Заснована 1959 року фірма National Semiconductor пройшла величезний шлях від виробництва перших дискретних транзисторів до найскладніших компонентів сучасних інформаційних пристроїв. Маючи у своєму розпорядженні можливості створення приладів з рівнем інтеграції від базових стандартних блоків та однокристальних систем до високопродуктивних багатокристальних та багатофункціональних комплектів та поєднуючи технології аналогової та цифрової техніки, фірма реалізує оптимальні рішення для споживчого та комунікаційного ринків у широкому діапазоні номенклатури виробів. Заслуговують на увагу, також, і базові елементи аналогової електроніки, розроблені та випускаються National Semiconductor, зокрема інтегральні операційні підсилювачі, які значно менш популярні в Росії, ніж, наприклад, вироби фірми Analog Devices, хоча в більшості випадків вони ні в чому не поступаються останнім при значно нижчій ціні. Операційні підсилювачі (ОУ) National Semiconductor за низкою параметрів можна умовно діляться кілька сімейств (груп), частково цей поділ проявляється у системі маркування мікросхем, використовуваної фірмою. Це:
1. Підсилювачі загального застосування (General Purpose – LM).
2. Швидкодіючі (High Speed – LMH) – частота одиничного посилення понад 50 МГц.
3. Малопотужні (Low Power – LP, LPV) – струм споживання менше 1,5 мА.
4. Мікропотужні (Micro Power – LP, LPV) – струм споживання менше 25 мкА.
5. Низьковольтні (Low Voltage – LMV) – напруга живлення менше 3 Ст.
6. Прецизійні (Precision) – коефіцієнт посилення більше 100 дБ, напруга зміщення менше 1 мВ.
7. Малошумні (Low Noise) – напруга шумів менше 10 нВЦ Гц.
8. Потужні (High Output Power) – вихідний струм понад 100 мА.
9. З вхідною та вихідною напругою, близькою до напруги живлення (IO Rail to Rail).
Даний поділ зі зрозумілих причин не є строгим, літерна класифікація також не завжди дотримується, ОУ може бути одночасно швидкодіючим, малошумним, з вихідною напругою, близькою до напруги живлення тощо. Крім того, мікросхеми одного типу випускаються в різних корпусах і виконаннях – для загального застосування (commercial), для промислового застосування (industrial) та для спеціального, читай – військового застосування (military), що відрізняються за рядом параметрів, зокрема, по діапазону робочих температур . Слід також зазначити, що поряд з освоєнням виробництва нових виробів, фірма безперервно займається удосконаленням і розвитком випущених раніше, що добре видно, наприклад, на широко відомому недорогому і дуже популярному сімействі малопотужних ОУ LM321/358/324(Одинковий/здвоєний/Счетверенний) зі струмом споживання 0,2 - 0,4 мА на канал. Випускається ряд їх модифікацій: LP324/LP2902- счетверенные мікропотужні зі струмом споживання 21 мкА, LMV321/358/324 - низьковольтні, з напругою живлення від 2,7 до 5,5 В, LPV321/358/324, що виготовляються за фірмовою технологією BICMOS - мікропотужні низьковольтні зі струмом споживання 9 мкА і т.д.
Продовжуючи розгляд мало- та мікропотужних ОУ National Semiconductor, перейдемо до опису останніх розробок фірми.
Підсилювач LM7301, що випускається в мініатюрному корпусі SOT23-5, що займає в 2 рази меншу площу, ніж SOIC-8, розрахований на однополярне живлення в діапазоні напруг від 1,8 до 32 В при споживаному струмі 0,6 мА. Він має "супер" Rail to Rail вхід (від -0,25 В до +5,25 В при напрузі живлення +5 В) і Rail to Rail вихід і чудово підходить для використання у всілякій портативній апаратурі, модемах, PCMCIA картах портативних ПК і т.п.
Підсилювачі LMV751та сімейство LMV821/2/4(одинний/здвоєний/ лічверний) призначені для застосування в портативній радіочастотній апаратурі, переносних ПК і т.п. LMV751- це прецизійний малошумний ОУ (рівень шуму 6,5 нВ/Ц Гц) із частотою одиничного посилення 5 МГц та невеликою напругою усунення 1 мВ. Працює при однополярному живленні від 2,7 до 5,5 і споживає струм 0,6 мА. LMV821при тому ж напрузі живлення споживає струм 0,3 мА на канал, частота одиничного посилення дорівнює 6,5 МГц, але в нього більше шуми, напруга та струм зміщення. Поодинокі підсилювачі випускаються у мініатюрних корпусах SOT23-5.
LMV771- малошумний недорогий прецизійний ОУ з розширеним від -40 до +125 ° C діапазоном робочих температур. Працює при однополярному живленні напругою від 2,7 до 5,5 і споживає струм 0,6 мА, забезпечуючи коефіцієнт посилення 100 дБ при рівні шумів 9 нВнВ/Ц Гц. Підсилювач має невелику напругу зсуву 0,85 мВ, нормується також його температурний дрейф у всьому діапазоні температур 0,35 мкВ/°C. Допускає подачу на вхід синфазної напруги від 0 В. Частота одиничного посилення становить 35 МГц. Випускається у мініатюрному корпусі SC70-5 розміром 2x2x1 мм.
Серія підсилювачів LM6132-42призначені для використання у швидкодіючих пристроях із батарейним живленням. LM6132/4(здвоєний/четверний) - ОУ з внутрішньою корекцією з однополярним живленням, в якому досягнуто чудове співвідношення швидкості наростання вихідної напруги до споживаної потужності. Перевагою мікросхеми є також широкий діапазон напруг живлення від 2,7 до 24 В, Rail to Rail вхід і вихід і високий коефіцієнт придушення синфазних сигналів. При частоті одиничного посилення 10 МГц, струм споживає всього 360 мкА, що робить даний ОУ незамінним в портативних пристроях, таких як інструментальні підсилювачі, радіоприймачі і передавачі, драйвери дисплеїв і т.п. LM6142/4- аналогічний LM6132/4, але працює в ширшому діапазоні напруги живлення від 1,8 В до 24 В, володіє більш високим посиленням 108 дБ і коефіцієнтом придушення синфазних сигналів 107 дБ, частота одиничного посилення становить 17 МГц при струмі споживання 650 мкА. Випускаються у корпусах SOIC та MDIP, а також у корпусі CDIP з діапазоном робочих температур від -55 до 125 °C.
Цікаві супернизковольтні ОУ LMV931/2/4(одинний/здвоєний/четверний), що працюють при напругах живлення від 1,5 до 5,5 В, орієнтовані на застосування в пристроях з живленням від одного Li-Ion елемента. Завдяки використанню мініатюрних корпусів, ОУ легко вбудовуються у мобільні телефони та комп'ютерні плати. Підсилювачі мають Rail to Rail вхід і вихід, невеликий струм споживання 100 мкА на канал і забезпечують частоту одиничного посилення 1,4 МГц. Коефіцієнт посилення на нульовій частоті без ОС 101 дБ. Кориговані для стійкої роботи за будь-якого коефіцієнта посилення, а також при ємнісному навантаженні до 1000 пФ. Працюють у діапазоні температур від -40 до +125 °C. Поодинокі ОУ випускаються в мініатюрних корпусах SC70-5 і SOT23-5, здвоєні - у корпусах MSOP-8 і SOIC-8, чотиривірні - у корпусах TSSOP-14 та SOIC-14.
Підсилювачі серії LMC, Виготовлені за технологією КМОП, також відносяться до категорії мало- та мікропотужних. Їх характерна особливість - мізерні вхідні струми і, відповідно - робота в електрометричних пристроях, приладах для вимірювання струмів витоку, різної наукової апаратури тощо. Наприклад, для прецизійного підсилювача LMC6001типове значення вхідного струму 25 фА (ф - фемто 10-15). Примітна методика, що використовується фірмою для тестування щойно виготовлених підсилювачів – 3 рази поспіль у першу хвилину; прилади, що показують вхідний струм понад 25 фА, відбраковуються. Цей підсилювач має дуже низький рівень шумів 25 нВ/Ц Гц. Є захист від електростатичного потенціалу до 2000 В. Випускається у корпусі MDIP.
Номенклатура підсилювачів серії LMC є досить широкою. Малопотужні підсилювачі LMC6022/4(здвоєний/четверний) виконані за фірмовим технологічним процесом Double-Poly Silicon-Gate і можуть працювати при одно- та двополярному живленні розмахом до 15 В. Вони мають Rail to Rail вихід та низьке енергоспоживання 40 мкА на канал. Більш швидкодіючі підсилювачі з Rail to Rail виходом LMC6032/4за дуже низькою ціною мають дуже високий коефіцієнт посилення 126 дБ. При споживаному струмі 0,4 мА частота одиничного посилення становить 1,4 МГц, а швидкість наростання вихідної напруги 1,1/мкс. Низьковольтні ОУ LMC6035/6з Rail to Rail виходом можуть працювати при однополярному живленні від 2,7 В (наприклад від 3-х NiCd акумуляторів), що робить їх дуже підходящими для портативних систем з автономним живленням. В іншому параметри аналогічні LMC6022/4. Підсилювачі випускаються у різних корпусах.
Мікропотужні підсилювачі LMC6041/2/4зі струмом споживання 14 мкА на канал мають рекордно малий вхідний струм 2 фА, Rail to Rail вихід і можуть працювати при однополярному живленні від 4,5 до 15,5, забезпечуючи при цьому вихідний струм до 21 мА. Ці підсилювачі чудово працюють у системах контролю живлення, детекторах випромінювань, різному науковому обладнанні.
Подібні енергетичні параметри мають прецизійні підсилювачі LMC6061/2/4, які завдяки низькому значенню напруги зміщення 100 мкВ та високому коефіцієнту посилення 140 дБ чудово підходять для використання в інструментальних підсилювачах з автономним живленням, медичною та науковою апаратурою. Зазначимо, що одиночний (LMC6061) та здвоєний (LMC6062) підсилювачі цієї серії випускаються і в корпусах CDIP, при цьому діапазон робочих температур становить -55 - +125 °C.
Більш швидкісні прецизійні ОУ LMC6081/2/4при частоті одиничного посилення 1,3 МГц і швидкості наростання вихідної напруги 1,5 В/мкс споживають від однополярного джерела живлення напругою від 4,5 до 16 B струм 0,45 мА. Вони також мають великий коефіцієнт посилення 130 дБ та низьку напругу усунення 150 мкВ. Підсилювачі випускаються у корпусах SOIC та MDIP.
Малопотужні ОУ LMC6482/4(здвоєний/четверний) - типові у своєму класі підсилювачі з Rail to Rail входом та виходом. Працюють у діапазоні напруг живлення від 3 до 15 В, споживаючи струм 0,5 мА на канал і забезпечують вихідний струм до 30 мА. Призначені для використання у різній апаратурі з низьким енергоспоживанням. В даний час випускаються одиночний ОУ LMC7101у корпусі SOT-23 з параметрами, аналогічними LMC6482, та його вдосконалений варіант LMC8101у корпусах microSMD та miniSOIC. Останній має режим блокування (Shutdown) з часом включення 10 мкс, струм споживання в якому не перевищує 1 мкА.
LMC6462/4- мікропотужна версія LMC6482/4із струмом споживання 0,02 мА. В даний час випускається одиночний ОУ LMC7111у корпусі SOT-23-5 з параметрами, аналогічними до LMC6462.
Підсилювачі LMC6492/4(здвоєний/четверний) з розширеним температурним діапазоном -55 до +125 °C застосовуються в автомобільній електроніці. Їх параметри в основному такі ж як і у LMC6482/4. Випускаються у корпусі SOIC.
Підсилювачі LMC6572/4(здвоєний/четверний), призначені для роботи в цифрових пристроях з низькою напругою живлення і забезпечують поєднання дуже високих параметрів - вхідний струм 20 фА і коефіцієнт посилення 120 дБ при енергоспоживання 40 мкА на канал і живленні джерела 2,7 В. Мають Rail to Rail вихід та випускаються в корпусах MSOP.
Завершуючи розділ мало- та мікропотужних підсилювачів розглянемо надекономічний зі струмом споживання менше 1 мкА на канал здвоєний ОУ LMC6442. Він скоригований для пристроїв з коефіцієнтом посилення більше 2 (менше -1) і призначений для використання в широкому класі апаратури із надмалим енергоспоживанням – мобільними телефонами та пейджерами, датчиками контролю, науковими приладами тощо. Працює за однополярного живлення від 1,8 до 11 В. Випускається в корпусах MSOP-8 та інших.
На окремий розгляд заслуговує здвоєний операційний підсилювач LM833, спеціально призначений для використання у високоякісній аудіоапаратурі Він має надзвичайно широкий динамічний діапазон – понад 140 дБ при рівні шумів 4,5 нВ/Ц Гц та вкрай малі нелінійні спотворення 0,002%. Підсилювач скоригований для будь-якого коефіцієнта посилення та ідеально підходить для всілякої Hi-Fi – Hi-End техніки. Випускається у 8-и вивідних корпусах SOIC та MDIP.
Перейдемо далі до огляду швидкодіючих ОУ National Semiconductor. Треба сказати, що в їх розробці та виробництві фірма досягла дуже високих результатів, і за багатьма параметрами вони перевершують аналогічні вироби інших виробників. Відзначимо, що в даний час існує два різновиди швидкодіючих операційних підсилювачів - поряд з ОУ, побудованими за традиційною схемотехнікою з використанням зворотних зв'язків по напрузі Voltage Feedback Amplifiers (VFA), широко застосовуються підсилювачі з вхідними каскадами - підсилювачами струму із взаємними зв'язками. Дані підсилювачі отримали назву "підсилювачі з струмовим зворотним зв'язком - Current Feedback Amplifiers (CFA)". Основний передавальний параметр таких підсилювачів - коефіцієнт, що має розмірність опору Transimpedance, а область застосування - всілякі імпульсні підсилювачі та відеопідсилювачі, для яких гігантський вхідний опір традиційних ОУ не затребуваний, а на перший план виступає максимальна швидкість наростання вихідної напруги та частота одиничного підсилення, значення яких у CFA значно перевершують відповідні параметри VFA.
Ми розпочнемо з ОУ, які використовують звичайну схемотехніку VFA. Сімейство LMH6645/6/7(одинний/здвоєний/одинний з блокуванням) - низьковольтні малопотужні швидкодіючі підсилювачі Rail to Rail зі струмом споживання 650 мкА на канал. У режимі блокування (LMH6647) струм споживання знижується до 50 мкА. Частота одиничного посилення 55 МГц, швидкість наростання вихідної напруги 22 В/мкс, типове значення вихідного струму 20 мА. Це типові у своєму класі сучасні підсилювачі, придатні для застосування у багатьох електронних пристроях.
Підсилювачі LM6152/4, що продовжують серію LM6132-42, призначені для використання у швидкодіючих пристроях із батарейним живленням. При споживаному струмі 1,4 мА частота одиничного посилення становить 75 МГц, а швидкість наростання вихідної напруги 30 В/мкс
Вищі параметри мають ОУ LMH6642-55- відносно недорогі швидкісні сучасні Rail to Rail операційні підсилювачі з хорошим співвідношенням швидкодія/споживана потужність. Працюють при одно- та двополярному живленні розмахом до 12 Ст.
Підсилювачі LMH6642/3/4(Одиночний/здвоєний/Счетверенний) - це сучасні швидкодіючі ОУ з типовими для свого класу параметрами. Потужність струму 2,7 мА на канал, частота одиничного посилення 130 МГц, швидкість наростання вихідної напруги 130 В/мкс, типове значення вихідного струму 115 мА. Малий час встановлення вихідної напруги та низькі спотворення, ефективний захист від короткого замикання, Rail to Rail вхід та вихід та висновки для балансування роблять ці мікросхеми оптимальними для використання у багатьох сучасних електронних пристроях. Випускаються в корпусах SOIC, miniSOIC та SOT-23. Можна використовувати як заміну LM6152/4.
Широкосмуговий (190 МГц, 170 В/мкс) Rail to Rail підсилювач з однополярним живленням LMH6639 здатний забезпечити вихідний струм 190 мА. Є режим блокування (Shutdown) із часом включення 85 нс, у якому струм споживання знижується до 400 мкА. Разом з малим часом установки вихідної напруги 33 нс, даний підсилювач чудово підходить для роботи в пристроях з мультиплексуванням, як буферний підсилювач, пристрої приводу CD ROM і т.п.
Заслуговує на увагу швидкодіючий здвоєний підсилювач LMH6672з максимальним вихідним струмом 600 мА. Підсилювач скоригований для коефіцієнта посилення 2 і більше, забезпечуючи смугу пропускання 130 МГц та швидкість наростання вихідної напруги 160 В/мкс. Діапазон напруги живлення від 5 до 12 В, споживаний струм 6,2 мА на канал. ОУ має малий рівень шумів, передбачене балансування. Випускається у корпусах SOIC, PSOP та LLP. Призначений для використання як магістральний підсилювач, а також в модемах та аналогічних пристроях. Можна використовувати для заміни LM6181/2, LM7171 та LM7372.
Підсилювачі LMH6654/5(одинний/здвоєний) більш широкосмугові. Струм споживання 4,5 мА на канал, частота одиничного посилення 250 МГц, швидкість наростання вихідної напруги 200 В/мкс, типове значення вихідного струму 180 мА. Вони мають низький рівень вхідних шумів 4,5 нВ та 1,7 пА, малий час установки вихідної напруги 25 нс і можуть бути використані у різних пристроях. Випускаються у корпусах SOIC-8, а також SOT23-5 (LMH6654) та MSOP-8 (LMH6655).
Підсилювачі LMH6657/8і LMH6682/3- Порівняно недорогі надшвидкісні ОУ з однополярним живленням від 3 до 12 В. Випускаються з використанням фірмової технології VIPTM10. Зручні для застосування в пристроях обробки відеосигналів і сервоприводах CD/DVD так як мають малий час установки і не допускають інверсії фази вихідної напруги при перевищенні допустимих значень вхідної напруги (LMH6682/3), що дозволяє спростити схемотехніку подібних пристроїв.
Підсилювачі LMH6657/8(одиноковий/здвоєний) скориговані для роботи з одиничним коефіцієнтом посилення, забезпечуючи при цьому шквал пропускання 270 МГц і швидкість наростання вихідної напруги 700 В/мкс. Споживаний струм 6,2 мА на канал, вихідний струм +80/-90 мА.
Підсилювачі LMH6682/3(здвоєний/будований) забезпечують швидкість наростання вихідної напруги 940 В/мкс при смузі пропускання 190 МГц. Слід зазначити, що дані підсилювачі мають дуже малі коефіцієнти спотворень типу "диференціальна фаза" - 0,08% і "диференціальне посилення" - 0,01 дБ, що є важливим для висококласної відеотехніки. Випускаються у різних корпусах.
Для роботи в різних відеопристроях призначені надшвидкі підсилювачі зі швидкістю наростання вихідної напруги більше 1000 В/мкс. У серії LM це LM6171/2і LM6181/2(поодинокий/здвоєний), виготовлені з використанням фірмової технології VIPTM11. Перший з них виконаний за схемотехнікою VFA і забезпечує при споживаному струмі всього 2,5 мА швидкість наростання вихідної напруги 3600 В/мкс при частоті одиничного посилення 100 МГц. LM6181/2виконаний за схемотехнікою з струмовим зворотним зв'язком CFA і забезпечує вихідну напругу +10 при опір навантаження 100 Ом. Швидкість наростання вихідної напруги становить 2000 В/мкс за частоти одиничного посилення 100 МГц. Описані підсилювачі при тому, що відносяться до категорії "з потужним виходом" - High Output - максимальне значення вихідного струму досягає 130 мА, мають дуже малі спотворення типу "диференціальне посилення" та "диференціальна фаза" і можуть знайти застосування у відеоапаратурі стандартів NTSC та PAL , високочастотних фільтрах тощо. Вони також випускаються у корпусах SOIC та MDIP.
Підсилювач LMH6609призначений для використання в аналогових перетворювачах та фільтрах. При частоті одиничного посилення 900 МГц і швидкості наростання вихідної напруги 1400 В/мкс, він споживає від однополярного джерела живлення напругою 10 струм 7 мА. Підсилювач повністю скоригований, має дуже низький рівень шумів 3,1 нВ/Ц Гц та великий вихідний струм 90 мА. Випускається у 8-вивідному корпусі SOIC та 5-и вивідному SOT.
Дуже низький рівень шумів та високі робочі частоти мають підсилювачі LMH6622-28. LMH6624 цей параметр становить 0,92 нВ/Ц Гц і 2,3 пА/Ц Гц, а частота одиничного посилення 1500 МГц. Підсилювач скоригований для використання у пристроях з коефіцієнтом передачі 10 і більше і призначений для застосування у техніці зв'язку та медичної апаратури. Малі шуми та похибки характерні для здвоєного широкосмугового підсилювача LMH6628, У якого відносний рівень 2-й/3-й гармоніки на частоті 10 МГц становить -65/-74 дБ відповідно, а час встановлення вихідної напруги з точністю 0,1% - 12 нс. Це робить цей підсилювач незамінним при розробці швидкодіючих аналогових перетворювачів та пристроїв введення-виводу.
Для використання в портативній відеоапаратурі та відеокартах ПК призначений підсилювач LM7121, що випускається у корпусі SOT23-5. Параметри підсилювача дуже високі: частота одиничного посилення 175 МГц, швидкість наростання вихідної напруги – 1300 В/мкс. Він може працювати як при однополярному +5В харчуванні, так і двополярному в діапазоні від +5 до +15 в.
Рекордні параметри мають надшвидкісні операційні підсилювачі LM7171(одинний) та LM7372(здвоєний). Виконані за схемотехнікою зі зворотним зв'язком по напрузі, вони мають параметри, властиві підсилювачам з струмовим зворотним зв'язком - швидкість наростання вихідної напруги 4100 В/мкс, частота одиничного посилення 200 МГц, вихідний струм 100 мА (LM7171) та 3000 В2/мц 150 мА відповідно для LM7372 при споживаному струмі 6,5 мА на канал. Підсилювачі скориговані для коефіцієнта посилення за напругою більше 2. Маючи мінімальні спотворення "диференціальне посилення і фаза" 0,01% і 0,02o, ці підсилювачі чудово підходять для застосування у відеотехніці, апаратурі кабельних та оптичних ліній зв'язку, системах радіо та телевізійного мовлення. Випускаються у різних типах корпусів.
Серія надшвидкісних ОУ LMH67xxвиконана за фірмовим технологічним процесом VIPTM10 з схемотехніки з струмовим зворотним зв'язком CFA і призначена для використання в широкосмугових радіо та телесистемах. Огляд цих мікросхем ми почнемо з LMH6702- малошумного (напруга шумів, приведене до входу 1,83 нВ) ОУ з рекордно низьким рівнем гармонійних (-100 дБ на частоті 5 МГц) та інтермодуляційних спотворень, смугою пропускання 720 МГц та швидкістю наростання вихідної напруги 3100 В/м. Такі високі параметри орієнтують застосування LMH6702 у системах з високою роздільною здатністю та контрольно-вимірювальною апаратурою. Випускається у корпусах SOIC та SOT-23.
Сімейство підсилювачів LMH6714/15/20/22(одиноковий/здвоєний/з блокуванням/четверенний) зі смугою пропускання 400 МГц при коефіцієнті посилення 2 і швидкості наростання вихідної напруги 1800 В/мкс при споживаному струмі 5,6 мА призначені, переважно, для використання у відеосистемах. Високоімпедансний вихідний стан підсилювача LMH6720, що перемикається за 7 нс TTL рівнем, дуже зручний для мультиплексування кількох високошвидкісних сигналів на загальну лінію передачі. Четвірний підсилювач LMH6722 може бути ефективно використаний у багатоканальних УПЧ та активних фільтрах високих порядків. Випускаються у різних корпусах.
Підсилювач з однополярним живленням від 4,5 до 12 В LMH6723поєднує високу економічність (споживаний струм 1 мА) з широкою смугою пропускання 370 МГц, високою швидкістю наростання вихідної напруги 600 В/мкс і великим вихідним струмом 110 мА, що робить його незамінним для портативних відеопристроїв та різноманітних перетворювачів з автономним живленням, магістральних CD-DVD плеєрів тощо. Випускається у корпусах SOIC та SOT23.
Завершуючи розділ, ми розглянемо широкосмуговий ОУ LMH6732з регульованою від 0 до 1,5 ГГц смугою пропускання. Змінюючи опір одного зовнішнього резистора, можна варіювати струм, що споживається більш ніж у 10 разів, а також переводити мікросхему в черговий режим зі струмом споживання 1 мкА. Параметри мікросхеми унікальні при всіх значеннях споживаного струму: смуга частот 55 МГц, швидкість наростання вихідної напруги 400 В/мкс, вихідний струм 9 мА при споживаному струмі 1 мА і 540 МГц, 2700 В/мкс і 115 мА відповідно при споживаному струмі. Підсилювач здатний працювати при одно- та двополярному живленні розмахом від 9 до 12 В. Область передбачуваних застосувань вкрай широка – відеотехніка, системи з батарейним живленням, комутаційні пристрої тощо. Зазначимо, що для скорочення часу проектування пристроїв LMH6732фірма National Semiconductor пропонує демонстраційну плату.
Таким чином, широка номенклатура інтегральних операційних підсилювачів National Semiconductor та їхня невисока вартість робить їх дуже привабливими для широкого кола розробників РЕА Росії. Детальнішу технічну інформацію можна знайти на сайті фірми http://www.national.com.
| Виконання | Корпус | Діапазон температур | Діапазон напруги живлення | Струм на один канал | Вихідний струм | Тип входу та виходу | Вхідний струм | Напруга зміщення | Температурний коефіцієнт напруги усунення | Коефіціент посилення | Коефіцієнт придушення синфазного сигналу | Коефіцієнт впливу нестабільності джерел живлення | Частота одиничного посилення. | Швидкість наростання. | Напруга шумів | ||||
| Supply Voltage | I quies | I out | In - Out | I bias | U offset | Drift | A vo | CMRR | PSRR | BW | SR | e noise | |||||||
| Single(одинний) | Doble (здвоєний) | Quad (Счетверенний) | Package | В | мА | мА | R to R | на | мВ | мкВ/C | дБ | дБ | дБ | МГц | В/мкс | нВ/Ц Гц | |||
| хв | макс | макс | макс | тип | тип | макс | тип | тип | тип | тип | тип | тип | тип | ||||||
| LP324 | SO, TSSOP, MDIP | C | ±1,5; +3,0 | ±16,0; +32 | 0,021 | 4,0 | Out | 2,0 | 2,0 | 9,0 | - | 100 | 90 | 90 | 0,10 | 0,05 | 80 | ||
| LP2902 | SO, MDIP | I | ±1,5; +3,0 | ±13,0; +26 | 0,021 | 4,0 | Out | 2,0 | 2,0 | 10 | - | 97 | 90 | 90 | 0,10 | 0,05 | 80 | ||
| LMV321 | LMV358 | LMV324 | SO, MSO, TSSOP, SC-70, SO-23 | I | +2,7 | +5,5 | 0,13 | 60 | Out | 11 | 1,7 | 7,0 | 5,0 | 100 | 65 | 60 | 1,0 | 1,0 | 39 |
| LPV321 | LPV358 | LPV324 | SO, MSO, TSSOP, SC-70, SO-23 | I | +2,7 | +5,0 | 0,0090 | 17 | Out | 1,7 | 1,2 | 7,0 | 2,0 | 100 | 70 | 65 | 0,15 | 0,10 | - |
| LM7301 | SO, SOT-23 | I | ±0,9; +1,8 | ±16; +32 | 0,6 | 9,5 | In and Out | 90 | 0,03 | 6,0 | 2,0 | 97 | 90 | 104 | 4,0 | 1,25 | 36 | ||
| LMV821 | LMV822 | LMV824 | SO, MSO, TSSOP, SC-70, SO-23 | Ext I | +2,5 | +5,5 | 0,30 | 40 | Out | 30 | 1,0 | 3,5 | 1,0 | 100 | 85 | 85 | 6,5 | 2,0 | 24 |
| LMV931 | LMV932 | LMV934 | SO, MSO, TSSOP, SC-70, SO-23 | Ext I | +1,5 | +5,5 | 0,16 | 75 | In and Out | 15 | 1,0 | 6,0 | 2,0 | 100 | 78 | 100 | 1,0 | 0,45 | 45 |
| LMV771 | SC-70 | Ext I | ±1,5; +2,5 | ±3,0; +6,0 | 0,60 | 66 | Out | 0,000100 | 0,3 | 1,0 | 0,35 | 100 | 90 | 90 | 3,5 | 1,4 | 9,0 | ||
| LMV751 | SOT-23 | I | +2,7 | +5,5 | 0,60 | 15 | Out | 0,001500 | 0,05 | 1,0 | - | 120 | 100 | 107 | 5,0 | 2,3 | 6,5 | ||
| LMC6001 | MDIP | I | ±2,3; +4,5 | ±7,7; +16 | 0,45 | 21 | Out | 0,000010 | 0,35 | 1,00 | 2,5 | 123 | 83 | 83 | 1,3 | 1,5 | 22 | ||
| LMC6022 | LMC6024 | SO | I | ±2,3; +4,5 | ±8,0; +16 | 0,04 | 40 | Out | 0,000040 | 1,0 | 9,0 | 2,5 | 120 | 83 | 83 | 0,35 | 0,11 | 42 | |
| LMC6032 | LMC6034 | SO, MDIP | I | ±2,3; +4,5 | ±8,0; +16 | 0,38 | 40 | Out | 0,000040 | 1,0 | 9,0 | 2,3 | 126 | 83 | 83 | 1,4 | 1,1 | 22 | |
| LMC6035 | LMC6036 | SO, TSSOP | I | +2,7 | +16 | 0,40 | 5,0 | Out | 0,000020 | 0,50 | 5,0 | 2,3 | 126 | 96 | 93 | 1,4 | 1,5 | 27 | |
| LMC6041 | LMC6042 | LMC6044 | SO, MDIP | I | +4,5 | +16 | 0,014 | 21 | Out | 0,000002 | 3,0 | 6,0 | 1,3 | 120 | 75 | 75 | 0,075 | 0,020 | 83 |
| LMC6061 | LMC6062 | LMC6064 | SO, CDIP | I, M | +4,5 | +16 | 0,020 | 21 | Out | 0,000010 | 0,35 | 0,80 | 1,0 | 132 | 85 | 85 | 0,10 | 0,035 | 83 |
| LMC6081 | LMC6082 | LMC6084 | SO, MDIP | I | +4,5 | +16 | 0,45 | 21 | Out | 0,000010 | 0,35 | 0,80 | 1,0 | 124 | 85 | 85 | 1,3 | 1,5 | 22 |
| LMC6442 | SO, MSO, MDIP | I | +1,8 | +11 | 0,0010 | 0,90 | Out | 0,000005 | 3,0 | 7,0 | 0,4 | 103 | 92 | 95 | 0,010 | 0,0040 | - | ||
| LMC6462 | LMC6464 | SO, MSO, CDIP | I, M | +3,0 | +15 | 0,020 | 27 | Out | 0,000015 | 0,50 | 1,5 | 1,5 | 124 | 85 | 85 | 0,050 | 0,015 | 80 | |
| LMC7111 | SOT-23, MDIP | I | +2,7 | +11 | 0,025 | 7,0 | In and Out | 0,000100 | 3,0 | 7,0 | 2,0 | 112 | 85 | 85 | 0,050 | 0,027 | - | ||
| LMC6482 | LMC6484 | SO, MSO, CDIP | I, M | +3,0 | +15 | 0,50 | 30 | In and Out | 0,000020 | 0,75 | 3,0 | 1,0 | 116 | 82 | 82 | 1,5 | 1,3 | 37 | |
| LMC7101 | SOT-23 | I | +2,7 | +15 | 0,50 | 24 | In and Out | 0,001000 | 3,0 | 7,0 | 1,0 | 110 | 75 | 80 | 1,1 | 1,1 | 37 | ||
| LMC8101 | MSMD, MSOP | I | +2,7 | +10 | 0,70 | 49 | In and Out | 0,001000 | 0,70 | 5,0 | 4,0 | 80 | 80 | 80 | 1,0 | 1,0 | 22 | ||
| LMC6492 | LMC6494 | SO | I | +5,0 | +15 | 0,50 | 22 | In and Out | 0,000150 | 3,0 | 6,0 | 1,0 | 110 | 82 | 82 | 1,5 | 1,3 | 37 | |
| LMC6572 | LMC6574 | SO | I | +2,7 | +10 | 0,038 | 6,0 | Out | 0,000020 | 3,0 | 7,0 | 1,5 | 120 | 75 | 75 | 0,22 | 0,09 | 36 | |
| LM833 | SO, MDIP | C | ±4,5 | ±18 | 2,5 | 40 | No | 500 | 0,30 | 5,0 | - | 110 | 100 | 100 | 15 | 7,0 | 4,5 | ||
| LM6132 | LM6134 | SO, MDIP | I | +1,8 | +24 | 0,5 | 4,3 | In and Out | 110 | 2,0 | 6,0 | 5,0 | 100 | 100 | 82 | 10 | 14 | 27 | |
| LM6142 | LM6144 | SO, MDIP | I | +1,8 | +24 | 0,8 | 6,2 | In and Out | 180 | 1,0 | 2,5 | 3,0 | 108 | 107 | 87 | 17 | 25 | 16 | |
| LMH6645/7 | LMH6646 | SO, SOT-23 | I | ±2,5; +3,0 | ±6,0; +12 | 0,70 | 20 | In and Out | 360 | 1,0 | 4,0 | 5,0 | 87 | 77 | 83 | 55 | 22 | 17 | |
| LM6152 | LM6154 | SO, MDIP | I | +2,7 | +24 | 2,0 | 8,0 | In and Out | 500 | 2,0 | 5,0 | 10 | 107 | 84 | 91 | 75 | 30 | 9,0 | |
| LMH6622 | SO, MSO | I | ±2,5 | ±6,3 | 4,3 | 90 | No | 4700 | 0,20 | 1,2 | 2,5 | 83 | 100 | 95 | 160 | 80 | 1,6 | ||
| LM6171 | LM6172 | SO, MDIP | I | ±5; +2,7 | ±16; +18 | 4,0 | 135 | No | 1000 | 3,0 | 6,0 | 6,0 | 99 | 110 | 95 | 100 | 3600 | - | |
| LM6181 | LM6182 | SO, MDIP | I | ±3,5 | ±16 | 7,5 | 130 | No | 2000 | 2,0 | 4,0 | 5,0 | - | 60 | 80 | 100 | 1400 | 4,0 | |
| LM7121 | SO, SOT-23 | I | ±5; +2,7 | ±18; +15 | 4,8 | 52 | No | 5200 | 0,90 | 8,0 | - | 72 | 93 | 70 | 175 | 1300 | 17 | ||
| LM7171 | SO, MDIP, CDIP | I, M | ±2,7 | ±18 | 6,5 | 100 | No | 2700 | 1,0 | 3,0 | 35 | 81 | 105 | 90 | 200 | 4100 | 14 | ||
| LM7372 | LLP, SO, PSOP | I | ±4,5 | ±18 | 6,5 | 150 | No | 2700 | 8,0 | 10 | 12 | 80 | 93 | 90 | 120 | 3000 | 14 | ||
| LMH6609 | SO, SOT-23 | I | ±3,0 | ±6,3 | 7,0 | 90 | No | 2000 | 0,8 | 3,5 | - | - | 73 | 73 | 180 | 1400 | 3,1 | ||
| LMH6624 | LMH6626 | SO, MSO, CDIP, SOT-23 | I, Ext I | ±2,5; +5,0 | ±6,0; +12 | 15 | 100 | No | 50 | 0,25 | 0,95 | 0,25 | 79 | 90 | 90 | 1500 | 350 | 0,92 | |
| LMH6628 | SO, MSO, CDIP, CPACK | I | ±2,5 | ±6,0 | 9,0 | 85 | No | 300 | 2,0 | 5,0 | 5,0 | 63 | 62 | 70 | 300 | 550 | 2,0 | ||
| LMH6639 | SO, MSO | I | ±2,5; +3,0 | ±6,0; +12 | 3,6 | 160 | Out | 1000 | 1,0 | 7,0 | 8,0 | 100 | 93 | 96 | 190 | 170 | 6,0 | ||
| LMH6642 | LMH6643 | LMH6644 | SO, SOT-23 | I | ±2,5; +3,0 | ±6,0; +12 | 2,7 | 115 | Out | 1500 | 1,0 | 7,0 | 5,0 | 80 | 72 | 75 | 130 | 130 | 17 |
| LMH6654 | LMH6655 | SO, SOT-23 | I | ±2,5; +3,0 | ±6,0; +12 | 4,5 | 180 | No | 5000 | 1,0 | 4,0 | 6,0 | 67 | 90 | 76 | 250 | 200 | 4,5 | |
| LMH6657 | LMH6658 | SO, MSO, SC-70, SOT-23 | I | ±2,5; +3,0 | ±6,0; +12 | 6,0 | 45 | No | 5000 | 1,1 | 7,0 | 2,0 | 85 | 82 | 82 | 270 | 700 | 11 | |
| LMH6672 | SO, PSOP, LLP | I | ±2,5 | ±6,5 | 6,2 | 600 | No | 8000 | 0,2 | 4,0 | - | 68 | 100 | 78 | 200 | 170 | 4,5 | ||
| LMH6682 | LMH6683 * | SO, MSO, TSSOP | I | ±2,5; +3,0 | ±6,0; +12 | 6,5 | 80 | No | 5000 | 1,1 | 7,0 | 2,0 | 85 | 82 | 76 | 190 | 940 | 12 | |
| LMH6702 | SO, SOT-23 | I | ±5,0 | ±6,0 | 12 | 80 | No | 6000 | 1,0 | 6,0 | 13 | - | 52 | 48 | 720 | 3100 | 1,8 | ||
| LMH6714/20 | LMH6722 | SO, SOT-23 | I | ±5,0 | ±6,0 | 5,6 | 70 | No | 1000 | 0,2 | 6,0 | 8,0 | - | 58 | 54 | 400 | 1800 | 3,4 | |
| LMH6715 | SO, CDIP | I | ±5,0 | ±6,0 | 5,0 | 70 | No | 5000 | 2,0 | 8,0 | 30 | - | 60 | 56 | 480 | 1300 | 3,4 | ||
| LMH6723 | SO, SOT-23 | I | +4,5 | +12 | 1,0 | 110 | No | 400 | 1,0 | 3,5 | - | - | 64 | 60 | 370 | 600 | 4,3 | ||
| LMH6732 | SO, SOT-23 | I | ±4,5 | ±6,0 | 9,0 | 115 | No | 2000 | 3,0 | 8,0 | 16 | - | 62 | 52 | 540 | 2700 | 2,5 | ||
Компанія National Semiconductor, заснована 1959 року, пройшла величезний шлях від виробництва перших дискретних транзисторів до найскладніших сучасних мікроелектронних пристроїв. Одним із пріоритетних напрямків діяльності фірми протягом усього її існування була розробка інтегральних операційних підсилювачів (ОУ).
У 1968 році інженерами National Semiconductor був створений перший у світі двокаскадний операційний підсилювач LM101, що започаткував цілий напрям у побудові різноманітних аналогових електронних пристроїв. Сучасні операційні підсилювачі National Semiconductor відповідають, а за багатьма параметрами і перевершують світовий рівень пристроїв даного класу, при цьому мають ціни істотно менші, ніж у інших фірм, дозволяючи розробникам успішно вирішувати широке коло завдань створення різної електронної апаратури.
Більшість сучасних інтегральних операційних підсилювачів виконуються за схемою прямого посилення з диференціальними входами та розраховані на симетричне двополярне харчування (хоча все частіше використовується однополярне). Крім двох входів, виходу та висновків живлення, операційний підсилювач може мати висновки для балансування, корекції, програмування (завдання певних параметрів величиною керуючого струму) та інші.
В ідеальному випадку операційний підсилювач повинен мати нескінченний коефіцієнт посилення по напрузі, нескінченно великий вхідний і нескінченно малий вихідний опору, нескінченно велику амплітуду вихідного сигналу, нескінченно великий діапазон частот, що посилюються, і відсутність шумів. Параметри операційних підсилювачів не повинні залежати від зовнішніх факторів, напруги живлення та температури. За дотримання цих умов передавальна характеристика операційного підсилювача, охопленого негативним зворотним зв'язком (ООС), точно відповідає передавальній характеристиці ланцюга ООС і не залежить від параметрів самого підсилювача.
Реальні операційні підсилювачі мають характеристики, що відрізняються від ідеальних, що є приводом для їх всебічної класифікації. Реальний операційний підсилювач - це компроміс взаємовиключних вимог з досягненням найкращих властивостей за одним або декількома параметрами, якими можуть бути: мінімізація напруги зміщення і вхідних струмів, досягнення максимальної смуги частот, що підсилюються, і швидкості наростання вихідної напруги, зменшення споживаного струму і напруги живлення та інші. Параметри операційного підсилювача можна розділити на кілька груп - вхідні, вихідні, підсилювальні, частотні, енергетичні, шумові і т.д. Поряд з експлуатаційними параметрами, що визначають номінальний температурний режим роботи операційного підсилювача, допустимі параметри вхідних та вихідних ланцюгів та вимоги до джерел живлення, дуже важливими є також максимально можливі значення низки параметрів, перевищення яких не допускається. В даний час склалася певна (хоча і не дуже строга) класифікація операційних підсилювачів по поєднанню різних параметрів, що відображає їхнє переважне використання в тому чи іншому класі пристроїв. Зазначимо також, що параметри операційних підсилювачів значною мірою визначаються їхньою схемотехнікою і напівпровідниковою технологією.
Фірма National Semiconductor використовує наступну класифікацію операційних підсилювачів, яка частково проявляється у перших двох-трьох літерах маркування мікросхем, що випускаються фірмою:
- Підсилювачі загального застосування (General Purpose – LM, LMC) – коефіцієнт посилення до 100 дБ, напруга зміщення більше 1 мВ, частота одиничного посилення до 10 МГц.
- Малопотужні (Low Power – LP, LPV) – струм споживання менше 1,5 мА.
- Мікропотужні (Micro Power – LP, LPV) – струм споживання менше 25 мкА.
- Низьковольтні (Low Voltage – LMV) – напруга живлення менше 3 В.
- Прецизійні (Precision – LMP) – коефіцієнт посилення більше 100 дБ, напруга зміщення менше 1 мВ.
- Швидкодіючі (High Speed – LMH) – частота одиничного посилення більше 50 МГц.
- Малошумні (Low Noise) - напруга шумів менше 10 нВ/Гц 1/2.
- Потужні (High Output Power) – вихідний струм понад 100 мА.
- З вихідною та вхідною напругою, близькою до напруги живлення (Rail to Rail Output/Input).
У підсилювачах Rail to Rail максимальна та мінімальна амплітуда вихідної напруги практично збігаються з відповідними значеннями напруги живлення, а допустимі значення синфазної вхідної напруги рівні або навіть можуть виходити за межі напруги живлення. Останнє використовується, наприклад, у підсилювачах з однополярним живленням з можливістю подачі на вхід негативної напруги.
Як уже було сказано вище, цей поділ зі зрозумілих причин не є строгим, літерна класифікація також не завжди дотримується, операційний підсилювач може бути одночасно низьковольтним, швидкодіючим, малошумним, з вихідною напругою, близькою до напруги харчування, тощо. операційні підсилювачі одного типу випускаються в різних корпусах, а також по два, три або чотири підсилювачі в одному корпусі (багатоканальні) і, нарешті, у виконаннях, призначених для загального (Commercial – C), промислового (Industrial – I, E) та військового застосування (Military - M), що відрізняються за рядом параметрів, зокрема, по діапазону робочих температур (C: 0...+70 °C; I: –40...+85 °C; E: –40... +125 °C, M: –55...+125 °C).
Слід також відзначити, що поряд з освоєнням виробництва нових виробів фірма безперервно займається удосконаленням та розвитком операційних підсилювачів, що випускалися раніше, що добре видно, наприклад, на широко відомому недорогому і дуже популярному сімействі малопотужних рахунковеренних операційних підсилювачів з однополярним живленням (Single Supply) LM124/ 224/324/2902 та струмом споживання 0,2–0,4 мА на канал. Випускається ряд їх модифікацій: LP324/LP2902 - мікропотужні зі струмом споживання 21 мкА, LMV324 - низьковольтний, з напругою живлення від 2,7 до 5,5 В, LPV324 - мікропотужний низьковольтний зі струмом споживання 9 мкА, інші.
Зазначимо також, що для сучасних операційних підсилювачів, як, втім, і для інших інтегральних мікросхем, є тенденція до зменшення габаритів та все більш широкого використання корпусів для поверхневого монтажу. Широко поширені раніше корпуси DIP і TSSOP замінюються значно менші SOIC, SOT-23 і SC-70 (останній має розміри 2×2×1 мм); ряд мікросхем для поверхневого монтажу випускається в особливо малогабаритних корпусах microSMD з розмірами 1285х1285х085 мм і менше.
У попередній статті були розглянуті швидкодіючі операційні підсилювачі National Semiconductor. Тут ми зупинимося інших типах операційних підсилювачів, випущених фірмою останніми роками. Огляд почнемо з підсилювачів, основні параметри яких при напрузі живлення 5 наведені в таблиці 1 і відповідають операційним підсилювачам загального застосування.
Таблиця 1. Основні параметри сучасних операційних підсилювачів загального застосування National Semiconductor
Операційні підсилювачі загального застосування
Як очевидно з таблиці 1, більшість цих підсилювачів - низьковольтні і мало- і мікропотужні у мініатюрних корпусах, що відбиває сучасні тенденції проектування електронної апаратури.
Сімейство операційних підсилювачів LMV341/2/4 призначене для використання у портативній апаратурі з автономним живленням. Операційні підсилювачі відрізняються дуже високими параметрами по вхідному струму та шумам. У режимі відключення (Shutdown) струм, що споживається, зменшується до типового значення всього 45 пА, а час переходу в робочий режим не перевищує 5 мкс. Підсилювачі випускаються в різних корпусах, у тому числі, і в SC70-6L, що дуже підходить для розміщення на материнських платах персональних комп'ютерів та ноутбуків. Зазначимо, що ці підсилювачі працездатні у розширеному температурному діапазоні (до 125 °С).
Характерною особливістю сімейств операційних підсилювачів LMV931/2/4 та LMV981/2 (з режимом відключення Shutdown) є дуже низька мінімальна напруга живлення 1,8 В, у зв'язку з чим вони позиціонуються фірмою для застосування в апаратурі, що живиться від одного Li-Ion гальванічного елемента, а також систем контролю живлення. Особливостями цих підсилювачів є також вхід та вихід Rail to Rail і дуже високий (101 дБ) коефіцієнт посилення при порівняно малому рівні шумів, що дає можливість використовувати дані операційні підсилювачі в аудіоапаратурі з низьковольтним живленням.
Сімейства операційних підсилювачів LMV321/358/324 і LPV321/358/354 (низковольтний і мікропотужний варіант відповідних надпопулярних операційних підсилювачів серії LM), а також підсилювачі LM2904/02 операційними підсилювачами загального застосування можуть бути використані в широкому класі пристроїв. Зазначимо, що LM2904/02 та LP2902 можуть працювати при одно- та двополярному живленні з розмахом від 3 до 32 В.
Операційний підсилювач LMV301 – це CMOS-варіант LMV321. Він відрізняється вкрай малим вхідним струмом і низькою мінімальною напругою живлення підсилювачі в мініатюрному корпусі SC70 і може використовуватися у пристроях вибірки-зберігання, підсилювачах сигналів фотодатчиків та інших пристроях з батарейним живленням.
Операційні підсилювачі сімейства LMV821/22/24 відрізняються порівняно великою швидкодією (частота одиничного посилення 5 МГц, швидкість наростання вихідної напруги 1,4 В/мкс) за малого енергоспоживання. Вони також мають хороші параметри по напрузі зміщення та його дрейфу (3,5 мВ та 1 мкВ/°С відповідно). Випускаються в різних корпусах та призначені для використання у техніці зв'язку - модемах, бездротових та мобільних телефонах та інших пристроях.
Операційний підсилювач LMC7101 з входом та виходом Rail to Rail та його мікропотужний варіант LMC7111 виконані за технологією CMOS у мініатюрних корпусах та призначені для застосування у різній портативній апаратурі з автономним живленням. Завдяки дуже малому вхідному струму вони можуть використовуватися у пристроях вибірки-зберігання та інших, що вимагають великого вхідного опору (гарантоване значення не менше 1 ТОм).
Заслуговує на увагу операційні підсилювачі LM7301 з входом та виходом Rail to Rail, що поєднує дуже високі значення різних параметрів, зокрема, широкий діапазон напруги живлення, відносно велика швидкодія, високі коефіцієнти посилення та придушення синфазних сигналів, а також CMOS операційні підсилювачі LMC8101 з можливістю відключення. Ці підсилювачі випускаються у мініатюрних корпусах SOT-23 та microSMD і можуть бути використані у різних пристроях з відповідними параметрами.
Порівняно потужні та швидкодіючі операційні підсилювачі LM8261/2 та LM8272 з входом та виходом Rail to Rail та не лімітованою ємністю навантаження призначені для застосування у схемах драйверів для рідкокристалічних екранів, вихідних каскадів ЦАП, підсилювачів головних телефонів та інших пристроїв. Вони працюють у широкому діапазоні напруги живлення та відрізняються низьким рівнем шумів та спотворень.
Малошумні операційні підсилювачі сімейства LMV721/2 призначені для застосування у вхідних каскадах підсилювальної апаратури, у тому числі з батарейним живленням. Випускаються в мініатюрних корпусах і безкорпусному виконанні для вбудовування різних пристроїв, наприклад, електретні мікрофони.
Прецизійні операційні підсилювачі
Далі перейдемо до розгляду останніх розробок прецизійних операційних підсилювачів National Semiconductor, основні параметри яких при напрузі живлення 5 В наведені в таблиці 2. На додаток до параметрів операційних підсилювачів загального застосування для прецизійних підсилювачів дуже важливими є температурний дрейф напруги зміщення, коефіцієнт посилення та коефіцієнти придушення сигналів (Common Mode Rejection Ratio – CMRR) та впливу нестабільності напруги живлення (Power Supply Ripple Rejection – PSRR).
Таблиця 2. Основні параметри сучасних прецизійних операційних підсилювачів National Semiconductor
Сімейства операційних підсилювачів LMC6081/2/4 та LMC6482/4 - з входом та виходом Rail to Rail виконані за технологією CMOS і представляють типові прецизійні операційні підсилювачі, здатні працювати з однополярним живленням. Випускаються також їх мікропотужні аналоги зі струмом споживання 20 мкА та зниженою швидкодією - LMC6061/2/4 та LMC6462/4. Область застосування цих операційних підсилювачів - інструментальні підсилювачі, пристрої обробки сигналів, підсилювачі сигналів п'єзодатчиків та датчиків випромінювання, медична апаратура (підсилювачі біопотенціалів) тощо.
Відмінною особливістю операційних підсилювачів LMC6001 є мізерно мале типове значення вхідного струму 10 фА і, відповідно, здатність працювати в електрометричних пристроях, приладах для вимірювання струмів витоку, детекторах випромінювання, різної наукової апаратури тощо. Примітна методика, використовувана фірмою для тестування Щойно виготовлені мікросхеми LMC6001 - 3 рази поспіль в першу хвилину. Примірники із вхідним струмом більше 25 фА відбраковуються. Перевагою операційних підсилювачів є також низький рівень шумів 22 нВ/Гц 1/2 та наявність захисту від електростатичного потенціалу до 2000 В. Випускається у корпусах MDIP та круглому металостеклянному корпусі MCAN. Зазначимо, що успішне застосування операційних підсилювачів з малими вхідними струмами можливе лише за відсутності струмів витоку на поверхні монтажної плати. Величина цих струмів може кілька порядків перевищувати вхідні струми підсилювача і, отже, викликати значне зміщення його нуля. Виходом із положення є створення на друкованій платі спеціальних охоронних кілець навколо входів операційних підсилювачів або з'єднання входів підсилювача з іншими елементами схеми поза платою. Зразки малюнків друкованих плат для монтажу підсилювачів із надмалими вхідними струмами є на сайті компанії.
Малошумні прецизійні операційні підсилювачі LMV751 та LMV771/2/4 з виходом Rail to Rail та однополярним живленням випускаються у мініатюрних корпусах та призначені для застосування у вхідних каскадах різної апаратури. Вони відрізняються підвищеною швидкодією та малими спотвореннями, що дає можливість використовувати дані операційні підсилювачі у високоякісній апаратурі з низьковольтним живленням.
Слід зазначити, що National Semiconductor випускає спеціальні операційні підсилювачі - здвоєний LM833 і лічильник LM837 (у таблиці не представлені) - для використання в аудіотехніці класу Hi-Fi. За своїми параметрами ці підсилювачі наближаються до прецизійних і відрізняються малою напругою зміщення (0,3 мВ), високим коефіцієнтом посилення (110 дБ), дуже низьким рівнем шумів у звуковому діапазоні (4,5 нВ/Гц 1/2) та надзвичайно малими нелінійними спотвореннями (0,0015%). Операційні підсилювачі скориговані для будь-якого коефіцієнта посилення аж до одиничного, і поряд з використанням попередніх УЗЧ їх можна застосовувати в різній апаратурі для посилення слабких сигналів.
Останнє досягнення National Semiconductor - це заснована на унікальній технології безперервної корекції зміщення на вході серія доступних за ціною ультрапрецизійних операційних підсилювачів LMP2011/2/4 з мізерно малими величинами напруги зміщення (типове значення 0,8 мкВ) та його температурного дрейфу (0,015 м З). На відміну від операційних підсилювачів інших фірм, у яких використовується метод корекції нуля порівняно низькочастотною стабілізацією перериванням, що створює значні шуми та спотворення сигналу, в LMP201x частота корекції становить 35 кГц, що дозволяє перенести основний шумовий спектр у високочастотну область, досягнувши тим самим дуже низького рівня шумів та спотворень у діапазоні частот до кількох десятків кілогерц. Загалом сукупність чудових характеристик операційних підсилювачів LMP201x, таких, як надмале зміщення та дрейф, дуже високі для прецизійних операційних підсилювачів смуга пропускання та швидкість наростання вихідної напруги у поєднанні з низькими шумами та малим споживаним струмом, дає можливість застосовувати ці мікросхеми у широкому класі пристроїв підвищеною точністю та температурною стабільністю.
На закінчення огляду прецизійних операційних підсилювачів розглянемо ще одну нещодавню розробку National Semiconductor - сімейство прецизійних диференціальних підсилювачів з фіксованим коефіцієнтом посилення і надшироким діапазоном вхідних синфазних напруг LMP8270/1, призначених для застосування в струмомірних пристроях. диференціальний сигнал на тлі дуже великої сінфазної напруги.
Структура та типова схема включення підсилювача LMP8271 у схемі вимірювача струму представлені на рис. 1. Мікросхема містить патентований вхідний пристрій зсуву рівня та двокаскадний підсилювач із загальним коефіцієнтом посилення 20. LMP8270 відрізняється відсутністю виведення OFFSET. У типовій схемі включення зв'язок між каскадами здійснюється через найпростіший RC-фільтр нижніх частот із зовнішнім конденсатором.
Рис. 1. Структура та типова схема включення підсилювача LMP8271
Підсилювач LMP8270 виділяє вхідний сигнал лише позитивної полярності, тоді як LMP8271 може посилювати і негативний сигнал. Можливість посилення негативної вхідної напруги V IN досягається завдяки зсуву рівня вихідної напруги V OUT на деяку постійну величину згідно з графіками, наведеними на рис. 2. Зсув проводиться подачею керуючої напруги на спеціальний вхід мікросхеми LMP8271 OFFSET. Якщо вхід OFFSET з'єднаний із загальним дротом, LMP8271 виділяє лише позитивний вхідний сигнал. При подачі на висновок OFFSET напруги живлення V S до вихідної напруги підсилювача додається половина напруги живлення, таким чином вхід підсилювача стає біполярним. У принципі, на вхід OFFSET можна подавати будь-яку напругу V X від 0 до V S , при цьому до вихідної напруги додається величина V X /2.
Рис. 2. Залежність вхідної та вихідної напруги підсилювача LMP8271 від керуючого сигналу OFFSET
Програмовані операційні підсилювачі
National Semiconductor випускає ряд операційних підсилювачів, параметрами яких можна керувати шляхом зміни струму через спеціальне виведення мікросхеми, - так звані програмовані операційні підсилювачі. Новий зразок програмованого операційного підсилювача - здвоєний підсилювач LMV422 - цікавий тим, що може працювати у двох режимах, звичайному та економічному, при цьому, природно, параметри підсилювача погіршуються, але основні функції зберігаються, що може бути дуже корисним, наприклад для підтримки апаратури стані, переході на резервне харчування і т. п. У нормальному режимі (Full; керуючий висновок PS заземлений) операційні підсилювачі споживає струм 400 мкА і має параметри, близькі до прецизійних підсилювачів (див. табл. 1). В економічному режимі (Low; на керуючий висновок PS подано напругу більше 4,5 В) струм, що споживається, знижується до 2 мкА, і підсилювач стає ультрамікропотужним. Кожен підсилювач мікросхеми має незалежне виведення управління PS. Операційні підсилювачі LMV422 скориговані для коефіцієнта посилення більше 2, що випускаються в 10-вивідному корпусі MSOP.
Комбіновані пристрої
Тенденція зменшення габаритів електронної апаратури підводить розробників до створення різних комбінованих пристроїв з урахуванням операційних підсилювачів. Зокрема, потреб відеотехніки фірма National Semiconductor випускає набори швидкодіючих операційних підсилювачів з мультиплексорами LMH6570/2/4, параметри яких наведені в таблиці 3.
Таблиця 3. Основні параметри підсилювачів-мультиплексорів National Semiconductor
Мікросхема LMH6572 містить три комплекти мультиплексорів 2:1 і високоякісних буферних підсилювачів з коефіцієнтом підсилення. спотворень і шумів, що дозволяє використовувати їх у різних пристроях обробки та посилення відеосигналів, моніторах, багатоканальних АЦП, апаратурі телебачення високої чіткості та ін. Як і всі операційні підсилювачі National Semiconductor, орієнтовані на відеододатки, операційні підсилювачі мікросхем значення специфічних для відеосигналів спотворень типу "диференціальне посилення" та "диференціальна фаза". Структура та типова схема включення мультиплексора LMH6570 та таблиця його станів наведено на рис. 3. Управління роботою мультиплексора провадиться стандартними логічними рівнями на контактах SEL та SD.
Рис. 3. Структура та типова схема включення мультиплексора LMH6570 та таблиця його станів
У багатьох схемах електроживлення та інших пристроях часто використовуються операційні підсилювачі разом із джерелами опорної напруги (ІОН). National Semiconductor випускає кілька комбінованих мікросхем, що містять два і більше операційних підсилювачів з фіксованим або регульованим ІОН. Для прикладу розглянемо мікросхему LM432, що складається з двох операційних підсилювачів, аналогічних популярному LM358, і джерела фіксованої опорної напруги 2,5 з вихідним струмом до 10 мА і нестабільністю не більше 4 мВ в діапазоні температур від 40 до +85 °C. Структура мікросхеми наведено на рис. 4. Діапазон її застосування може бути найрізноманітніший - найпростіші лінійні стабілізатори напруги, пристрої ШІМ імпульсних перетворювачів та ін.
Рис. 4. Структура мікросхеми LM432
Аналогові компоратори
В асортименті продукції National Semiconductor є також велика кількість інтегральних аналогових компараторів, виробництво яких з великим успіхом фірма займається вже багато років. Зокрема, представлена в 1970 році серія компараторів з однополярним живленням LM139/239/339 виявилася настільки вдалою, що її модифікації LM193/293/393/2903 та інші випускаються й нині декількома фірмами у різних країнах.
Поряд із загальними для операційних підсилювачів параметрами для компараторів дуже важливим є час перемикання (Response Time) - проміжок часу від початку порівняння вхідної напруги до моменту, коли вихідна напруга досягає відповідного логічного рівня. Сучасні низьковольтні компаратори зазвичай виконуються за технологією BiCMOS, яка дозволяє поєднати високу швидкодію та низький рівень шумів з малим енергоспоживанням, а також отримати вихідну напругу, близьку до напруги живлення. Як і операційні підсилювачі, компаратори можна умовно розділити на універсальні або загального застосування, швидкодіючі, мікропотужні, з виходом Rail to Rail, прецизійні і т. п., причому для маркування National Semiconductor використовує ту ж систему, що і для операційних підсилювачів. Основні параметри сучасних компараторів National Semiconductor при напрузі живлення 5 наведені в таблиці 4.
Таблиця 4. Основні параметри сучасних аналогових компараторів National Semiconductor
Сімейство універсальних компараторів, наведене в першому рядку таблиці, виконано за біполярною технологією з виходом у вигляді відкритого колектора (ОК), працездатне в широкому діапазоні напруги живлення (як двополярної, так і однополярної) і по вихідній напрузі сумісне з різними типами цифрових логічних пристроїв: TTL, CMOS, ECL та ін Нові компаратори сімейства виконані в мініатюрних корпусах microSMD і призначені для використання в портативних пристроях з автономним живленням.
Компаратори LMV331/393/339 – це низьковольтний варіант попереднього сімейства, виконаний за технологією BiCMOS. Вони позиціонуються для застосування у пристроях з однополярним живленням від 2,7 до 5 Ст.
Чотирьох мікропотужний компаратор LP339 виконаний за біполярною технологією і призначений для застосування спільно з логічними пристроями CMOS в широкому діапазоні напруг живлення. Примітно, що величина споживаного одним компаратором струму (15 мкА) від напруги не залежить.
Мікропотужні CMOS-компаратори LMC7211 з двотактним виходом (2Т) і LMC7221 з виходом у вигляді відкритого стоку (ОС) випускаються в мініатюрних корпусах SOT23 і призначені для застосування в різних портативних пристроях - ноутбуках, мобільних телефонах і т. д. Ще більшою економічністю володіють аналогічні компаратори LMC7215 і LMC7225 із споживаним струмом всього 0,7 мкА. Ці компаратори мають вхід та вихід Rail to Rail та призначені для використання у схемах з режимом очікування.
Останні розробки компараторів National Semiconductor виконані за технологією BiCMOS та відрізняються унікальним поєднанням різних параметрів. Сучасні універсальні компаратори LMV7235/39 забезпечують час перемикання 45 нс при споживаному струмі 65 мкА. Високошвидкісний варіант LMV7219 має час перемикання 7 нс, а низьковольтні модифікації LMV7271/2/5 та LMV7291 працездатні при напрузі живлення 1,8 В. Чітке перемикання компараторів при порівнянні повільно мінливих вхідних сигналів гарантується внутрішньою гістерезою. Усі компаратори серії LMV72xx випускаються у мініатюрних корпусах.
Прецизійні одиночний та здвоєний CMOS-компаратори LMV761/2 відрізняються дуже малими величинами напруги зміщення та вхідного струму при порівняно високій швидкодії. Компаратор LMV761 має режим відключення (Shutdown), при якому струм, що споживається, знижується до 0,2 мкА, а вихід компаратора переходить у високоімпедансний стан. Час переходу до робочого режиму не перевищує 4 мкс. Зазначимо, що за технічними умовами цих мікросхем невикористовуваний висновок відключення SD не можна залишати вільним, а слід з'єднати його з позитивним виведенням живлення.
В асортименті продукції National Semiconductor є ряд комбінованих мікросхем на основі аналогових компараторів. Це, наприклад, детектор спаду напруги живлення LMS33460, що формує активний (нульовий) рівень при зниженні напруги живлення пристрою до 3 Ст. Структура мікросхеми LMS33460 та типова схема її включення наведено на рис. 5.
Рис. 5. Структура мікросхеми детектора спаду напруги живлення LMS33460 (а) та його типова схема включення (б)
До складу мікросхеми LMS33460, виконаної в мініатюрному корпусі SC70-5, входить прецизійний ІОН, компаратор із гістерезисом та вихідний каскад з відкритим стоком. Діапазон вхідних напруг мікросхеми - 0,8-7, величина споживаного струму не перевищує 1 мкА, при цьому час перемикання в активний стан становить 70 мкс.
Вибір потрібного операційного підсилювача
Для скорочення витрат часу на вибір та тестування операційних підсилювачів National Semiconductor створила зручну онлайнову технологію Amplifiers Made Simple, яка є частиною програмної оболонки WEBENCH, розміщеної на сайті фірми. Новий інтерактивний засіб має потужну систему пошуку, що дозволяє швидко і точно знаходити потрібний компонент серед маси інших виробів, кожне з яких має безліч різноманітних електричних характеристик.
На першому етапі Amplifiers Made Simple дає змогу вибрати оптимальний тип операційного підсилювача, що відповідає вимогам користувача. Потім проводиться пошук операційних підсилювачів серед виробів фірми National Semiconductor, внаслідок чого виявляються операційні підсилювачі, що найкраще підходять для вирішення даної конкретної задачі. Як і інші інструментальні засоби сімейства WEBENCH, Amplifiers Made Simple є абсолютно безкоштовним. Різні інструменти сімейства інтегровані один з одним, що створює додаткові зручності для користувача.
Завдяки засобу Amplifiers Made Simple розробнику електронних пристроїв немає необхідності проводити трудомісткі розрахунки схем і дороге фізичне макетування. Технологія забезпечує миттєвий доступ до останніх SPICE-моделей, параметрів та іншої інформації про операційні підсилювачі National Semiconductor, а також дозволяє користувачеві проводити порівняння характеристик декількох пристроїв одночасно. Компанія National Semiconductor гарантує постачання будь-яких підтримуваних засобами WEBENCH продуктів протягом 24 годин.
Широка номенклатура та невисока вартість інтегральних операційних підсилювачів National Semiconductors, а також можливість онлайнового вибору робить їх дуже привабливими для широкого кола розробників РЕА. Інформацію щодо розглянутих операційних підсилювачів, а також інших компонентів виробництва компанії National Semiconductor ви можете знайти за адресою http://promelec.ru/lines/nsc.html або на сайті виробника www.national.com.
Література
- Волович Г. І. Схемотехніка аналогових та аналого-цифрових електронних пристроїв. М: Видавничий дім «Додека-XXI». 2005.
- National Analog Products Databook. 2004 Edition.
- Штрапенін Г. Л. Швидкодіючі операційні підсилювачі фірми National Semiconductor // Chip News. 2003. № 10.
Диференціальний підсилювач на ОУ з однополярним живленням – включення
Почнемо з термінів, щоб було зрозуміліше, про що нижче йтиметься.
Підсилювач - це якийсь вузол або навіть цілий прилад, який може збільшувати потужність електричного сигналу, що проходить через нього. Тут недаремно вжито слово "потужність", оскільки є й інші прилади, що збільшують окремі показники струму – його силу чи напругу (наприклад, трансформатори), такі елементи не можна назвати підсилювачами.
Диференціальні підсилювачі – це такий вид підсилювачів, у яких сигнал на виході відповідає різниці потенціалів на входах (найчастіше входів два, але дуже рідко застосовуються диф. підсилювачі з одним входом, наприклад, повторювачі) збільшеною на певний коефіцієнт.
ОУ (абревіатура від слів "операційний підсилювач", англійською звучить як operational amplifier або OpAmp) - це підвид диференціальних підсилювачів постійного струму, що відрізняються дуже високим коефіцієнтом посилення.
Позначаються вони у схемах так.
ОУ з однополярним харчуванням
Живлення ОУ може бути двополярним (у джерела живлення є вихід негативного потенціалу, позитивного та нуль) або однополярним (подається лише позитивний потенціал та нуль).
p align="justify"> Однополярне харчування ОУ набагато простіше в реалізації сучасних схем, що працюють на акумуляторах або батареях.
До переваг однополярного живлення ОУ можна віднести:
1. Потужність споживання знижена (порівняно з двополярними);
2. Потрібне використання лише одного джерела струму;
3.Є можливість побудови ефективних схем для переносних пристроїв, що живляться від акумуляторних батарей.
Саме тому більшість сучасних операційних підсилювачів розраховані на однополярне харчування та працюють фактично наполовину (наприклад, сімейство Rail to Rail).
Але через низьку точність і зменшений коефіцієнт посилення необхідно особливу увагу приділяти правильному підбору ОУ.
Зважаючи на великий асортимент ОУ та їх функціональні можливості, процедура вибору готового підсилювача під власні потреби стає досить складною. Допомогти цьому може наступна схема від провідного виробника STMicroelectronics.
Тут GBR – це гранична частота, а Icc – це струм споживання. Для підбору готових елементів з інших виробників можна скористатися пошуком прямих аналогів.
Включення ОУ з однополярним живленням до схем
Нижче розглянемо найпопулярніші реалізації типових завдань ОУ.
Найпростіша – включення ОУ до схем, де вхідний сигнал подається щодо землі.
Підсилювач, що інвертує, буде виглядати наступним чином.
Вихідний сигнал обчислюватиметься за формулою
Схема буде працювати тільки за позитивного Vin.
Нижче зображено ОУ зі зміщенням, що подається на вхід, що не інвертує.
Більш потужний неінвертуючий ОУ включатиметься так.
Тут коэф.усиления дорівнює 10 (за умови, що R1 має номінал 910 кОм, R2 100 кОм, а R3 91 кОм, як DA1 використовується LM358). Розрахунок проводиться з урахуванням формули k=1+R1/R2.
Варіант диференціального підсилювача.
15.07.2019 - 08:24
Може
Uвых = (1 + 2 · R1/R2) · (Uвх1 – Uвх2) Цікаво чому дорівнює напруга на виході якщо Uвх1
Мобільні електронні системи з живленням від батарей набувають все більшого поширення.
Зазвичай у них використовується однополярне харчування напругою 5 і менше. Схеми з однополярним
харчуванням дозволяють зменшити складність джерела живлення та найчастіше підвищити економічність
пристроїв.
Операційні підсилювачі (ОУ) переважно використовуються у схемах з двополярним живленням, оскільки вхідні та вихідні сигнали ОУ найчастіше можуть мати як позитивну, так і негативну полярність щодо загальної шини схеми. Якщо не інвертуючий вхід ОУ з'єднаний із загальною шиною, синфазна вхідна напруга, що викликає похибку перетворення сигналу схемою на ОУ, відсутня (рис. 1) .
Тоді вихідна напруга ОУ Vout=-Vin R2/R1.
Якщо джерело вхідного сигналу не з'єднане із загальною шиною (рис. 2, а) , то різниця потенціалів Vсф між загальною шиною і виведенням джерела вхідного сигналу впливає на вихідну напругу Vout=-(Vin+Vсф)R2/R1 .
Іноді це допустимо, але найчастіше вихідна напруга підсилювача має обов'язково визначатися лише вхідним сигналом Vin. У такому випадку ОУ використовується в диференціальному включенні, причому на другий вхід подається зсув, що дорівнює Vсф (рис. 2, б) . Напруга Vсф існує в обох вхідних ланцюгах, і, отже,
є синфазним вхідним сигналом. Схема інвертує включення ОУ з однополярним живленням наведено на рис. 3 .
Тут вхідна напруга прив'язана не до середньої точки джерела живлення, як це зазвичай робиться у разі двопоярного живлення ОУ, а негативного полюса джерела живлення. Ця схема не працює, якщо вхідна напруга позитивна, оскільки вихідна напруга повинна в цьому випадку ставати негативною, а негативного джерела живлення тут немає. Для нормальної роботи з негативними вхідними сигналами у цій схемі слід використовувати ОУ, що допускають з'єднання входів із шинами живлення. Неодмінна вимога з'єднання входів із загальною шиною або іншою опорною напругою ускладнює побудову схем на ОУ з однополярним живленням. Найбільш природно використовувати однополярне живлення операційних підсилювачів тоді, коли джерело вхідного однополярного сигналу, наприклад, фотодіод (рис. 4) .
В інших випадках можуть використовуватися різні способи зміщення вхідних та вихідних напруг ОУ.
Усунення ОУ з однополярним харчуванням
На рис. 5 представлені три основні схеми підключення джерела усунення при однополярному живленні ОУ.
Схема на мал. 5, а являє собою інвертуючий суматор,
на рис. 5 б-диференціальний підсилювач,
а на рис. 5, - неінвертуючий суматор.
У загальному випадку зв'язок між вхідною та вихідною напругою в цих схемах можна уявити рівнянням
Vout = kVin + b. (3)
Рівнянню (3) відповідає графік статичної перехідної характеристики схеми з ОУ у вигляді прямої
лінії (рис. 6).
Таблиця 1.
У табл. 1 наведено значення постійних k і b для рівняння (2), що відповідають схемам на рис. 5 . Якщо у схемі на рис. 5, б поміняти місцями джерела V IN і V OF , то такому включенню відповідає нижній рядок у графі «Мал. 5 б табл. 1.
Схеми та значення постійних k та b вибираються так, щоб при будь-яких можливих значеннях вхідної напруги
V IN виконувалася умова 0< V OUT < V S . (4)
Зазвичай k визначається необхідним посиленням схеми, тому розробник може вибрати конфігурацію схеми і постійну b. Докладніше усунення ОУ при однополярному харчуванні у . Типова схема включення ОУ посилення сигналів змінного струму з живленням від однополярного джерела наведено на рис. 7 .
Тут напруга усунення дорівнює половині напруги живлення. Резистори дільника ланцюга зсуву можуть бути обрані досить високоомними, щоб не навантажувати джерела живлення та вхідного сигналу.
Введення штучної нульової точки
Від використання ланцюгів зміщення можна відмовитись, якщо ввести штучну нульову (середню) точку, тобто точку схеми, потенціал якої розташовується приблизно посередині між потенціалами позитивного та негативного полюсів однополярного джерела живлення. Для того, щоб схема могла посилювати біполярні сигнали, джерело вхідного сигналу включається між входом підсилювача, що інвертує, і штучною нульовою точкою
(Рис. 8) .
При цьому, щоб уникнути зміщення вихідної напруги, навантаження R L включають між виходом підсилювача та штучною нульовою точкою. Це ускладнює побудову ланцюгів, що формують нульову точку.
На рис. 9 представлені приклади схем формування потенціалу нульової точки. Найбільш простим є резистивний дільник напруги, середня точка якого з'єднана зі штучною нульовою точкою 0 (рис. 9, а). Однак за наявності навантаження R L струм навантаження I L протікає через один з резисторів цього дільника, створюючи не симетрію напруг між полюсами джерела живлення та точкою 0, причому ступінь цієї несиметрії залежить від сили струму
навантаження. Зменшення опорів дільника знижує не симетрію цієї напруги, але при цьому зростають втрати енергії в дільнику.
Схема зі стабілітроном (рис. 9 б) забезпечує хорошу стабілізацію потенціалу штучної нульової точки щодо негативного полюса джерела живлення. Як стабілітрон у цій схемі доцільно застосування двовивідного джерела опорної напруги (або регульованого трививідного, такого як, наприклад,
(TL431). Ця схема добре працює при вихідному струмі ОУ, але для збереження стабільності потенціалу точки 0 при значному вихідному струмі, що витікає, потрібен резистор R з низьким опором, що знову-таки
зумовлює підвищені втрати. Аналогічні проблеми виникають при використанні для формування штучної нульової точки стабілізатора напруги із послідовним регулюючим елементом.
Найкращі характеристики має схема з операційним підсилювачем, підключеним за схемою повторювача, що не інвертує, до середньої точки резистивного дільника напруги (рис. 9, в) . У цій схемі дільник може бути високоомним, тому що він навантажений лише вхідним струмом спокою операційного підсилювача. ОУ порівнює потенціал на виході схеми з потенціалом в середній точці дільника і підтримує напругу на своєму виході таким, щоб різниця порівнюваних потенціалів дорівнювала нулю. Цей ефект досягається завдяки дії негативного зворотного зв'язку. При малих струмах спокою, споживаних цією схемою (менше 1 мА), такий активний дільник має вихідний опір трохи більше 1 Ом.
Ще ефективніше застосування спеціальних мікросхем на формування штучної нульової точки (рис. 9, г) . Фірма Texas Instruments (США) випускає ІМС типу TLE2425. Ця ІМС виготовляється в малогабаритному трьох вивідному корпусі ТО-92 та забезпечує струм через штучну середню точку до 20 мА в будь-якому напрямку при струмі власного споживання не більше 0,25 мА та динамічному вихідному опорі не більше 0,22 Ом. У тому випадку, якщо навантаження може бути не пов'язане із загальною точкою схеми або з будь-якої з шин живлення, можна використовувати найпростіший варіант формування штучної нульової точки на резистивному дільнику (рис. 9, а), але з підсилювальною схемою мостової (мал. 9, д) .
У цій схемі інвертуючий повторювач на ОУ2 створює на нижньому полюсі навантаження RL потенціал, протифазний по відношенню до потенціалу верхнього її полюса. не симетрія нульової точки. Додаткові переваги цієї схеми: збільшення максимальної амплітуди напруги
на навантаженні вдвічі при тому ж напрузі живлення та помітне підвищення ККД при повному розмаху вихідної напруги.
Розширення динамічного діапазону
Зниження напруги живлення ОУ від звичайних +15 до однополярного 5 В значно зменшує амплітудний діапазон вхідної і вихідної напруги. Амплітудний діапазон в даному випадку можна визначити як різницю між максимально і мінімально можливими вхідними (вихідними) напругами. Застосування підсилювачів, розрахованих на двополярне харчування, можливе і з однополярним харчуванням, але, по-перше, при низькій різниці потенціалів між висновками живлення далеко не всі типи таких ОУ мають прийнятні характеристики (наприклад, коефіцієнт посилення), а по-друге, амплітудний діапазон їх вихідних напруг порівняно малий через досить великі напруги насичення транзисторів вихідного каскаду. Розмах вихідної напруги звичайних підсилювачів загального застосування не доходить до верхнього та нижнього потенціалів джерела живлення на 1…2 при номінальному навантаженні. При живленні такого підсилювача від однополярного джерела напругою 5, амплітудний діапазон виходу складе 1 ... 3 В. Це означає серйозне зниження співвідношення сигнал/шум і зменшення роздільної здатності схеми.
В даний час для роботи від низьковольтних джерел живлення, у тому числі однополярних, розроблено велику кількість моделей ОУ з повним розмахом виходу («Rail-to-Rail»). Вихідна напруга таких підсилювачів під час роботи на холостому ходу може змінюватися практично від потенціалу негативного полюса джерела живлення до потенціалу позитивного полюса.
Схемотехніка вихідних каскадів підсилювачів з повним розмахом виходу та звичайних ОУ різна. Вихідний каскад звичайних ОУ будується за схемою із загальним колектором на компліментарних транзисторах (рис. 10 а) .
При використанні такого схемного рішення мінімальне падіння напруги на вихідному транзисторі не може бути знижено. Як випливає із схеми на рис. 10 а джерело струму I повинен забезпечувати струм колектора транзистора каскаду посилення напруги VT3 і базовий струм вихідного транзистора VT1. Для нормальної роботи схеми джерела струму необхідно падіння напруги у ньому VT1 щонайменше 1 У. Решта загального падіння напруги посідає вихідний транзистор. Можна зменшити мінімальне падіння на транзисторах вихідного каскаду, включивши у вихідному каскаді транзистори за схемою із загальним емітером (рис. 10 б) . За цією схемою побудований вихідний каскад, наприклад ОУ AD823 фірми Analog Devices.
На рис. 11 представлені графіки залежності напруги насичення V SAT вихідних транзисторів цього підсилювача від струму навантаження I L для максимального (V S -V OH) і мінімального (V OL) вихідних напруг. Очевидно, що при роботі підсилювача на холостому ходу максимальна вихідна напруга майже досягає напруги живлення, а мінімальна мало відрізняється від нуля. Ще кращі характеристики на неодруженому ходу забезпечують підсилювачі, у яких вихідний каскад побудований на комплементарних МОП-транзисторах (рис. 10, в).
Опір повністю відкритого каналу верхнього та нижнього МОП-транзисторів вихідного каскаду ОУ типу TLC2272 фірми Texas InstRuments складають, відповідно, 500 та 200 Ом при живленні підсилювача від однополярного джерела 5 В.
Якщо навантаження R L включено між виходом ОУ та загальною точкою схеми, оскільки показано на рис. 4 то при низьких вихідних напругах вихідний струм також малий, і напруга на відкритому нижньому транзисторі підсилювача дуже близько до нуля (долі мілівольта). Якщо струм навантаження великий, і навантаження з'єднане іншим висновком з плюсом джерела живлення або штучною нульовою точкою, напруга на відкритому вихідному транзисторі може досягати більших значень (більше 1 В). В деяких застосуваннях потрібно не тільки повний розмах виходу ОУ, але й повний розмах (Rail-to-Rail) допустимих значень вхідної сінфазної напруги V СФ (вхід з повним розмахом). Це потрібно, наприклад, у схемі повторювача, що не інвертує, узгоджує датчик сигналу з аналого-цифровим перетворювачем. Для деяких додатків необхідно, щоб діапазон вхідних сигналів був нижчим від потенціалу загальної шини на 0,2…0,3 В. Це потрібно при однополярному живленні підсилювача інвертування, де на вхід має подаватися негативна напруга (рис. 3) , наприклад, у схемі фотометра (рис. 4) , де полярність напруги на вході, що інвертує, ОУ дещо нижче, ніж на неінвертуючому. Підсилювачі, що мають вхід із повним розмахом, схемотехнічно помітно складніше, ніж звичайні. Інших переваг, крім можливості роботи з широким діапазоном синфазного вхідного сигналу, вони не мають. Тому їх слід застосовувати лише там, де дійсно потрібний повний розмах входу.
На рис. 12 а наведена схема диференціального вхідного каскаду звичайного ОУ. Він і двох узгоджених структур. Для того, щоб вхідний сигнал міг досягати потенціалу загальної шини, використовуються p-n-p-транзистори.
Така будова дозволяє подавати на вхід потенціал загальної шини без порушення роботи вхідного каскаду. При
нижчому синфазному вхідному напрузі поведінка вхідного каскаду стає непередбачуваним. Часто спостерігається інверсія входів, коли він змінюється знак зворотний зв'язок, і відбувається перехід ОУ в тригерный режим
(Так зване «заскочування»). Оскільки напруга на джерелі струму V ІТ у схемі на рис. 12, а має бути не
менше 0,4 В (інакше він просто не буде працювати), а напруга база-емітер транзисторів V BE в активному режимі
становить приблизно 0,6 В, то вхідний синфазний сигнал повинен бути принаймні на 1 менше напруги живлення.
На рис. 12 б представлений диференціальний каскад на n-канальних польових транзистори з управляючим p-n-переходом (JFET-транзистори). Оскільки гранична напруга витік-затвор таких транзисторів становить –2…–3, то можна легко забезпечити нормальну роботу вхідного каскаду ОУ при невеликих негативних синфазних вхідних напругах. Саме так збудовано вхідний каскад ОУ AD823 з повним розмахом виходу. Цей підсилювач нормально працює при -1 В< V СФ < V S –1 В.
Якщо обов'язково потрібна робота ОУ з повним розмахом вхідної напруги, то застосовують подвійний диференціальний комплементарний каскад (рис. 12, в) . Біполярний варіант, показаний на рис. 12 в використовується в ОУ типу TLV245x і OP196, КМОП варіант цієї схеми - в TLV247х і AD853х. Зі схеми ясно, що обидва диференціальні підсилювачі вхідного каскаду управляються одночасно. Диференціальний підсилювач (ДУ) з p-n-p-транзисторами працює до максимального рівня вхідних сигналів на 1 В нижче напруги живлення. Для нормальної роботи n-p-n-підсилювача потрібен синфазний сигнал не менше 1 В. Таким чином, у зоні 1 В
межі цих зон, що може викликати спотворення сигналу, що посилюється. Зменшити ці спотворення можна, увімкнувши послідовно з неінвертуючим входом резистор RC (рис. 3), опір якого визначається за формулою
Rc = R1R2/R1+R2 (5)
У табл. 2 представлені основні параметри деяких типів ОУ, призначених для роботи з однополярним харчуванням.
Схеми на ОУ із однополярним харчуванням
Лінійний стабілізатор напруги
Схема лінійного стабілізатора напруги на ОУ з регулюючим транзистором, включеним за схемою ОК, представлена на рис. 13, а .
Схема містить ОУ, включений за схемою неінвертуючого підсилювача з негативним зворотним зв'язком по напрузі, джерела опорної напруги V REF і регулюючого n-p-n-транзистора VТ, включеного послідовно з навантаженням. Вихідна напруга V OUT контролюється за допомогою ланцюга негативного зворотного зв'язку, виконаного на резистивному дільнику R 1 R 2 . ОУ грає роль підсилювача помилки. Помилка тут є різниця між опорною напругою V REF , що задається джерелом опорної напруги (ІОН) і
вихідною напругою дільника R 1 R 2
ΔV = V REF - V OUT R1 / R1 + R2. (6)
Живлення операційного підсилювача здійснюється однополярною позитивною напругою. При цьому операційні підсилювачі, розраховані на двополярне живлення +15 можна використовувати в схемах стабілізаторів
зі вхідною напругою до 30 В. Стабілізована вихідна напруга обмежена знизу мінімальною синфазною вхідною напругою ОУ, а зверху - сумою напруги насичення ОУ і напруги насичення база-емітер регулюючого транзистора, тобто мінімально допустима напруга вхід-вихід
звичайних ОУ буде більшим (близько 3 В). На рис. 13 б наведена схема стабілізатора зі зниженою допустимою напругою вхід/вихід (так званий, LDO-стабілізатор). Тут регулюючий транзистор увімкнено
за схемою з ОЕ, тому можуть бути проблеми із стійкістю. Мінімально допустима напруга вхід/вихід
цій схемі обмежено лише напругою насичення колектор-емітер регулюючого транзистора VT.
Прецизійний випрямляч
Чудова за простотою схема двонапівперіодного прецизійного випрямляча представлена на рис. 14 .
Вона взагалі не містить діодів. Однак у цій схемі можуть застосовуватися тільки ОУ з повним розмахом вхідної та вихідної напруги (Rail-to-Rail). Підсилювачі живляться обов'язково від однополярного джерела. Якщо V IN >0, то підсилювач ОУ1 працює як повторювач, що не інвертує. У цьому випадку підсилювач ОУ2 працює в диференціальному включенні та 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 |.
Підсилювач ОУ2 завжди працює в лінійному режимі, а потенціал неінвертуючого входу 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.
Виробник рекомендує для цієї схеми при 5-вольтовому живленні діапазон вхідних сигналів ±1 В. Через те, що підсилювач ОУ1 довго виходить із насичення, частотний діапазон схеми виявляється досить вузьким – для ОУ ОР291 він становить 0…2 кГц.
Схема вимірювання струму
Для вимірювання великих струмів у лінії, яка знаходиться під відносно високим потенціалом, може бути використана схема, представлена на рис. 15 .
Струм, що протікає через навантаження, створює напругу V IN на шунті R ш, який є датчиком струму. Вважаємо ОУ ідеальним. Тоді через вхід підсилювача, що інвертує, струм не тече, і, оскільки напруга між диференціальними входами підсилювача дорівнює нулю, напруга V IN прикладено до лівого резистора R. Струм через резистор R і колектор транзистора VТ
l c = V IN /R = l L ш /R (7)
Нехтуючи струмом бази транзистора, знайдемо вихідну напругу схеми
V OUT = LCR T = LRTR / ш /R (8)
Саме за цією схемою виконано вимірювач струму фірми Burr-Brown INA168 (кордони кристала показані на рис. 15 штриховою лінією). Він допускає синфазну напругу на входах до 60 В і коефіцієнт посилення напруги на шунті до 100. Струм, споживаний мікросхемою, становить лише 50 мкА. Мікросхема LT1787 аналогічного призначення побудована симетрично, тому що має у своєму складі підсилювач з диференціальними входами та виходами та навантаження у вигляді струмового дзеркала. Допустима синфазна напруга також 60 В. Динамічний діапазон -12 біт (72 дБ). Мікросхема вимірювача струму МАХ471 має на кристалі шунтовий резистор, розрахований на струм до 3 А, а МАХ4372 такого резистора немає, зате її похибка перетворення не перевищує 0,18%.
Цифро-аналоговий перетворювач
з виходом у вигляді напруги
Комбінація ЦАП з струмовим виходом, наприклад, 12-бітного AD7541А та ОУ з повним розмахом показана на рис. 16 .
Тут використається інверсне включення резистивної матриці R-2R. ОУ включений за схемою неінвертуючого підсилювача з коефіцієнтом підсилення 2. Як джерело опорної напруги може бути використаний TL431. Вихідна напруга схеми визначається формулою
V OUT = 2V REF /4096 * DI, (9)
де DI – вхідний код.
Висновки
Операційні підсилювачі, призначені для роботи з біполярним харчуванням, можуть працювати в схемах з одним джерелом, проте амплітудний діапазон їх вхідних та вихідних сигналів може виявитися занадто вузьким. Операційні підсилювачі, призначені для роботи з одним джерелом, у свою чергу теж можуть працювати в схемах з біполярним харчуванням. Необхідно тільки, щоб різниця потенціалів позитивного та негативного джерела не перевищувала гранично допустимої напруги живлення для цього підсилювача. Якщо потрібно посилювати сигнали змінного струму, то при однополярному живленні доцільно використовувати ланцюги зміщення та розділові конденсатори (рис. 7).
Якщо вхідний сигнал постійного струму біполярний, можна використовувати ланцюги зміщення, проте зручніше
введення у схему штучної нульової точки. Якщо передбачається робота з вхідними сигналами нижче за потенціал загальної шини при однополярному живленні, слід у необхідних випадках передбачити заходи для захисту входів підсилювача.
Георгій Волович,
[email protected]
Література
1. Mancini R. Single Supply Op Amp Design Techniques // Application RepoRt SLOA030. - Texas InstRuments
IncoRpoRated. – OctobeR 1999. – 23 p.
2. Волович Р. Стійкість лінійних інтегральних стабілізаторів напруги. – Схемотехніка, 2001. № 11.
Як зробити скидання даних (hard reset, factory reset) на Samsung Galaxy
Найкращі прошивки для HTC Desire з оболонкою Sense - Runnymede та RuHD Установка RuHD для Desire
Способи повернути клавіатуру на андроїд, якщо вона зникла
Не працює камера на Андроїд
Що вибрати - PS4 або Xbox One