Компания ON Semiconductor производит широкую номенклатуру операционных усилителей. В первой части статьи рассмотрим новые изделия. Три микросхемы — LM392-D, LMV824DR2G, MC34072AMTTBG — уже выпускаются, LMV301SQ2T1G готовится к выпуску.

Отличительной особенностью микросхемы LM392-D является размещение в одном корпусе операционного усилителя и компаратора (рис. 1).

Рис. 1.

Обе схемы питаются от однополярного источника и имеют нижний уровень входного синфазного напряжения, совпадающий со значением отрицательного питания. Возможно также использование двуполярного питания. Микросхема имеет низкое потребление, независимое от уровня питающего напряжения, находящегося в диапазоне 3…32 В. Значение тока потребления в состоянии покоя составляет 600 мкА, что делает выгодным применение микросхемы в портативных устройствах. Выход компаратора рассчитан на подключение цифровых микросхем ТТЛ или КМОП. Операционный усилитель имеет низкий уровень входного напряжения смещения, типичное значение которого составляет 2 мВ. LM392-D может использоваться в детекторах уровня, управляемых напряжением генераторах и усилителях-преобразователях.

Другой новинкой от ON Semiconductor является микросхема LMV824DR2G в корпусе SOIC-14 с шагом выводов 1,27 мм, в отличие от предыдущей модификации LMV824DTBR2G в корпусе TSSOP-14 с шагом 0,65 мм. LMV824 содержит четыре операционных усилителя, основными особенностями которых являются малое входное напряжение смещения, не превышающее 3,5 мВ, и малый температурный уход напряжения смещения, среднее значение которого составляет 1 мкВ/°C. Входное синфазное напряжение включает нулевой уровень (нулевое напряжение относительно потенциала «земли»). Выходное напряжение может изменяться в пределах питающего при нагрузке до 600 Ом. Типичное значение скорости изменения выходного напряжения составляет 1,4 В/мкс. Ток потребления всех четырех усилителей не превышает 1,5 мА в диапазоне температур -40…85°C. Произведение коэффициента усиления на значение полосы пропускания составляет 5 МГц. В качестве области преимущественного применения предлагаются портативные компьютеры и модемы.

Еще одной новинкой компании ON Semiconductor является микросхема MC34072AMTTBG, содержащая два операционных усилителя с однополярным питанием 3…44 В и малым напряжением смещения. Основным отличием данной модификации от ранее освоенных микросхем семейства MC34071/MC34072/MC34074 является исполнение в корпусе WQFN10 с размерами 2,6х2,6х0,8 мм. Семейство из 42 наименований микросхем, содержащих от одного до четырех усилителей и выпускающихся в коммерческом, индустриальном и военном температурных диапазонах, включает также исполнения в корпусах PDIP и SOIC и характеризуется произведением коэффициента усиления на полосу пропускания 4,5 МГц, скоростью изменения выходного напряжения 13 В/мкс и малым временем установления выходного сигнала до уровня 0,1% (1,1 мкс). Хотя микросхемы могут питаться от двуполярного источника, они подходят для подключения к однополярному, так как диапазон уровней входного синфазного напряжения включает нулевое значение (потенциал «земли»). За счет использования во входном каскаде схемы Дарлингтона серия микросхем также обладает высоким входным сопротивлением, малым входным напряжением смещения, не превышающим 3 мВ для исполнения с суффиксом A, и большим коэффициентом усиления. Операционные усилители допускают подключение емкостной нагрузки до 10 нФ и имеют защиту от короткого замыкания на выходе.

В настоящее время готовится к выпуску микросхема LMV301SQ2T1G. Этот операционный усилитель, выполненный по КМОП-технологии, может функционировать в диапазоне питающих напряжений 1,8…5 В и имеет ток потребления в состоянии покоя не более 200 мкА. Малый входной ток смещения (35 пА) и высокое входное сопротивление дают возможность использования микросхем для усиления сигналов приборов с высоким выходным сопротивлением, например фотодиодов. Отличные показатели выходного напряжения, изменяющегося в пределах питающего, позволяют улучшить помехоустойчивость схем. Выходные каскады LMV301 способны работать на нагрузку с активной составляющей до 600 Ом и емкостной до 1000 пФ. Эти микросхемы наиболее подходят для применения в портативных компьютерах, сотовых телефонах, цифровых камерах, различных датчиках.

В дополнение к новинкам хотелось бы рассмотреть еще несколько наиболее интересных микросхем.

MC33077 содержит два прецизионных высококачественных операционных усилителя с большой полосой частот и низким уровнем шума, разработанных на основе биполярных технологий. Специальные решения, использованные в микросхеме, создали условия для достижения низкого уровня входного напряжения смещения и расширения рабочей полосы частот.

MC33077 обеспечивает:

• низкое входное напряжение шума;
• низкий температурный коэффициент напряжения смещения;
• высокую скорость нарастания выходного напряжения;
• высокий коэффициент усиления и низкий ток потребления.

Выходной каскад на npn-транзисторах обеспечивает:

• отсутствие переходных искажений выходного сигнала;
• большой размах выходного напряжения;
• хороший запас по фазе и усилению;
• низкое выходное сопротивление при разомкнутой обратной связи.

Усилитель имеет ограничение выходного тока, и при напряжении питания до ±15 В выдерживает короткое замыкание на выходе без повреждения вследствие повышения температуры кристалла.

Микросхема имеет:

• спектральную плотность шума 4,4нВ/√Гц на частоте 1кГц;
• входное напряжение смещения 0,2мВ;
• температурный коэффициент напряжения смещения 2 мкВ/°С;
• суммарный коэффициент гармоник 0,007%;
• коэффициент усиления с разомкнутой обратной связью 112дБ;
• коэффициент усиления 850 на частоте 20кГц и 370 на частоте 100кГц;
• скорость изменения выходного напряжения 11В/мкс;
• размах выходного напряжения -14,7…14В;
• ток потребления 3,5мА;
• двуполярное питание ±(2,5…18)В.

Выдающиеся характеристики микросхемы MC33077 позволяют использовать ее в качестве высококачественного предварительного и измерительного усилителя, активного фильтра, а также во многих других областях.

Операционные усилители MC33201/ MC33202/ MC33204 обеспечивают функционирование в диапазоне питающего напряжения как для входных, так и для выходных сигналов. Входной сигнал может превысить напряжение питания не более чем на 200 мВ без инверсии фазы выходного сигнала. Выходное напряжение изменяется в пределах, которые меньше значения питающего напряжения лишь на 50 мВ. Такие характеристики позволяют пользователю использовать весь диапазон питающего напряжения. Усилитель может работать от очень низких питающих напряжений относительно нулевого уровня (потенциала «земли»): ±0,9 В для двуполярного источника и 1,8 В для однополярного. Максимальные значения питающих напряжений составляют ±6 В или 12 В, соответственно. Техника форсирования выходного тока обеспечивает высокие выходные характеристики при сохранении тока потребления усилителя на низком уровне. К тому же микросхемы обеспечивают существенные скорость изменения выходного напряжения и нагрузочную способность. Эти силовые возможности, дополненные низкими уровнями шумов и искажений, делают операционные усилители данного семейства привлекательными для использования в звуковой технике. Микросхемы MC33201/ MC33202/ MC33204 имеют:

• ток потребления 0,9мА на каждый усилитель в корпусе;
• ток короткого замыкания 80мА;
• возможность подключения нагрузки с сопротивлением до 600Ом;
• типичное значение произведения усиления на полосу частот 2,2МГц;
• диапазон температур от -40…105°C или -55…125°C.

Однако обеспечение высокого выходного тока выдвигает встречное требование к потребителю — ограничение температуры кристалла в пределах 150°C.

Микросхемы семейства NE5534/ SA5534/ SE5534 содержат в корпусе по одному малошумящему высокопроизводительному операционному усилителю. Это делает их особенно пригодными для использования в высококачественной и профессиональной звуковой технике, точных приборах, медицинском оборудовании, схемах управления и усилителях телефонных каналов. Эти операционные усилители имеют внутреннюю коррекцию при коэффициенте усиления три и выше. Их частотная характеристика может быть оптимизирована использованием внешнего корректирующего конденсатора.

Микросхемы семейства NE5534/ SA5534/ SE5534 имеют:

• полосу частот низкоуровневого сигнала 10МГц;
• входное нормированное напряжение шума 4нВ/√Гц;
• коэффициент усиления постоянного сигнала 100000 (100дБ) и переменного сигнала 6000 на частоте 10кГц;
• полосу частот обеспечения мощности 200кГц;
• возможность получения скорости изменения выходного напряжения 13В/мкс;
• возможность подключения нагрузки с активным сопротивлением 600Ом при уровне среднеквадратического значения выходного напряжения 10В и питающем напряжении ±18 В;
• диапазон питающих напряжений ±(3…20)В.

NE5230 является низковольтным операционным усилителем, напряжение питания которого может изменяться в диапазоне 1,8…15 В и может быть как двуполярным, так и однополярным. В последнем случае выходное напряжение может изменяться от нулевого уровня. Микросхема имеет вывод управления смещением, посредством воздействия на который можно изменять ток потребления. При напряжении питания ±0,9 В потребляемый ток равен 110 мкА (при свободном выводе управления). В этом случае обеспечивается полоса частот единичного усиления 250 кГц. При подключении вывода управления к выводу отрицательного питания полоса частот единичного усиления увеличивается до 600 кГц, а ток потребления — до 600 мкА. В этом режиме микросхема обеспечивает нагрузочные характеристики за пределами звукового диапазона частот. NE5230 имеет оригинальный входной каскад, который расширяет диапазон входного синфазного напряжения ниже отрицательного и выше положительного напряжения питания на 250 мВ. Микросхема также обеспечена внутренней коррекцией. Операционный усилитель имеет входной ток смещения ±40 нА и коэффициент усиления при разомкнутой обратной связи 125 дБ. Эти параметры создают предпосылки для использования микросхем совместно с различными датчиками. Запас по коэффициенту усиления позволяет обеспечить высокую точность обработки сигналов. Выходной каскад класса АВ создает значительный динамический диапазон, пределы которого уступают напряжению питания только на 100 мВ с каждой стороны. Микросхема идеально подходит для портативного звукового оборудования и удаленных датчиков благодаря малому потреблению, достаточной полосе частот и уровню шума 30 нВ/√Гц.

TCA0372 является схемой, ориентированной на использование в качестве мощного операционного усилителя в широком диапазоне применений, включая сервоусилители и источники питания. Отсутствие на переходной характеристике зоны нечувствительности обеспечивает возможность подключения в качестве нагрузки обмоток приводов. Эти микросхемы имеют: выходной ток до 1 А (!); скорость изменения выходного напряжения 1,3 В/мкс; диапазон частот 1,1 МГц; встроенную тепловую защиту; возможность подключения однополярного или двуполярного источника питания. Диапазон синфазного входного напряжения этих усилителей включает нулевой уровень (потенциал «земли»).

Заключение

Хотелось бы обратить внимание на оптимальность соотношения цена/качество продукции фирмы ON Semiconductor. Описать все представленные ею операционные усилители в рамках данной статьи, даже в сжатой форме, а также включить полную таблицу всего ассортимента с указанием основных характеристик не представляется возможным. В таблице 1 дается сокращенный перечень микросхем.

Таблица 1. Операционные усилители компании ON Semiconductor

Микросхема	Описание	Число каналов	Uпит. мин., В	Uпит. макс., В	Iвых. тип, мА	Iпотр. тип, мА	Kxfпол. пропуск. тип, МГц	Vнараст. вых напр. тип, В/мкс	Uвх.смещ. макс, мВ
	ОУ с напряжением питания от 1,8 В, малым током смещения и выходным напряжением в пределах питающего									SC-88A, SOT-353, SC-70 5 LEAD
	Дополняющие ОУ и прецизионный компаратор									SOIC-8 Narrow Body
	Четыре ОУ с низким потреблением и выходным напряжением в пределах питающего
	Два ОУ с единым питанием 3…44 В и малым напряжением смещения									WQFN10, 2.6×2.6, 0.5P
	Два ОУ с напряжением питания 3…44 В
	Два малошумящих ОУ
	Два малошумящих ОУ
	Четыре малошумящих ОУ
	ОУ с напряжением питания в пределах питающего
	Два ОУ с напряжением питания от 1,8…12 В и выходным напряжением в пределах питающего
	Четыре ОУ с напряжением питания от 1,8…12 В и выходным напряжением в пределах питающего
	ОУ с напряжением питания 3…44 В
	Четыре ОУ с напряжением питания 3…44 В
	Четыре ОУ с напряжением питания 3…44 В
	Низковольтный ОУ
	Малошумящий ОУ
	Низковольтный ОУ
	Два малошумящих ОУ с внутренней компенсацией
	Малошумящий ОУ
	Два малошумящих ОУ с внутренней компенсацией
	Малошумящий ОУ
	и большим выходным током
	Два ОУ с напряжением питания 5…40 В и большим выходным током

За более подробной информацией следует обращаться на сайт производителя: http://www.onsemi.com/PowerSolutions/parametrics.do?id=453 .

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail:

NCP694 — 1А LDO-регулятор от ONSemi

ON Semiconductor анонсировала LDO-регулятор серии NCP694 с очень низким падением напряжения и выходным током 1 А.

• Входное напряжение: 1,4…6В

• Выходной ток: 1А

• Ток собственного потребления: 60мкА (0,1мкА в спящем режиме)
• Падение напряжения для Uвых= 3,3В: 50мВ @ 0,3А, 180мВ @ 1А

NCP694 — КМОП регулятор напряжения, поддерживающий выходной ток до 1 А и напряжение на выходе ниже 1,2 В. Нестабильность выходного напряжения регулятора составляет 3 мВ. Функция "Chip enable" может быть использована для перевода устройства в спящий режим, таким образом значительно сокращая потребление тока. Подавление пульсаций до 70 дБ наряду с ограничением по току и термозащитой делают это устройство многофункциональным и устойчивым к внешним воздействиям.

NCP694 доступен в вариантах с регулируемым выходным напряжением, а также фиксированным напряжением 0,8; 1,0; 1,2; 2,5; 3,3 В в миниатюрных корпусах HSON-6 и SOT-89.

ON Semi выпустила новые N-канальные МОП-транзисторы на 600 В

Компания ON Semiconductor анонсировала новые N-канальные МОП-транзисторы NDD04N60Z-1G, NDD04N60ZT4G, NDF06N60ZG, NDF10N60ZG с рабочим напряжением до 600 В.

Основные особенности:

• Доступны версии с током стока 4, 6 и 10А;
• Низкое сопротивление R DS(ON) — порядка 0,65Ом;
• Малое значение заряда затвора- до 19нК;
• Высокая степень защиты от ЭСР, осуществляемая посредством встроенных стабилитронов;
• Корпуса TO-220FP, DPAK и IPAK.

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.

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.

Электропитание

Дифференциальный усилитель на ОУ с однополярным питанием – включение

Начнем с терминов, чтобы было понятнее, о чем ниже пойдет речь.

Усилитель – это некий узел или даже целый прибор, который может увеличивать мощность проходящего через него электрического сигнала. Здесь не зря употреблено слово "мощность", так как есть и другие приборы, увеличивающие отдельные показатели тока – его силу или напряжение (например, трансформаторы), такие элементы нельзя назвать усилителями.

Дифференциальные усилители – это такой вид усилителей, у которых сигнал на выходе соответствует разности потенциалов на входах (чаще всего входов два, но очень редко применяются диф. усилители с одним входом, например, повторители) увеличенной на определенный коэффициент.

ОУ (аббревиатура от слов "операционный усилитель", в английском звучит как operational amplifier или OpAmp) – это подвид дифференциальных усилителей постоянного тока, отличающихся очень высоким коэффициентом усиления.

Обозначаются они в схемах так.

ОУ с однополярным питанием

Питание ОУ может быть двуполярным (у источника питания есть выход отрицательного потенциала, положительного и ноль) или однополярным (подается только положительный потенциал и ноль).

Однополярное питание ОУ намного проще в реализации современных схем, работающих на аккумуляторах или батареях.

К преимуществам однополярного питания ОУ можно отнести следующие:

1.Мощность потребления снижена (в сравнении с двуполярными);

2.Требуется использование только одного источника тока;

3.Имеется возможность построения эффективных схем для переносных устройств, питающихся от аккумуляторных батарей.

Именно поэтому большинство современных операционных усилителей рассчитаны на однополярное питание и работают фактически наполовину (например, семейство Rail to Rail).

Но из-за низкой точности и уменьшенного коэффициента усиления необходимо особое внимание уделять правильному подбору ОУ.

Ввиду большого ассортимента ОУ и их функциональных возможностей, процедура выбора готового усилителя под собственные нужды становится достаточно сложной. Помочь в этом может следующая схема от ведущего производителя STMicroelectronics.

Здесь GBR – это граничная частота, а Icc – это ток потребления. Для подбора готовых элементов от других производителей можно воспользоваться поиском прямых аналогов.

Включение ОУ с однополярным питанием в схемы

Ниже рассмотрим наиболее популярные реализации типовых задач ОУ.

Самая простая – включение ОУ в схемы, где входящий сигнал подается относительно земли.

Инвертирующий усилитель будет выглядеть следующим образом.

Выходной сигнал будет вычисляться по формуле

Схема будет работать только при положительном Vin.

Ниже изображен ОУ со смещением, подаваемым на неинвертирующий вход.

Более мощный неинвертирующий ОУ будет включаться так.

Здесь коэф.усиления равен 10 (при условии, что R1 имеет номинал 910 кОм, R2 100 кОм, а R3 91 кОм, в качестве DA1 используется LM358). Расчет производится на основе формулы k=1+R1/R2.

Вариант дифференциального усилителя.

15.07.2019 - 08:24
Может

Сергей / 06.02.2019 - 23:23
Uвых = (1 + 2 · R1/R2) · (Uвх1 – Uвх2) Интересно чему равно напряжение на выходе если Uвх1