само някои от евтините операционни усилватели, широко достъпни от доставчиците на електроника. Повечето от тях се предлагат чрез магазините за продажба на дребно, като Radio Shack. Всички са под $ 1.00 директно от производителя (цени през 2001 г.). Както можете да видите, има значителни разлики в производителността между някои от тези единици. Вземете например параметъра на тока на входните отклонения: CA3130 печели наградата за най-ниска, при 0.05 nA (или 50 pA), а LM833 има най-високата при малко над 1 μA. Моделът CA3130 постига своя невероятно нисък пристрастен ток чрез използването на транзистори MOSFET в неговия вход. Един производител рекламира входния импеданс 3130 като 1.5 tera-ohms или 1.5 x 10 12 Ω! Други OP-ампера, показани тук, с ниски пристрастия текущи цифри използват JFET входни транзистори, докато високи пристрастие текущи модели използват биполярни транзистори вход.

Докато 741 е специфициран в много електронни схеми на проекти и демонстриран в много учебници, изпълнението му отдавна е надминато от други проекти във всяка мярка. Дори някои модели, първоначално базирани на 741, са били подобрени през годините, за да надминат първоначалните спецификации на дизайна. Един такъв пример е моделът 1458, два оп-ампера в 8-пинов DIP пакет, който по едно и също време има точно същите характеристики като единичния 741. В последното си въплъщение той се отличава с по-широк обхват на захранващото напрежение, скорост 50 пъти по-голяма и почти два пъти по-голяма от изходната мощност на 741, като същевременно запазва характеристиката за защита от късо съединение на 741. Op-ампера с JFET и MOSFET входни транзистори далеч надвишават производителността на 741 от гледна точка на пристрастия ток, и като цяло успяват да победят 741 по отношение на честотната лента и скоростта на убиване.

Моите лични препоръки за оп-ампера са такива: когато токът с ниска пристрастия е приоритет (например в схемите за интегратор на нискоскоростни), изберете 3130. За работа с усилвател за обща употреба, 1458 предлага добра производителност (и вие вземете два оп-ампера в пространството на един пакет). За да подобрите производителността, изберете модела 353, тъй като той е съвместим с пин за 1458. 353 е проектиран с JFET входни схеми за много малък ток на пристрастие и има 4 честотна лента е страхотно като 1458, неговата граница на изходния ток е по-ниска (но все още е защитена от късо съединение). Може да е по-трудно да се намери на рафта на вашата местна електроника къща за доставки, но това е също толкова разумно цени като 1458.

Ако е необходимо ниско захранващо напрежение, препоръчвам модела 324, тъй като той работи на 3 V DC. Неговите входни пристрастия текущи изисквания също са ниски, и той предоставя четири op-ампера в един 14-пинов чип. Неговата основна слабост е скоростта, ограничена до 1 MHz широчина на честотната лента и скорост на изходния сигнал от само 0.25 волта на μs. За високочестотни схеми за усилватели на променлив ток 318 е много добър модел за "общо предназначение".

Специални оп-ампера са на разположение за скромни разходи, които осигуряват по-добри спецификации за производителност. Много от тях са пригодени за специфичен тип предимство на ефективността, като например максимална честотна лента или минимален токов пристрастия. Вземете например оп-усилватели, и двете проектирани за висока честотна лента в Table Below.

Операционни усилватели с висока честотна лента

МоделУстройства / пакетЗахранванеBandwidthДинамичен токСтепен на понижаванеИзходен ток
номер(броя)(V)(MHz)(NA)(V / s)(MA)
CLC404110/1423244000260070
CLC42515/1419004000035090

CLC404 е на цена от $ 21.80 (почти толкова, колкото и първия комерсиален оп-усилвател на Джордж Филбрик, макар и без корекция на инфлацията), докато CLC425 е доста по-евтин от $ 3.23 на брой. И в двата случая се постига висока скорост за сметка на високи токови пристрастия и ограничителни нива на захранващото напрежение. Някои оп-ампера, предназначени за висока мощност са описани в Таблица по-долу.

Високочестотни операционни усилватели

МоделУстройства / пакетЗахранванеBandwidthДинамичен токСтепен на понижаванеИзходен ток
номер(броя)(V)(MHz)(NA)(V / s)(MA)
LM12CL115/800.71000913000
LM717115.5 / 36200120004100100

Да, LM12CL всъщност има изходен ток от 13 ампера (13000 милиампера)! Той се продава на 14, 40 долара, което не е много пари, като се има предвид суровата мощност на устройството. LM7171, от друга страна, търгува с висока токова мощност за бързо изходно напрежение (висока скорост на изход). Той се изписва на 1, 19 долара, което е толкова ниско, колкото някои оп-ампера "с общо предназначение".

Пакетите усилватели могат да бъдат закупени и като цялостни схеми на приложение, в противовес на голите операционни усилватели. Компаниите Burr-Brown и Analog Devices, например, отдавна известни с продуктовите си линии за прецизни усилватели, предлагат усилватели за апаратура в предварително проектирани пакети, както и други специализирани усилвателни устройства. При проектиране, при които е необходима висока прецизност и повторяемост след ремонт, може да е полезно дизайнерът на веригата да избере подобен предварително проектиран усилвател "блок", вместо да изгради веригата от отделните оп-ампера. Разбира се, тези единици обикновено струват доста повече от отделните оп-ампера.