Операционный усилитель

Операционный усилитель ( часто ОУ или ОУ ) — это связанный по постоянному току электронный усилитель напряжения с дифференциальным входом , (обычно) однотактным выходом, ^[1] и чрезвычайно высоким коэффициентом усиления . Его название происходит от его первоначального использования для выполнения математических операций в аналоговых компьютерах .

Используя отрицательную обратную связь , характеристики схемы операционного усилителя (например, ее усиление, входное и выходное сопротивление , полоса пропускания и функциональность) могут определяться внешними компонентами и мало зависеть от температурных коэффициентов или инженерных допусков в самом операционном усилителе. Эта гибкость сделала операционный усилитель популярным строительным блоком в аналоговых схемах .

Сегодня операционные усилители широко используются в потребительской, промышленной и научной электронике. Многие стандартные интегральные схемы операционных усилителей стоят всего несколько центов; однако некоторые интегрированные или гибридные операционные усилители со специальными характеристиками могут стоить более 100 долларов США. ^[2] Операционные усилители могут быть упакованы как компоненты или использоваться как элементы более сложных интегральных схем .

Операционный усилитель — один из типов дифференциальных усилителей . Другие типы дифференциальных усилителей включают полностью дифференциальный усилитель (операционный усилитель с дифференциальным , а не однотактным выходом), инструментальный усилитель (обычно построенный из трех операционных усилителей), изолирующий усилитель (с гальванической развязкой между входом и выходом) и усилитель с отрицательной обратной связью (обычно построенный из одного или нескольких операционных усилителей и резистивной цепи обратной связи).

Операция

Дифференциальные входы усилителя состоят из неинвертирующего входа (+) с напряжением V ₊ и инвертирующего входа (−) с напряжением V ₋ ; в идеале операционный усилитель усиливает только разницу напряжений между ними, которая называется дифференциальным входным напряжением . Выходное напряжение операционного усилителя V _out определяется уравнением

V_{\text{out}}=A_{\text{OL}}(V_{+}-V_{-}),

где A _OL — коэффициент усиления усилителя без обратной связи (термин «без обратной связи» относится к отсутствию внешней цепи обратной связи от выхода к входу).

Усилитель с разомкнутой петлей

Величина A _OL обычно очень велика (100 000 или более для интегральных схем операционных усилителей, что соответствует +100 дБ ). Таким образом, даже небольшая разница в микровольтах между V ₊ и V ₋ может привести усилитель к ограничению или насыщению . Величина A _OL не очень хорошо контролируется производственным процессом, и поэтому нецелесообразно использовать усилитель с разомкнутой петлей в качестве отдельного дифференциального усилителя .

Без отрицательной обратной связи и опциональной положительной обратной связи для регенерации операционный усилитель с разомкнутым контуром действует как компаратор , хотя лучше подходят ИС компаратора. ^[3] Если инвертирующий вход удерживается на земле (0 В), а входное напряжение V _in, приложенное к неинвертирующему входу, положительно, выход будет максимально положительным; если V _in отрицательно, выход будет максимально отрицательным.

Усилитель с замкнутым контуром

Если требуется предсказуемая работа, используется отрицательная обратная связь, путем подачи части выходного напряжения на инвертирующий вход. Обратная связь с замкнутым контуром значительно снижает усиление схемы. При использовании отрицательной обратной связи общее усиление и отклик схемы определяются в первую очередь цепью обратной связи, а не характеристиками операционного усилителя. Если цепь обратной связи состоит из компонентов с малыми значениями относительно входного импеданса операционного усилителя, значение отклика операционного усилителя с разомкнутым контуром A _OL не оказывает серьезного влияния на производительность схемы. В этом контексте высокое входное сопротивление на входных клеммах и низкое выходное сопротивление на выходных клеммах являются особенно полезными характеристиками операционного усилителя.

Реакция схемы операционного усилителя с ее входными, выходными и обратными цепями на входной сигнал математически характеризуется передаточной функцией ; проектирование схемы операционного усилителя с желаемой передаточной функцией относится к области электротехники . Передаточные функции важны в большинстве применений операционных усилителей, например, в аналоговых компьютерах .

В неинвертирующем усилителе справа наличие отрицательной обратной связи через делитель напряжения R _f , R _g определяет коэффициент усиления замкнутого контура A _CL = V _out / V _in . Равновесие установится, когда V _out будет достаточно, чтобы подтянуть инвертирующий вход к тому же напряжению, что и V _in . Коэффициент усиления напряжения всей схемы, таким образом, равен 1 + R _f / R _g . В качестве простого примера, если V _in = 1 В и R _f = R _g , V _out будет равен 2 В, как раз тому количеству, которое требуется для поддержания V ₋ на уровне 1 В. Из-за обратной связи, обеспечиваемой сетью R _f , R _g , это замкнутая схема.

Другой способ анализа этой схемы заключается в принятии следующих (обычно верных) предположений: ^[4]

Когда операционный усилитель работает в линейном (т.е. не насыщенном) режиме, разница в напряжении между неинвертирующим (+) и инвертирующим (−) контактами пренебрежимо мала.
Входное сопротивление контактов (+) и (−) намного больше других сопротивлений в цепи.

Входной сигнал V _in появляется на обоих контактах (+) и (−) согласно предположению 1, в результате чего ток i через R _g равен V _in / R _g : $i={\frac {V_{\text{in}}}{R_{\text{g}}}}$

Поскольку закон тока Кирхгофа гласит, что тот же ток должен выходить из узла, что и входить в него, и поскольку импеданс в (−)-штыре близок к бесконечности согласно предположению 2, мы можем предположить, что практически весь тот же ток i протекает через R _f , создавая выходное напряжение $V_{\text{out}}=V_{\text{in}}+iR_{\text{f}}=V_{\text{in}}+\left({\frac {V_{\text{in}}}{R_{\text{g}}}}R_{\text{f}}\right)=V_{\text{in}}+{\frac {V_{\text{in}}R_{\text{f}}}{R_{\text{g}}}}=V_{\text{in}}\left(1+{\frac {R_{\text{f}}}{R_{\text{g}}}}\right)$

Объединяя члены, определяем коэффициент усиления замкнутой цепи A _CL : $A_{\text{CL}}={\frac {V_{\text{out}}}{V_{\text{in}}}}=1+{\frac {R_{\text{f}}}{R_{\text{g}}}}$

Характеристики операционного усилителя

Идеальные операционные усилители

Обычно считается, что идеальный операционный усилитель имеет следующие характеристики: ^[5]^[6]^[7]

Бесконечное усиление разомкнутой цепи G = v _out / v _in
Бесконечное входное сопротивление R _in , и поэтому нулевой входной ток
Нулевое входное напряжение смещения
Бесконечный диапазон выходного напряжения
Бесконечная полоса пропускания с нулевым сдвигом фаз и бесконечной скоростью нарастания
Нулевое выходное сопротивление R _out , и, следовательно, бесконечный диапазон выходного тока
Нулевой уровень шума
Бесконечный коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR)
Бесконечный коэффициент подавления электропитания .

Эти идеалы можно обобщить двумя золотыми правилами :

В замкнутом контуре выход делает все необходимое, чтобы свести разницу напряжений между входами к нулю.
Входы потребляют нулевой ток. ^[8]^{: 177}

Первое правило применяется только в обычном случае, когда операционный усилитель используется в замкнутой схеме (отрицательная обратная связь, где есть сигнальный путь определенного рода, возвращающийся с выхода на инвертирующий вход). Эти правила обычно используются в качестве хорошего первого приближения для анализа или проектирования схем операционных усилителей. ^[8]^{: 177}

Ни один из этих идеалов не может быть полностью реализован. Реальный операционный усилитель может быть смоделирован с не бесконечными или ненулевыми параметрами, используя эквивалентные резисторы и конденсаторы в модели операционного усилителя. Затем проектировщик может включить эти эффекты в общую производительность окончательной схемы. Некоторые параметры могут оказаться незначительными по своему влиянию на окончательную конструкцию, в то время как другие представляют собой фактические ограничения окончательной производительности.

Реальные операционные усилители

Реальные операционные усилители отличаются от идеальной модели по ряду параметров.

Конечный прирост: Коэффициент усиления разомкнутой цепи конечен в реальных операционных усилителях. Типичные устройства демонстрируют коэффициент усиления постоянного тока разомкнутой цепи, превышающий 100 000. Пока коэффициент усиления петли (т. е. произведение коэффициентов усиления разомкнутой цепи и обратной связи) очень большой, коэффициент усиления замкнутой цепи будет полностью определяться величиной отрицательной обратной связи (т. е. он будет независим от коэффициента усиления разомкнутой цепи). В приложениях, где коэффициент усиления замкнутой цепи должен быть очень высоким (приближающимся к коэффициенту усиления разомкнутой цепи), коэффициент усиления обратной связи будет очень низким, и более низкий коэффициент усиления петли в этих случаях приводит к неидеальному поведению схемы.
Ненулевое выходное сопротивление: Низкий выходной импеданс важен для низкоомных нагрузок; для этих нагрузок падение напряжения на выходном импедансе эффективно снижает коэффициент усиления разомкнутой петли. В конфигурациях с отрицательной обратной связью, чувствительной к напряжению, выходной импеданс усилителя эффективно снижается; таким образом, в линейных приложениях схемы операционных усилителей обычно демонстрируют очень низкий выходной импеданс.; Выходы с низким импедансом обычно требуют высокого тока покоя (т. е. тока холостого хода) на выходном каскаде и рассеивают больше мощности, поэтому маломощные конструкции могут намеренно жертвовать низким выходным импедансом.
Конечные входные сопротивления: Дифференциальное входное сопротивление операционного усилителя определяется как сопротивление между его двумя входами; синфазное входное сопротивление - это сопротивление от каждого входа до земли. Операционные усилители с MOSFET -входом часто имеют схемы защиты, которые эффективно закорачивают любые входные различия, превышающие небольшой порог, поэтому входное сопротивление может показаться очень низким в некоторых тестах. Однако, пока эти операционные усилители используются в типичном приложении с отрицательной обратной связью и высоким коэффициентом усиления, эти схемы защиты будут неактивны. Входное смещение и токи утечки, описанные ниже, являются более важным параметром конструкции для типичных приложений операционных усилителей.
Входная емкость: Дополнительное входное сопротивление из-за паразитной емкости может стать критической проблемой для высокочастотной работы, поскольку оно снижает входное сопротивление и может вызывать сдвиги фаз.
Входной ток: Из-за требований смещения или утечки небольшое количество тока ^{[nb 2]} течет на входы. Когда в схеме используются высокие сопротивления или источники с высоким выходным импедансом, эти малые токи могут вызывать значительные падения напряжения. Если входные токи согласованы, и импеданс, выходящий из обоих входов , согласован, то эти напряжения на каждом входе будут равны. Поскольку операционный усилитель работает на разнице между своими входами, эти согласованные напряжения не будут иметь никакого эффекта. Чаще всего входные токи немного не согласованы. Разница называется входным током смещения, и даже при согласованных сопротивлениях может быть получено небольшое напряжение смещения (отличное от входного напряжения смещения ниже). Это напряжение смещения может создавать смещения или дрейф в операционном усилителе.
Входное напряжение смещения: Входное напряжение смещения — это напряжение, необходимое на входных клеммах операционного усилителя для приведения выходного напряжения к нулю. ^[9]^{[примечание 3]} В идеальном усилителе не было бы входного напряжения смещения. Однако оно существует из-за несовершенства входного каскада дифференциального усилителя операционных усилителей. Входное напряжение смещения создает две проблемы: во-первых, из-за высокого коэффициента усиления по напряжению усилителя оно фактически гарантирует, что выход усилителя войдет в насыщение, если он работает без отрицательной обратной связи, даже если входные клеммы соединены вместе. Во-вторых, в замкнутой петле, отрицательной обратной связи конфигурация входного напряжения смещения усиливается вместе с сигналом, и это может создать проблему, если требуется высокоточное усиление постоянного тока или если входной сигнал очень мал. ^{[примечание 4]}
Коэффициент усиления синфазного сигнала: Идеальный операционный усилитель усиливает только разницу напряжений между двумя входами, полностью отклоняя все напряжения, которые являются общими для обоих. Однако дифференциальный входной каскад операционного усилителя никогда не бывает идеальным, что приводит к усилению этих общих напряжений в некоторой степени. Стандартная мера этого дефекта называется коэффициентом подавления синфазного сигнала (CMRR). Минимизация коэффициента усиления синфазного сигнала важна в неинвертирующих усилителях, которые работают с высоким коэффициентом усиления.
Отклонение источника питания: Выход идеального операционного усилителя не будет зависеть от колебаний напряжения питания. Каждый реальный операционный усилитель имеет конечный коэффициент подавления питания (PSRR), который отражает, насколько хорошо операционный усилитель может подавлять шум в своем источнике питания от распространения на выход. С ростом частоты подавление питания обычно ухудшается.
Температурные эффекты: Производительность и свойства усилителя обычно изменяются в некоторой степени с изменением температуры. Температурный дрейф входного напряжения смещения особенно важен.
Дрейф: Реальные параметры операционного усилителя подвержены медленному изменению с течением времени, а также при изменении температуры, входных условий и т. д.
Конечная пропускная способность: Все усилители имеют конечную полосу пропускания. В первом приближении операционный усилитель имеет частотную характеристику интегратора с усилением. То есть усиление типичного операционного усилителя обратно пропорционально частоте и характеризуется его произведением усиления на полосу пропускания (GBWP). Например, операционный усилитель с GBWP 1 МГц будет иметь усиление 5 на частоте 200 кГц и усиление 1 на частоте 1 МГц. Этот динамический отклик в сочетании с очень высоким усилением постоянного тока операционного усилителя придает ему характеристики фильтра нижних частот первого порядка с очень высоким усилением постоянного тока и низкой частотой среза, определяемой GBWP, деленным на усиление постоянного тока.
Конечная полоса пропускания операционного усилителя может стать источником ряда проблем, в том числе:

Стабильность: С ограничением полосы пропускания связана разность фаз между входным сигналом и выходом усилителя, которая может привести к колебаниям в некоторых цепях обратной связи. Например, синусоидальный выходной сигнал, предназначенный для деструктивной интерференции с входным сигналом той же частоты, будет мешать конструктивно, если задержан на 180 градусов, образуя положительную обратную связь . В этих случаях цепь обратной связи может быть стабилизирована с помощью частотной компенсации , которая увеличивает коэффициент усиления или запас по фазе схемы с разомкнутым контуром. Разработчик схемы может реализовать эту компенсацию извне с помощью отдельного компонента схемы. В качестве альтернативы компенсация может быть реализована в операционном усилителе с добавлением доминирующего полюса , который достаточно ослабляет высокочастотный коэффициент усиления операционного усилителя. Местоположение этого полюса может быть зафиксировано внутри производителем или настроено разработчиком схемы с использованием методов, специфичных для операционного усилителя. В общем, компенсация частоты доминирующего полюса еще больше уменьшает полосу пропускания операционного усилителя. Когда желаемый коэффициент усиления с замкнутым контуром высок, частотная компенсация операционного усилителя часто не требуется, поскольку требуемый коэффициент усиления с разомкнутым контуром достаточно низок; Следовательно, приложения с высоким коэффициентом усиления в замкнутом контуре могут использовать операционные усилители с более высокой пропускной способностью.
Искажение и другие эффекты: Ограниченная полоса пропускания также приводит к снижению уровня обратной связи на более высоких частотах, что приводит к более высоким искажениям и выходному сопротивлению по мере увеличения частоты.

Типичные недорогие операционные усилители общего назначения демонстрируют GBWP в несколько мегагерц. Существуют специальные и высокоскоростные операционные усилители, которые могут достигать GBWP в сотни мегагерц. Для очень высокочастотных схем часто используется операционный усилитель с обратной связью по току .

Шум: Усилители по своей природе выводят шум, даже когда нет сигнала. Это может быть вызвано внутренним тепловым шумом и мерцающим шумом устройства. Для приложений с высоким коэффициентом усиления или высокой пропускной способностью шум становится важным фактором, и для соответствия требованиям производительности может потребоваться малошумящий усилитель , специально разработанный для минимального собственного шума.

Нелинейные дефекты

Насыщенность: Выходное напряжение ограничено минимальным и максимальным значением, близким к напряжению питания . ^{[nb 5]} Выход старых операционных усилителей может достигать одного или двух вольт от шин питания. Выход так называемыхОперационные усилители с диапазоном выходного напряжения от рельса до рельса могут достигать напряжений питания с точностью до милливольт при обеспечении низких выходных токов.^[10]
Ограничение скорости нарастания: Выходное напряжение усилителя достигает максимальной скорости изменения, скорости нарастания , обычно указываемой в вольтах на микросекунду (В/мкс). Когда происходит ограничение скорости нарастания, дальнейшее увеличение входного сигнала не оказывает влияния на скорость изменения выходного сигнала. Ограничение скорости нарастания обычно вызывается насыщением входного каскада; результатом является постоянный ток $i,$ управляющий емкостью $C$ в усилителе (особенно теми емкостями, которые используются для реализации его частотной компенсации ); скорость нарастания ограничена $d v /d t = i / C$ .
Поворот связан с производительностью операционного усилителя при больших сигналах . Рассмотрим, например, операционный усилитель, настроенный на коэффициент усиления 10. Пусть вход представляет собой пилообразную волну 1 В, 100 кГц. То есть амплитуда составляет 1 В, а период составляет 10 микросекунд. Соответственно, скорость изменения (т. е. наклон) входного сигнала составляет 0,1 В за микросекунду. После 10-кратного усиления выход должен представлять собой пилообразную волну 10 В, 100 кГц с соответствующей скоростью нарастания 1 В за микросекунду. Однако классический операционный усилитель 741 имеет спецификацию скорости нарастания 0,5 В за микросекунду, так что его выход может подняться не более чем до 5 В за 10-микросекундный период пилообразной волны. Таким образом, если бы кто-то измерил выходной сигнал, то это был бы пилообразный сигнал 5 В, 100 кГц, а не 10 В, 100 кГц.
Далее рассмотрим тот же усилитель и пилообразный сигнал 100 кГц, но теперь входная амплитуда составляет 100 мВ, а не 1 В. После 10-кратного усиления выходной сигнал представляет собой пилообразный сигнал 1 В, 100 кГц с соответствующей скоростью нарастания 0,1 В за микросекунду. В этом случае 741 с его скоростью нарастания 0,5 В за микросекунду будет правильно усиливать входной сигнал.
Современные высокоскоростные операционные усилители могут иметь скорость нарастания более 5000 В в микросекунду. Однако для операционных усилителей более характерно иметь скорость нарастания в диапазоне 5–100 В в микросекунду. Например, операционный усилитель общего назначения TL081 имеет скорость нарастания 13 В в микросекунду. Как правило, маломощные и малополосные операционные усилители имеют низкую скорость нарастания. Например, микромощный операционный усилитель LT1494 потребляет 1,5 микроампера, но имеет произведение коэффициента усиления на полосу пропускания 2,7 кГц и скорость нарастания 0,001 В в микросекунду.
Нелинейная зависимость ввода-вывода: Выходное напряжение может быть не совсем пропорционально разнице между входными напряжениями, что приводит к искажению. Этот эффект будет очень незначительным в практической схеме, где используется существенная отрицательная обратная связь.
Изменение фазы: В некоторых интегрированных операционных усилителях, когда нарушается заявленное синфазное напряжение (например, когда один из входов приводится в действие одним из напряжений питания), выход может принять противоположную полярность по сравнению с ожидаемой при нормальной работе. ^[11]^{[12] В таких условиях отрицательная обратная связь становится положительной, что, вероятно, приводит к}блокировке схемы в этом состоянии.

Соображения по поводу мощности

Ограниченный выходной ток: Выходной ток должен быть конечным. На практике большинство операционных усилителей разработаны для ограничения выходного тока, чтобы предотвратить повреждение устройства, обычно около 25 мА для операционного усилителя типа 741 IC. Современные конструкции с точки зрения электроники более надежны, чем более ранние реализации, и некоторые из них могут выдерживать прямые короткие замыкания на своих выходах без повреждений.
Ограниченное выходное напряжение: Выходное напряжение не может превышать напряжение питания, подаваемое на операционный усилитель. Максимальный выход большинства операционных усилителей дополнительно уменьшается на некоторую величину из-за ограничений в выходной схеме. Операционные усилители Rail-to-rail разработаны для максимальных выходных уровней. ^[10]
Выходной ток потребления: Выходной ток стока — это максимальный ток, который может поступать в выходной каскад. Некоторые производители предоставляют график зависимости выходного напряжения от выходного тока стока, который дает представление о выходном напряжении, когда он подает ток из другого источника в выходной штифт.
Ограниченная рассеиваемая мощность: Выходной ток протекает через внутреннее выходное сопротивление операционного усилителя, генерируя тепло, которое необходимо рассеивать. Если операционный усилитель рассеивает слишком много мощности, его температура поднимется выше некоторого безопасного предела. Операционный усилитель должен отключиться или рискует быть поврежденным.

Современные интегрированные операционные усилители на полевых транзисторах или полевых МОП-транзисторах более приближены к идеальному операционному усилителю, чем биполярные ИС, когда дело касается входного импеданса и входных токов смещения. Биполярные усилители, как правило, лучше, когда дело касается смещения входного напряжения , и часто имеют меньший уровень шума. Как правило, при комнатной температуре, с довольно большим сигналом и ограниченной полосой пропускания операционные усилители на полевых транзисторах и полевых МОП-транзисторах теперь обеспечивают лучшую производительность.

Внутренняя схема741операционный усилитель

Примером биполярного транзисторного операционного усилителя, используемого многими производителями и в нескольких подобных продуктах, является интегральная схема 741, разработанная в 1968 году Дэвидом Фуллагаром в Fairchild Semiconductor после разработки интегральной схемы LM301 Боба Видлара . ^[13] В этом обсуждении мы используем параметры гибридной пи-модели для характеристики характеристик транзистора с малым сигналом и заземленным эмиттером. В этой модели коэффициент усиления по току транзистора обозначается как h _fe , чаще называемый β. ^[14]

Архитектура

Операционный усилитель 741, представляющий собой малогабаритную интегральную схему , имеет, как и большинство операционных усилителей, внутреннюю структуру, состоящую из трех каскадов усиления: ^[15]

Дифференциальный усилитель (обведен темно-синим цветом) — обеспечивает высокое дифференциальное усиление (коэффициент усиления) с подавлением синфазного сигнала , низким уровнем шума, высоким входным сопротивлением и управляет
Усилитель напряжения (обведен пурпурным ) — обеспечивает высокий коэффициент усиления напряжения, однополюсный спад частоты и, в свою очередь, управляет
Выходной усилитель (обведен голубым и зеленым ) — обеспечивает высокий коэффициент усиления по току (низкое выходное сопротивление ), а также ограничение выходного тока и защиту от короткого замыкания на выходе.

Кроме того, он содержит схему смещения токового зеркала (обведена красным) и компенсационный конденсатор (30 пФ).

Дифференциальный усилитель

Входной каскад состоит из каскадного дифференциального усилителя (обведен темно-синим цветом), за которым следует активная нагрузка токового зеркала . Это представляет собой усилитель транскондуктивности , преобразующий дифференциальный сигнал напряжения на базах Q1, Q2 в токовый сигнал на базе Q15.

Он подразумевает две каскадные пары транзисторов, удовлетворяющие противоречивым требованиям. Первый каскад состоит из согласованной пары эмиттерных повторителей NPN Q1, Q2, которые обеспечивают высокое входное сопротивление. Второй каскад — это согласованная пара PNP с общей базой Q3, Q4, которая устраняет нежелательный эффект Миллера ; она управляет активной нагрузкой Q7 плюс согласованной парой Q5, Q6.

Эта активная нагрузка реализована как модифицированное токовое зеркало Вильсона ; его роль заключается в преобразовании (дифференциального) входного токового сигнала в несимметричный сигнал без сопутствующих 50% потерь (увеличение усиления операционного усилителя без обратной связи на 3 дБ). ^{[примечание 6]} Таким образом, слабосигнальный дифференциальный ток в Q3 по сравнению с Q4 суммируется (удваивается) на базе Q15, входе каскада усиления напряжения.

Усилитель напряжения

(Класс A) каскад усиления напряжения (обведен пурпурным цветом ) состоит из двух NPN-транзисторов Q15 и Q19, соединенных в конфигурации Дарлингтона , и использует выходную сторону токового зеркала, образованного Q12 и Q13, в качестве своей коллекторной (динамической) нагрузки для достижения своего высокого усиления напряжения. Выходной сток-транзистор Q20 получает свое базовое возбуждение от общих коллекторов Q15 и Q19; преобразователь уровня Q16 обеспечивает базовое возбуждение для выходного источника транзистора Q14. Транзистор Q22 предотвращает подачу этим каскадом избыточного тока на Q20 и, таким образом, ограничивает выходной сток-ток.

Выходной усилитель

Выходной каскад (Q14, Q20, обведены голубым) — усилитель класса AB . Он обеспечивает выходной привод с импедансом ~50 Ом, по сути, усиление по току. Транзистор Q16 (обведен зеленым) обеспечивает ток покоя для выходных транзисторов, а Q17 ограничивает выходной ток источника.

Схемы смещения

Схемы смещения обеспечивают соответствующий ток покоя для каждого каскада операционного усилителя.

Резистор (39 кОм), соединяющий (диодно включенные) Q11 и Q12, и заданное напряжение питания ( V _{S +} − V _{S −} ), определяют ток в токовых зеркалах (согласованных парах) Q10/Q11 и Q12/Q13. Коллекторный ток Q11, i ₁₁ × 39 кОм = V _{S +} − V _{S −} − 2  V _BE . Для типичного V _S = ±20 В постоянный ток в Q11 и Q12 (а также в Q13) будет ~1 мА. Ток питания для типичного 741 около 2 мА согласуется с представлением о том, что эти два тока смещения доминируют над током покоя питания. ^[16]

Транзисторы Q11 и Q10 образуют токовое зеркало Видлара с током покоя в Q10 i ₁₀ таким, что ln( i ₁₁ / i ₁₀ ) = i ₁₀ × 5 кОм / 28 мВ, где 5 кОм представляет собой эмиттерный резистор Q10, а 28 мВ - это V _T , тепловое напряжение при комнатной температуре. В этом случае i ₁₀ ≈ 20 мкА.

Дифференциальный усилитель

Смещение схемы этого каскада задается контуром обратной связи, который заставляет коллекторные токи Q10 и Q9 (почти) совпадать. Любая небольшая разница в этих токах обеспечивает привод для общей базы Q3 и Q4. ^{[nb 7]} Суммированные токи покоя через Q1 и Q3 плюс Q2 и Q4 зеркально отражаются от Q8 в Q9, где они суммируются с коллекторным током в Q10, результат применяется к базам Q3 и Q4.

Таким образом, токи покоя через Q1 и Q3 (также Q2 и Q4) i ₁ будут составлять половину i ₁₀ , порядка ~10 мкА. Входной ток смещения для базы Q1 (также Q2) составит i ₁ / β; обычно ~50 нА, ^[16] подразумевая усиление тока h _fe ≈ 200 для Q1 (также Q2).

Эта цепь обратной связи стремится подтянуть общий базовый узел Q3/Q4 к напряжению V _com − 2  V _BE , где V _com — входное синфазное напряжение. В то же время величина тока покоя относительно нечувствительна к характеристикам компонентов Q1–Q4, таким как h _fe , которые в противном случае могли бы вызвать температурную зависимость или изменения от детали к детали.

Транзистор Q7 переводит Q5 и Q6 в состояние проводимости до тех пор, пока их (равные) токи коллектора не совпадут с токами Q1/Q3 и Q2/Q4. Ток покоя в Q7 равен V _BE / 50 кОм, около 35 мкА, как и ток покоя в Q15, с его соответствующей рабочей точкой. Таким образом, токи покоя попарно согласованы в Q1/Q2, Q3/Q4, Q5/Q6 и Q7/Q15.

Усилитель напряжения

Токи покоя в Q16 и Q19 устанавливаются токовым зеркалом Q12/Q13, которое работает при ~1 мА. Ток коллектора в Q19 отслеживает этот ток покоя. ^{[ необходимо дополнительное объяснение ]}

Выходной усилитель

В схеме, включающей Q16 (по-разному называемый резиновым диодом или умножителем V _BE ), резистор 4,5 кОм должен проводить около 100 мкА, при этом V _BE Q16 составляет примерно 700 мВ. Тогда V _CB должно быть около 0,45 В, а V _CE — около 1,0 В. Поскольку коллектор Q16 управляется источником тока, а эмиттер Q16 управляет стоком тока коллектора Q19, транзистор Q16 устанавливает разность напряжений между базой Q14 и базой Q20, равную ~1 В, независимо от синфазного напряжения баз Q14/Q20. Ток покоя в Q14/Q20 будет на коэффициент exp(100 мВ мм/ V _T ) ≈ 36 меньше, чем ток покоя 1 мА в части класса A операционного усилителя. Этот (небольшой) постоянный ток в выходных транзисторах устанавливает выходной каскад в режим работы класса AB и снижает искажения перехода этого каскада.

Дифференциальный режим с малым сигналом

Небольшой дифференциальный входной сигнал напряжения приводит к возникновению, посредством нескольких ступеней усиления тока, гораздо большего сигнала напряжения на выходе.

Входное сопротивление

Входной каскад с Q1 и Q3 похож на пару с эмиттерной связью (пару с длинным хвостом), с Q2 и Q4, добавляющими некоторое вырождающееся сопротивление. Входное сопротивление относительно высокое из-за малого тока через Q1-Q4. Типичный операционный усилитель 741 имеет дифференциальное входное сопротивление около 2 МОм. ^[16] Синфазное входное сопротивление еще выше, так как входной каскад работает практически при постоянном токе.

Дифференциальный усилитель

Дифференциальное напряжение V _in на входах операционного усилителя (контакты 3 и 2 соответственно) приводит к возникновению небольшого дифференциального тока в базах Q1 и Q2 i _in ≈ V _in / (2 h _ieh _fe ). Этот дифференциальный ток базы вызывает изменение дифференциального тока коллектора в каждой ножке на i _inh _fe . Вводя крутизну Q1, g _m = h _fe / h _ie , ток (малого сигнала) на базе Q15 (вход каскада усиления напряжения) равен V _ing _m / 2.

Эта часть операционного усилителя ловко изменяет дифференциальный сигнал на входах операционного усилителя на несимметричный сигнал на базе Q15, причем таким образом, чтобы избежать расточительного отбрасывания сигнала в любой из ножек. Чтобы увидеть, как это происходит, обратите внимание, что небольшое отрицательное изменение напряжения на инвертирующем входе (база Q2) выводит его из состояния проводимости, и это постепенное уменьшение тока проходит напрямую от коллектора Q4 к его эмиттеру, что приводит к уменьшению тока возбуждения базы для Q15. С другой стороны, небольшое положительное изменение напряжения на неинвертирующем входе (база Q1) переводит этот транзистор в состояние проводимости, что отражается в увеличении тока на коллекторе Q3. Этот ток еще больше переводит Q7 в состояние проводимости, что включает токовое зеркало Q5/Q6. Таким образом, увеличение тока эмиттера Q3 отражается в увеличении тока коллектора Q6; увеличенные токи коллектора больше шунтируют узел коллектора и приводят к уменьшению тока возбуждения базы для Q15. Помимо того, что этот метод позволяет избежать потери 3 дБ усиления, он также уменьшает усиление синфазного сигнала и проникновение шума источника питания.

Усилитель напряжения

Сигнал тока i на базе Q15 вызывает ток в Q19 порядка i β ² (произведение h _fe каждого из Q15 и Q19, которые соединены в пару Дарлингтона ). Этот сигнал тока создает напряжение на базах выходных транзисторов Q14 и Q20, пропорциональное h ie _{соответствующего} транзистора.

Выходной усилитель

Выходные транзисторы Q14 и Q20 сконфигурированы как эмиттерные повторители, поэтому усиления напряжения здесь не происходит; вместо этого этот каскад обеспечивает усиление тока, равное h _fe Q14 и Q20.

Усиление тока снижает выходное сопротивление, и хотя выходное сопротивление не равно нулю, как это было бы в идеальном операционном усилителе, при отрицательной обратной связи оно приближается к нулю на низких частотах.

Другие линейные характеристики

Общий коэффициент усиления в разомкнутом контуре

Чистый коэффициент усиления напряжения слабого сигнала без обратной связи операционного усилителя определяется произведением коэффициента усиления тока h _fe примерно 4 транзисторов. На практике коэффициент усиления напряжения для типичного операционного усилителя в стиле 741 составляет порядка 200 000, ^[16] а коэффициент усиления тока, отношение входного импеданса (~2−6 МОм) к выходному импедансу (~50 Ом) обеспечивает еще больший коэффициент усиления (мощности).

Коэффициент усиления синфазного сигнала малого сигнала

Идеальный операционный усилитель имеет бесконечный коэффициент подавления синфазного сигнала или нулевое усиление синфазного сигнала.

В данной схеме, если входные напряжения изменяются в одном направлении, отрицательная обратная связь заставляет базовое напряжение Q3/Q4 следовать (с 2 В _BE ниже) изменениям входного напряжения. Теперь выходная часть (Q10) токового зеркала Q10-Q11 поддерживает общий ток через Q9/Q8 постоянным, несмотря на изменяющееся напряжение. Коллекторные токи Q3/Q4 и, соответственно, выходной ток на базе Q15 остаются неизменными.

В типичном операционном усилителе 741 коэффициент подавления синфазного сигнала составляет 90 дБ ^[16] , что означает коэффициент усиления синфазного напряжения в разомкнутом контуре около 6.

Частотная компенсация

Инновацией Fairchild μA741 стало введение частотной компенсации через встроенный (монолитный) конденсатор, упрощающий применение операционного усилителя за счет устранения необходимости во внешних компонентах для этой функции. Конденсатор емкостью 30 пФ стабилизирует усилитель с помощью компенсации Миллера и функционирует аналогично схеме интегратора операционного усилителя . Также известна как компенсация доминирующего полюса , поскольку вводит полюс, который маскирует (доминирует) эффекты других полюсов в частотную характеристику разомкнутого контура; в операционном усилителе 741 этот полюс может быть всего лишь 10 Гц (где он вызывает потерю −3 дБ усиления напряжения разомкнутого контура).

Эта внутренняя компенсация обеспечивается для достижения безусловной стабильности усилителя в конфигурациях с отрицательной обратной связью, где цепь обратной связи нереактивна, а коэффициент усиления контура равен единице или выше. Напротив, усилители, требующие внешней компенсации, такие как μA748, могут потребовать внешней компенсации или коэффициентов усиления замкнутого контура, значительно превышающих единицу.

Входное напряжение смещения

Смещенные нулевые штырьки могут использоваться для размещения внешних резисторов (обычно в виде двух концов потенциометра, с ползунком, подключенным к V _{S –} ) параллельно эмиттерным резисторам Q5 и Q6, чтобы отрегулировать баланс токового зеркала Q5/Q6. Потенциометр настраивается таким образом, чтобы выход был нулевым (средним), когда входы закорочены.

Нелинейные характеристики

Входное пробивное напряжение

Транзисторы Q3, Q4 помогают увеличить обратное напряжение V _BE ; переходы база-эмиттер NPN-транзисторов Q1 и Q2 пробиваются при напряжении около 7 В, но PNP-транзисторы Q3 и Q4 имеют напряжение пробоя V _BE около 50 В. ^[17]

Ограничение напряжения и тока на выходном каскаде

Изменения тока покоя в зависимости от температуры или из-за производственных отклонений являются обычным явлением, поэтому искажения кроссовера могут существенно различаться.

Выходной диапазон усилителя примерно на один вольт меньше напряжения питания, отчасти из-за V _BE выходных транзисторов Q14 и Q20.

TheРезистор 25 Ом на эмиттере Q14 вместе с Q17 ограничивают ток Q14 примерно до25 мА ; в противном случае Q17 не проводит ток. Ограничение тока для Q20 выполняется на этапе усиления напряжения: Q22 измеряет напряжение на эмиттерном резисторе Q19 (50 Ω ); при включении он уменьшает ток возбуждения на базе Q15. Более поздние версии этой схемы усилителя могут показывать несколько иной метод ограничения выходного тока.

Соображения применимости

Хотя 741 исторически использовался в аудио и другом чувствительном оборудовании, такое использование сейчас редко из-за улучшенных шумовых характеристик более современных операционных усилителей. Помимо генерации заметного шипения, 741 и другие старые операционные усилители могут иметь плохие коэффициенты подавления синфазного сигнала и поэтому часто вносят сетевой гул, передаваемый по кабелю, и другие синфазные помехи, такие как щелчки переключателей , в чувствительное оборудование.

741 часто означает общую микросхему операционного усилителя (такую как μA741, LM301, 558, LM324, TBA221 — или более современную замену, такую как TL071). Описание выходного каскада 741 качественно похоже на многие другие конструкции (которые могут иметь совершенно другие входные каскады), за исключением :

Некоторые устройства (μA748, LM301, LM308) не имеют внутренней компенсации (требуют внешнего конденсатора от выхода до некоторой точки внутри операционного усилителя, если используются в приложениях с низким коэффициентом усиления замкнутой цепи).
Некоторые современные устройства имеют выходной сигнал rail-to-rail , что означает, что выходной сигнал может находиться в диапазоне от нескольких милливольт положительного напряжения питания до нескольких милливольт отрицательного напряжения питания. ^[10]

Классификация

Операционные усилители можно классифицировать по их конструкции:

дискретные, построенные из отдельных транзисторов или ламп/ламп ,
гибрид, состоящий из дискретных и интегрированных компонентов,
полные интегральные схемы — наиболее распространены, вытеснив первые две из-за низкой стоимости.

Операционные усилители на микросхемах можно классифицировать многими способами, включая:

Класс устройства, включая допустимые диапазоны рабочих температур и другие факторы окружающей среды или качества. Например: LM101, LM201 и LM301 относятся к военным, промышленным и коммерческим версиям одного и того же компонента. Военные и промышленные компоненты обеспечивают лучшую производительность в суровых условиях, чем их коммерческие аналоги, но продаются по более высоким ценам.
Классификация по типу корпуса может также влиять на устойчивость к воздействию окружающей среды, а также на варианты производства; DIP-корпуса и другие корпуса для монтажа в отверстия имеют тенденцию заменяться устройствами для поверхностного монтажа .
Классификация по внутренней компенсации: операционные усилители могут страдать от высокочастотной нестабильности в некоторых схемах отрицательной обратной связи, если только небольшой компенсационный конденсатор не изменяет фазовые и частотные характеристики. Операционные усилители со встроенным конденсатором называются компенсированными и позволяют схемам выше некоторого указанного коэффициента усиления замкнутого контура быть стабильными без внешнего конденсатора. В частности, операционные усилители, которые стабильны даже при коэффициенте усиления замкнутого контура 1, называются компенсированными с единичным коэффициентом усиления .
Доступны одинарные, двойные и счетверенные версии многих коммерческих ИС операционных усилителей, что означает, что в одном корпусе содержится 1, 2 или 4 операционных усилителя.
Операционные усилители с входным (и/или выходным) напряжением от питания до питания могут работать с входными (и/или выходными) сигналами, очень близкими к напряжениям питания. ^[10]
Операционные усилители КМОП (например, CA3140E) обеспечивают чрезвычайно высокое входное сопротивление, более высокое, чем у операционных усилителей с входом JFET , которые обычно выше, чем у операционных усилителей с биполярным входом.
Программируемые операционные усилители позволяют регулировать ток покоя, полосу пропускания и т. д. с помощью внешнего резистора.
Производители часто позиционируют свои операционные усилители в соответствии с их назначением, например, как малошумящие предварительные усилители, широкополосные усилители и т. д.

Приложения

Использование в проектировании электронных систем

Использование операционных усилителей в качестве блоков схемы намного проще и понятнее, чем указание всех их отдельных элементов схемы (транзисторов, резисторов и т. д.), независимо от того, являются ли используемые усилители интегральными или дискретными схемами. В первом приближении операционные усилители можно использовать так, как если бы они были идеальными блоками дифференциального усиления; на более позднем этапе можно наложить ограничения на приемлемый диапазон параметров для каждого операционного усилителя.

Проектирование схемы следует тем же линиям для всех электронных схем . Составляется спецификация, определяющая, что должна делать схема, с допустимыми пределами. Например, может потребоваться усиление в 100 раз с допуском 5%, но дрейфом менее 1% в указанном температурном диапазоне; входное сопротивление не менее одного МОм и т. д.

Базовая схема проектируется, часто с помощью моделирования электронных цепей . Затем выбираются конкретные коммерчески доступные операционные усилители и другие компоненты, которые соответствуют критериям проектирования в пределах указанных допусков по приемлемой стоимости. Если не все критерии могут быть выполнены, может потребоваться изменение спецификации.

Затем создается и тестируется прототип; в него могут быть внесены дополнительные изменения для соответствия или улучшения спецификации, изменения функциональности или снижения стоимости.

Заявки без обратной связи

Без обратной связи операционный усилитель может использоваться как компаратор напряжения . Обратите внимание, что устройство, разработанное в первую очередь как компаратор, может быть лучше, если, например, важна скорость или может быть найден широкий диапазон входных напряжений, поскольку такие устройства могут быстро восстанавливаться из полностью включенных или полностью выключенных насыщенных состояний.

Детектор уровня напряжения может быть получен, если опорное напряжение V _ref подается на один из входов операционного усилителя. Это означает, что операционный усилитель настроен как компаратор для обнаружения положительного напряжения. Если измеряемое напряжение E _i подается на (+) вход операционного усилителя, результатом является неинвертирующий детектор положительного уровня: когда E _i выше V _ref , V _O равно + V _sat ; когда E _i ниже V _ref , V _O равно − V _sat . Если E _i подается на инвертирующий вход, схема является инвертирующим детектором положительного уровня: когда E _i выше V _ref , V _O равно − V _sat .

Детектор нулевого уровня напряжения ( E _i = 0) может преобразовать, например, выход синусоидальной волны от функционального генератора в прямоугольную волну переменной частоты. Если E _i — это синусоида, треугольная волна или волна любой другой формы, симметричная относительно нуля, выход детектора перехода через ноль будет квадратным. Обнаружение перехода через ноль также может быть полезным для запуска TRIAC в наилучшее время для уменьшения помех в сети и скачков тока.

Заявки с положительными отзывами

Другая типичная конфигурация операционных усилителей — с положительной обратной связью, которая возвращает часть выходного сигнала обратно на неинвертирующий вход. Важное применение — компаратор с гистерезисом, триггер Шмитта . Некоторые схемы могут использовать положительную и отрицательную обратную связь вокруг одного и того же усилителя, например, треугольные генераторы и активные фильтры .

Из-за широкого диапазона нарастания и отсутствия положительной обратной связи реакция всех описанных выше детекторов уровня с разомкнутым контуром будет относительно медленной. Внешняя общая положительная обратная связь может быть применена, но (в отличие от внутренней положительной обратной связи, которая может быть применена в последних каскадах специально разработанного компаратора) это заметно влияет на точность точки обнаружения перехода через ноль. Например, при использовании универсального операционного усилителя частота E _i для преобразователя синуса в прямоугольный сигнал должна быть ниже 100 Гц. ^{[ необходима цитата ]}

Заявки с отрицательными отзывами

Неинвертирующий усилитель

В неинвертирующем усилителе выходное напряжение изменяется в том же направлении, что и входное напряжение.

Уравнение усиления для операционного усилителя имеет вид

V_{\text{out}}=A_{\text{OL}}(V_{+}-V_{-}).

Однако в этой схеме V ₋ является функцией V _out из-за отрицательной обратной связи через цепь R ₁ R _2.R ₁ и R ₂ образуют делитель напряжения , и поскольку V ₋ является высокоомным входом, он не нагружает его существенно. Следовательно

V_{-}=\beta V_{\text{out}},

где

\beta ={\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}.

Подставляя это в уравнение усиления, получаем

V_{\text{out}}=A_{\text{OL}}(V_{\text{in}}-\beta V_{\text{out}}).

Решение для : $V_{\text{out}}$

V_{\text{out}}=V_{\text{in}}\left({\frac {1}{\beta +{\frac {1}{A_{\text{OL}}}}}}\right).

Если очень большое, это упрощается до $A_{\text{OL}}$

V_{\text{out}}\approx {\frac {V_{\text{in}}}{\beta }}={\frac {V_{\text{in}}}{\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}}=V_{\text{in}}\left(1+{\frac {R_{2}}{R_{1}}}\right).

Неинвертирующий вход операционного усилителя нуждается в пути постоянного тока к земле; если источник сигнала не обеспечивает путь постоянного тока или если этот источник требует заданного сопротивления нагрузки, то схема потребует еще один резистор от неинвертирующего входа к земле. Когда входные токи смещения операционного усилителя значительны, то сопротивления источника постоянного тока, управляющие входами, должны быть сбалансированы. ^[18] Идеальное значение для резисторов обратной связи (для обеспечения минимального напряжения смещения) будет таким, чтобы два сопротивления, соединенные параллельно, примерно равнялись сопротивлению к земле на неинвертирующем входном выводе. Это идеальное значение предполагает, что токи смещения хорошо согласованы, что может быть неверным для всех операционных усилителей. ^[19]

Инвертирующий усилитель

В инвертирующем усилителе выходное напряжение изменяется в направлении, противоположном входному напряжению.

Как и в случае с неинвертирующим усилителем, начнем с уравнения усиления операционного усилителя:

V_{\text{out}}=A_{\text{OL}}(V_{+}-V_{-}).

На этот раз V ₋ является функцией как V _out, так и V _in из-за делителя напряжения, образованного R _f и R _in . Опять же, вход операционного усилителя не оказывает заметной нагрузки, поэтому

V_{-}={\frac {1}{R_{\text{f}}+R_{\text{in}}}}\left(R_{\text{f}}V_{\text{in}}+R_{\text{in}}V_{\text{out}}\right).

Подставим это в уравнение усиления и решим для : $V_{\text{out}}$

V_{\text{out}}=-V_{\text{in}}{\frac {A_{\text{OL}}R_{\text{f}}}{R_{\text{f}}+R_{\text{in}}+A_{\text{OL}}R_{\text{in}}}}.

Если очень большое, это упрощается до $A_{\text{OL}}$

V_{\text{out}}\approx -V_{\text{in}}{\frac {R_{\text{f}}}{R_{\text{in}}}}.

Между неинвертирующим входом и землей часто вставляют резистор (чтобы оба входа «видели» одинаковые сопротивления), что снижает входное напряжение смещения из-за разного падения напряжения из-за тока смещения и может уменьшить искажения в некоторых операционных усилителях.

Конденсатор блокировки постоянного тока может быть вставлен последовательно с входным резистором, когда частотная характеристика до постоянного тока не нужна, а постоянное напряжение на входе нежелательно. То есть, емкостная составляющая входного импеданса вставляет ноль постоянного тока и низкочастотный полюс , что придает схеме полосовую или высокочастотную характеристику.

Потенциалы на входах операционного усилителя остаются практически постоянными (близкими к земле) в инвертирующей конфигурации. Постоянный рабочий потенциал обычно приводит к уровням искажений, которые ниже тех, которые достижимы при неинвертирующей топологии.

Другие приложения

предварительные усилители и буферы аудио- и видеочастот
дифференциальные усилители
дифференциаторы и интеграторы
фильтры
прецизионные выпрямители
прецизионные пиковые детекторы
регуляторы напряжения и тока
аналоговые калькуляторы
аналого-цифровые преобразователи
цифро-аналоговые преобразователи
ограничение напряжения
Осцилляторы и генераторы волновых форм
клипер
зажим (устройство для ввода или восстановления постоянного тока)
Усилители LOG и ANTILOG

Большинство доступных одиночных, двойных и счетверенных операционных усилителей имеют стандартизированную распиновку, которая позволяет заменять один тип другим без изменения проводки. Конкретный операционный усилитель может быть выбран по его коэффициенту усиления в открытом контуре, полосе пропускания, шумовым характеристикам, входному импедансу, энергопотреблению или компромиссу между любыми из этих факторов.

Историческая хронология

1941: Операционный усилитель на вакуумной лампе. Операционный усилитель, определяемый как универсальный усилитель с обратной связью, высоким коэффициентом усиления и инвертированием, связанный по постоянному току , впервые упоминается в патенте США 2 401 779 «Суммирующий усилитель», поданном Карлом Д. Шварцелем-младшим из Bell Labs в 1941 году. В этой конструкции использовались три вакуумные лампы для достижения усиления 90 дБ , и она работала на шинах напряжения ±350 В. У нее был один инвертирующий вход, а не дифференциальные инвертирующие и неинвертирующие входы, как это принято в современных операционных усилителях. На протяжении всей Второй мировой войны конструкция Шварцеля доказала свою ценность, будучи широко использованной в артиллерийском директоре M9, разработанном в Bell Labs. Этот артиллерийский директор работал с радиолокационной системой SCR584, чтобы достичь исключительных показателей попадания (около 90%), которые были бы невозможны в противном случае. ^[20]

1947: Операционный усилитель с явным неинвертирующим входом. В 1947 году операционный усилитель был впервые формально определен и назван в статье ^[21] Джона Р. Рагаццини из Колумбийского университета. В этой же статье в сноске упоминалась конструкция операционного усилителя студента, которая оказалась весьма значимой. Этот операционный усилитель, разработанный Лёбе Джули , был превосходен во многих отношениях. Он имел два основных нововведения. Его входной каскад использовал пару длиннохвостых триодов с согласованными нагрузками для уменьшения дрейфа на выходе и, что гораздо важнее, это была первая конструкция операционного усилителя с двумя входами (один инвертирующий, другой неинвертирующий). Дифференциальный вход сделал возможным целый ряд новых функций, но он не использовался в течение длительного времени из-за роста усилителей со стабилизацией прерывателем. ^[20]

1949: Операционный усилитель со стабилизацией прерывателем. В 1949 году Эдвин А. Голдберг разработал операционный усилитель со стабилизацией прерывателем . ^[22] Эта установка использует обычный операционный усилитель с дополнительным усилителем переменного тока , который идет рядом с операционным усилителем. Прерыватель получает сигнал переменного тока из постоянного тока путем переключения между постоянным напряжением и землей с высокой скоростью (60 Гц или 400 Гц). Затем этот сигнал усиливается, выпрямляется, фильтруется и подается на неинвертирующий вход операционного усилителя. Это значительно улучшило усиление операционного усилителя, при этом значительно уменьшив дрейф выходного сигнала и смещение постоянного тока. К сожалению, любая конструкция, которая использовала прерыватель, не могла использовать свой неинвертирующий вход для какой-либо другой цели. Тем не менее, значительно улучшенные характеристики операционного усилителя со стабилизацией прерывателем сделали его доминирующим способом использования операционных усилителей. Методы, в которых регулярно использовался неинвертирующий вход, не пользовались особой популярностью до 1960-х годов, когда в этой области начали появляться микросхемы операционных усилителей.

1953: Коммерчески доступный операционный усилитель. В 1953 году ламповые операционные усилители стали коммерчески доступны с выпуском модели K2-W от George A. Philbrick Researches, Incorporated. Обозначение показанных устройств, GAP/R, является аббревиатурой полного названия компании. Две девятиконтактные электронные лампы 12AX7 были смонтированы в восьмеричном корпусе и имели дополнительный прерыватель модели K2-P, который эффективно «использовал» неинвертирующий вход. Этот операционный усилитель был основан на потомке конструкции Loebe Julie 1947 года и, вместе со своими преемниками, положит начало широкому использованию операционных усилителей в промышленности.

1961: Дискретный операционный усилитель на ИС. С появлением транзистора в 1947 году и кремниевого транзистора в 1954 году концепция ИС стала реальностью. Внедрение планарного процесса в 1959 году сделало транзисторы и ИС достаточно стабильными, чтобы быть коммерчески полезными. К 1961 году производились твердотельные дискретные операционные усилители. Эти операционные усилители фактически представляли собой небольшие печатные платы с корпусами, такими как краевые разъемы . Обычно они имели вручную подобранные резисторы для улучшения таких вещей, как смещение напряжения и дрейф. P45 (1961) имел усиление 94 дБ и работал на шинах ±15 В. Он был предназначен для работы с сигналами в диапазоне ± 10 В.

1961: Варакторный мостовой операционный усилитель. Было много различных направлений в разработке операционных усилителей. Варакторные мостовые операционные усилители начали производить в начале 1960-х годов. ^[23]^[24] Они были разработаны для чрезвычайно малого входного тока и до сих пор являются одними из лучших операционных усилителей, доступных с точки зрения подавления синфазного сигнала и способности правильно справляться с сотнями вольт на своих входах.

1962: Операционный усилитель в герметичном модуле. К 1962 году несколько компаний производили модульные герметичные корпуса, которые можно было вставлять в печатные платы . ^{[ требуется ссылка ]} Эти корпуса были крайне важны, поскольку они превращали операционный усилитель в один черный ящик , который можно было легко рассматривать как компонент в более крупной схеме.

1963: Монолитный операционный усилитель на ИС. В 1963 году был выпущен первый монолитный операционный усилитель на ИС, μA702, разработанный Бобом Видларом в Fairchild Semiconductor. Монолитные ИС состоят из одной микросхемы, а не из микросхемы и дискретных частей (дискретная ИС) или нескольких микросхем, соединенных и соединенных на печатной плате (гибридная ИС). Почти все современные операционные усилители являются монолитными ИС; однако эта первая ИС не имела большого успеха. Такие проблемы, как неравномерное напряжение питания, низкий коэффициент усиления и небольшой динамический диапазон, сдерживали доминирование монолитных операционных усилителей до 1965 года, когда был выпущен μA709 ^[25] (также разработанный Бобом Видларом).

1968: Выпуск μA741. Популярность монолитных операционных усилителей еще больше возросла после выпуска LM101 в 1967 году, который решил ряд проблем, и последующего выпуска μA741 в 1968 году. μA741 был чрезвычайно похож на LM101, за исключением того, что возможности Fairchild позволяли им включать компенсационный конденсатор емкостью 30 пФ внутри чипа вместо того, чтобы требовать внешней компенсации. Это простое отличие сделало 741 каноническим операционным усилителем, и многие современные усилители основывают свою распиновку на 741. μA741 все еще находится в производстве и стал повсеместным в электронике — многие производители выпускают версию этого классического чипа, узнаваемую по номерам деталей, содержащим 741. Одна и та же деталь производится несколькими компаниями.

1970: Первая высокоскоростная конструкция FET с низким входным током. В 1970-х годах высокоскоростные конструкции с низким входным током начали изготавливаться с использованием FET . В 1980-х годах их в значительной степени заменили операционные усилители, изготовленные с использованием MOSFET .

LH0033CG: высокоскоростной гибридный операционный усилитель на ИС

1972: Производство операционных усилителей с односторонним питанием. Операционный усилитель с односторонним питанием — это такой усилитель, в котором входное и выходное напряжения могут быть такими же низкими, как отрицательное напряжение питания, вместо того, чтобы быть по крайней мере на два вольта выше него. В результате он может работать во многих приложениях с отрицательным выводом питания на операционном усилителе, подключенным к сигнальной земле, тем самым устраняя необходимость в отдельном отрицательном источнике питания.

LM324 (выпущенный в 1972 году) был одним из таких операционных усилителей, который выпускался в счетверенном корпусе (четыре отдельных операционных усилителя в одном корпусе) и стал отраслевым стандартом. Помимо упаковки нескольких операционных усилителей в одном корпусе, в 1970-х годах также появились операционные усилители в гибридных корпусах. Эти операционные усилители, как правило, были улучшенными версиями существующих монолитных операционных усилителей. По мере улучшения свойств монолитных операционных усилителей более сложные гибридные ИС быстро были отнесены к системам, которые должны иметь чрезвычайно долгий срок службы или другие специальные системы.

Операционный усилитель в мини-DIP-корпусе

Последние тенденции. Недавно ^{[ когда? ]} напряжения питания в аналоговых схемах снизились (как и в цифровой логике), и низковольтные операционные усилители были введены, отражая это. Распространены источники питания 5 В и все чаще 3,3 В (иногда всего 1,8 В). Для максимизации диапазона сигнала современные операционные усилители обычно имеют rail-to-rail выход (выходной сигнал может варьироваться от самого низкого напряжения питания до самого высокого) и иногда rail-to-rail входы. ^[10]

Смотрите также

Примечания

^ ab Контакты питания ( V _S+ и V _S− ) могут быть обозначены по-разному ( см. Контакты питания ИС ). Часто эти контакты не включаются в схему для ясности, а конфигурация питания описывается или предполагается из схемы.
^ Обычно ~10 наноампер, нА, для биполярных операционных усилителей, десятки пикоампер, пА, для входных каскадов JFET и всего несколько пА для входных каскадов MOSFET .
^ Это определение соответствует соглашению об измерении параметров операционного усилителя относительно точки нулевого напряжения в схеме, которая обычно составляет половину общего напряжения между положительной и отрицательной шинами питания усилителя.
^ Многие старые конструкции операционных усилителей имеют входы смещения нуля, что позволяет вручную отрегулировать смещение. Современные прецизионные операционные усилители могут иметь внутренние схемы, которые автоматически отменяют это смещение с помощью прерывателей или других схем, которые периодически измеряют напряжение смещения и вычитают его из входного напряжения.
^ То, что выходное напряжение не может достичь напряжений источника питания, обычно является результатом ограничений транзисторов выходного каскада усилителя.
^ Видлар использовал этот же трюк в μA702 и μA709
^ Базовым током входных транзисторов Q1/Q2 является входной ток смещения, который должен подаваться извне.

Ссылки

^ "Понимание однотактных, псевдодифференциальных и полностью дифференциальных входов АЦП". Maxim Application Note 1108. Архивировано из оригинала 2007-06-26 . Получено 10 ноября 2007 г.
^ "Apex OP PA98". Архивировано из оригинала 1 января 2016 года . Получено 8 ноября 2015 года . Модули операционных усилителей APEX PA98, цена продажи: $207.51
^ Брайант, Джеймс (2011). "Application Note AN-849: Using Op Amps as Comparators" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2023-02-02.
^ Миллман, Джейкоб (1979). Микроэлектроника: цифровые и аналоговые схемы и системы. McGraw-Hill. стр. 523–527. ISBN 0-07-042327-X.
^ "Понимание базового аналогового – идеальные операционные усилители" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2016-12-27.
^ "Лекция 5: Идеальный операционный усилитель" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2016-11-23 . Получено 2016-12-26 .
^ Schlaepfer, Eric (2018). IC01 Ideal Operational Amplifier (PDF) . Perfect Semiconductor . Получено 20.12.2022 .
^ ab Horowitz, Paul; Hill, Winfield (1989). Искусство электроники. Кембридж, Великобритания: Cambridge University Press. ISBN 0-521-37095-7.
^ Стаут, ДФ (1976). Справочник по проектированию схем операционных усилителей . McGraw-Hill. стр. 1–11. ISBN 0-07-061797-X.
^ abcde "Применение операционных усилителей Rail-to-Rail" (PDF) . Texas Instruments . Получено 2021-06-08 .
^ "Op Amp Output Phase-Reversal and Input Over-Voltage Protection" (PDF) . Analog Devices. 2009. Архивировано из оригинала (PDF) 2012-12-02 . Получено 2012-12-27 .
^ Кинг, Грейсон; Уоткинс, Тим (13 мая 1999 г.). "Bootstrapping your op amp yields wide voltage swings" (PDF) . Electronic Design News . Получено 27.12.2012 . ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
^ Ли, Томас Х. (18 ноября 2002 г.). «IC Op-Amps Through the Ages» (PDF) . Стэнфордский университет. Архивировано из оригинала (PDF) 24 октября 2012 г. Получено 5 июля 2011 г. Раздаточный материал № 18: EE214, осень 2002 г.{{cite web}}: CS1 maint: postscript (link)
^ Лу, Лян-Хун. "Электроника 2, Глава 10" (PDF) . Национальный университет Тайваня, Институт аспирантуры по электронной инженерии. Архивировано из оригинала (PDF) 2014-06-30 . Получено 2014-02-22 .
^ "Понимание кремниевых схем: внутри вездесущего 741 операционного усилителя". www.righto.com . Архивировано из оригинала 9 октября 2017 г. Получено 28 апреля 2018 г.
^ abcde National Semiconductor LM741 технический паспорт
^ Операционный усилитель μA741 ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
^ Входной ток смещения 1 мкА через сопротивление источника постоянного тока 10 кОм создает напряжение смещения 10 мВ. Если другой входной ток смещения такой же и видит то же сопротивление источника, то два входных напряжения смещения будут компенсированы. Балансировка сопротивлений источника постоянного тока может не потребоваться, если произведение входного тока смещения и сопротивления источника мало.
^ Analog Devices (2009). "Входной ток смещения операционного усилителя" (PDF) . Analog Devices. Учебное пособие MT-038. Архивировано из оригинала (PDF) 2015-02-13 . Получено 2014-05-15 .
^ ab Jung, Walter G. (2004). "Глава 8: История операционных усилителей". Op Amp Applications Handbook. Newnes. стр. 777. ISBN 978-0-7506-7844-5. Получено 15.11.2008 .
^ Рагаццини, Джон Р .; Рэндалл, Роберт Х.; Рассел, Фредерик А. (май 1947 г.). «Анализ проблем динамики с помощью электронных цепей». Труды IRE . 35 (5). IEEE: 444–452. doi :10.1109/JRPROC.1947.232616. ISSN 0096-8390.
^ "Op Amp Applications" (PDF) . Analog Devices . Архивировано из оригинала (PDF) 2012-10-07 . Получено 2012-12-27 .
^ "Архив Филбрика". www.philbrickarchive.org . Архивировано из оригинала 7 сентября 2012 года . Получено 28 апреля 2018 года .
↑ Реклама Philbrick P2 от июня 1961 г.: «Абсолютно новый, полностью твердотельный усилитель Philbrick P2» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2011-10-08 . Получено 2011-05-11 .
^ Malvino, AP (1979). Электронные принципы (2-е изд.). McGraw-Hill. стр. 476. ISBN 0-07-039867-4.

Дальнейшее чтение

Книги

Операционные усилители для всех ; 5-е изд.; Брюс Картер, Рон Манчини; Newnes; 484 страницы; 2017; ISBN 978-0-12-811648-7 . (2 МБ PDF - 1-е издание)
Операционные усилители - Теория и конструкция ; 3-е изд.; Johan Huijsing; Springer; 423 страницы; 2017; ISBN 978-3-319-28126-1 .
Операционные усилители и линейные интегральные схемы - Теория и применение ; 3-е изд.; Джеймс Фиоре; Creative Commons; 589 страниц; 2016. (13 МБ PDF-текст) (2 МБ PDF-лабораторная работа)
Анализ и проектирование линейных цепей ; 8-е изд.; Роланд Томас, Альберт Роза, Грегори Туссен; Wiley; 912 страниц; 2016; ISBN 978-1-119-23538-5 .
Проектирование с использованием операционных усилителей и аналоговых интегральных схем ; 4-е изд.; Серджио Франко; McGraw Hill; 672 страницы; 2015; ISBN 978-0-07-802816-8 .
Проектирование аудиосистем с малым сигналом ; 2-е изд.; Дуглас Селф ; Focal Press; 780 страниц; 2014; ISBN 978-0-415-70973-6 .
Справочник по проектированию линейных схем ; 1-е изд.; Хэнк Зумбален; Ньюнес; 960 страниц; 2008 г.; ISBN 978-0-7506-8703-4 . (35 МБ PDF)
Op Amp Applications Handbook ; 1-е изд.; Уолт Юнг ; Analog Devices & Newnes; 896 страниц; 2005; ISBN 978-0-7506-7844-5 . (17 МБ PDF)
Операционные усилители и линейные интегральные схемы ; 6-е изд.; Роберт Кофлин, Фредерик Дрисколл; Prentice Hall; 529 страниц; 2001; ISBN 978-0-13-014991-6 .
Книга рецептов активных фильтров ; 2-е изд.; Дон Ланкастер ; Сэмс; 240 страниц; 1996; ISBN 978-0-7506-2986-7 . (28 МБ PDF - 1-е издание)
IC Op-Amp Cookbook ; 3-е изд.; Walt Jung ; Prentice Hall; 433 страницы; 1986; ISBN 978-0-13-889601-0 . (18 МБ PDF - 1-е издание)
Мини-блокнот инженера – Схемы ИС на операционных усилителях ; 1-е изд.; Форрест Мимс III; Radio Shack; 49 страниц; 1985; ASIN B000DZG196. (4 МБ PDF)
Фредериксен, Томас (1984). Интуитивные операционные усилители на интегральных схемах — от основ до полезных приложений (1-е изд.). National Semiconductor .
Проектирование с использованием операционных усилителей — альтернативные варианты применения ; 1-е изд.; Джеральд Грэм; Burr-Brown & McGraw Hill; 269 страниц; 1976; ISBN 978-0-07-023891-6 .
Применение операционных усилителей — методы третьего поколения ; 1-е изд.; Джеральд Грэм; Burr-Brown & McGraw Hill; 233 страницы; 1973; ISBN 978-0-07-023890-9 . (37 МБ PDF)
Понимание операционных усилителей на интегральных схемах ; 1-е изд.; Роджер Мелен и Гарри Гарланд ; Sams Publishing; 128 страниц; 1971; ISBN 978-0-672-20855-3 . (архив)
Операционные усилители — конструкция и применение ; 1-е изд.; Джеральд Грэм, Джин Тоби, Лоуренс Хельсман; Burr-Brown & McGraw Hill; 473 страницы; 1971; ISBN 978-0-07-064917-0 .

Книги с главами об операционных усилителях

Изучение искусства электроники — практический лабораторный курс ; 1-е изд.; Томас Хейс, Пол Горовиц ; Кембридж; 1150 страниц; 2016; ISBN 978-0-521-17723-8 . (Часть 3 — 268 страниц)
Искусство электроники ; 3-е изд.; Пол Горовиц , Winfield Hill; Кембридж; 1220 страниц; 2015; ISBN 978-0-521-80926-9 . (Глава 4 — 69 страниц)
Уроки электрических цепей - Том III - Полупроводники ; 5-е изд.; Тони Купхалдт; Проект «Открытая книга»; 528 страниц; 2009. (Глава 8 - 59 страниц) (4 МБ PDF)
Устранение неисправностей аналоговых цепей ; 1-е изд.; Боб Пиз ; Newnes; 217 страниц; 1991; ISBN 978-0-7506-9499-5 . (Глава 8 — 19 страниц)

Исторические руководства по применению

Analog Applications Manual (1979, 418 страниц), Signetics. (Операционные усилители в разделе 3)

Исторические справочники

Linear Databook 1 (1988, 1262 страницы), National Semiconductor. (Операционные усилители в разделе 2)
Справочник по линейным и интерфейсным устройствам (1990, 1658 страниц), Motorola. (Операционные усилители в разделе 2)
Linear Databook (1986, 568 страниц), RCA.

Исторические листы данных

LM301, одиночный операционный усилитель на биполярном транзисторе, Texas Instruments
LM324, четырехканальный операционный усилитель на биполярных транзисторах, Texas Instruments
LM741, одиночный операционный усилитель на биполярном транзисторе, Texas Instruments
NE5532, двойной операционный усилитель на биполярных транзисторах, Texas Instruments (NE5534 — аналогичный одинарный)
TL072, двойной операционный усилитель JFET, Texas Instruments (TL074 — четырехканальный)

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Операционные усилители .

Викиверситет имеет обучающие ресурсы по теме Операционный усилитель

В Wikibook Electronics есть страница по теме: Операционные усилители

Коллекция схем операционных усилителей - National Semiconductor Corporation
Операционные усилители - Глава обо всем, что касается схем
Коэффициент усиления контура и его влияние на производительность аналоговой схемы - Введение в коэффициент усиления контура, запас по усилению и фазе, устойчивость контура
Простые измерения операционных усилителей. Архивировано 20 марта 2012 г. на Wayback Machine. Как измерить напряжение смещения, ток смещения и смещения, усиление, CMRR и PSRR.
Операционные усилители. Вводный онлайн-текст Э. Дж. Мастаскусы ( Университет Бакнелла ).
Введение в каскады схем на операционных усилителях, фильтры второго порядка, полосовые фильтры на одиночных операционных усилителях и простое переговорное устройство
Проектирование МОП-операционных усилителей: учебный обзор
Прогнозирование шума операционного усилителя (все операционные усилители) с использованием точечного шума
Основы операционных усилителей Архивировано 2009-06-02 на Wayback Machine
История операционного усилителя Архивировано 2012-10-07 в Wayback Machine , от электронных ламп до примерно 2002 года
Историческое интервью об операционном усилителе Лёбе Джули с Бобом Пизом
www.PhilbrickArchive.org – Бесплатный репозиторий материалов Джорджа А. Филбрика / Исследования - Пионер в области операционных усилителей
В чем разница между операционными усилителями и инструментальными усилителями? Архивировано 2013-03-15 в Wayback Machine , журнал Electronic Design