Основанная в 1959 году фирма National Semiconductor прошла огромный путь от производства первых дискретных транзисторов до сложнейших компонентов современных информационных устройств. Располагая возможностями создания приборов с уровнем интеграции от базовых стандартных блоков и однокристальных систем до высокопроизводительных многокристальных и многофункциональных комплектов и сочетая технологии аналоговой и цифровой техники, фирма реализует оптимальные решения для потребительского и коммуникационного рынков в широком диапазоне номенклатуры изделий. Заслуживают внимания, также, и базовые элементы аналоговой электроники, разработанные и выпускаемые National Semiconductor, в частности интегральные операционные усилители, которые значительно менее популярны в России, чем, например, изделия фирмы Analog Devices, хотя в большинстве случаев они ни в чем не уступают последним при существенно более низкой цене. Операционные усилители (ОУ) National Semiconductor по ряду параметров можно условно делятся на несколько семейств (групп), частично это разделение проявляется в системе маркировки микросхем, используемой фирмой. Это:

1. Усилители общего применения (General Purpose - LM).

2. Быстродействующие (High Speed - LMH) - частота единичного усиления более 50 МГц.

3. Маломощные (Low Power - LP, LPV) - ток потребления менее 1,5 мА.

4. Микромощные (Micro Power - LP, LPV) - ток потребления менее 25 мкА.

5. Низковольтные (Low Voltage - LMV) - напряжение питания менее 3 В.

6. Прецизионные (Precision) - коэффициент усиления более 100 дБ, напряжение смещения менее 1 мВ.

7. Малошумящие (Low Noise) - напряжение шумов менее 10 нВЦ Гц.

8. Мощные (High Output Power) - выходной ток более 100 мА.

9. С входным и выходным напряжением, близким к напряжению питания (IO Rail to Rail).

Данное разделение по понятным причинам не является строгим, буквенная классификация также не всегда соблюдается, ОУ может быть одновременно быстродействующим, малошумящим, с выходным напряжением, близким к напряжению питания и т.п. Кроме того, микросхемы одного типа выпускаются в различных корпусах и исполнениях - для общего применения (commercial), для промышленного применения (industrial) и для специального, читай - военного применения (military), отличающихся по ряду параметров, в частности, по диапазону рабочих температур. Следует также отметить, что наряду с освоением производства новых изделий, фирма непрерывно занимается усовершенствованием и развитием выпускаемых ранее, что хорошо видно, например, на широко известном недорогом и очень популярном семействе маломощных ОУ LM321/358/324 (одиночный/сдвоенный/счетверенный) с током потребления 0,2 - 0,4 мА на канал. Выпускается ряд их модификаций: LP324/LP2902 - счетверенные микромощные с током потребления 21 мкА, LMV321/358/324 - низковольтные, с напряжением питания от 2,7 В до 5,5 В, LPV321/358/324 , изготавливаемые по фирменной технологии BICMOS - микромощные низковольтные с током потребления 9 мкА и т.д.

Продолжая рассмотрение мало- и микромощных ОУ National Semiconductor, перейдем к описанию последних разработок фирмы.

Усилитель LM7301 , выпускаемый в миниатюрном корпусе SOT23-5, занимающем в 2 раза меньшую площадь, чем SOIC-8, рассчитанный на однополярное питание в диапазоне напряжений от 1,8 В до 32 В при потребляемом токе 0,6 мА. Он имеет "супер" Rail to Rail вход (от -0,25 В до +5,25 В при напряжении питания +5 В) и Rail to Rail выход и прекрасно подходит для использования во всевозможной портативной аппаратуре, модемах, PCMCIA картах портативных ПК и т.п.

Усилители LMV751 и семейство LMV821/2/4 (одиночный/сдвоенный/ счетверенный) предназначены для применения в портативной радиочастотной аппаратуре, переносных ПК и т.п. LMV751 - это прецизионный малошумящий ОУ (уровень шума 6,5 нВ/Ц Гц) с частотой единичного усиления 5 МГц и небольшим напряжением смещения 1 мВ. Работает при однополярном питании от 2,7 до 5,5 В и потребляет ток 0,6 мА. LMV821 при том же напряжении питания потребляет ток 0,3 мА на канал, частота единичного усиления равна 6,5 МГц, но у него больше шумы, напряжение и ток смещения. Одиночные усилители выпускаются в миниатюрных корпусах SOT23-5.

LMV771 - малошумящий недорогой прецизионный ОУ с расширенным от -40 до +125 °C диапазоном рабочих температур. Работает при однополярном питании напряжением от 2,7 до 5,5 В и потребляет ток 0,6 мА, обеспечивая коэффициент усиления 100 дБ при уровне шумов 9 нВнВ/Ц Гц. Усилитель имеет небольшое 0,85 мВ напряжение смещения, нормируется также его температурный дрейф во всем диапазоне температур 0,35 мкВ/°C. Допускает подачу на вход синфазного напряжения от 0 В. Частота единичного усиления составляет 3,5 МГц. Выпускается в миниатюрном корпусе SC70-5 размером 2x2x1 мм.

Серия усилителей LM6132-42 предназначены для использования в быстродействующих устройствах с батарейным питанием. LM6132/4 (сдвоенный/счетверенный) - ОУ с внутренней коррекцией с однополярным питанием, в котором достигнуто великолепное соотношение скорости нарастания выходного напряжения к потребляемой мощности. Достоинством микросхемы является также широкий диапазон напряжений питания от 2,7 В до 24 В, Rail to Rail вход и выход и высокий коэффициент подавления синфазных сигналов. При частоте единичного усиления 10 МГц, потребляемый ток составляет всего 360 мкА, что делает данный ОУ незаменимым в портативных устройствах, таких как инструментальные усилители, радиоприемники и передатчики, драйверы дисплеев и т.п. LM6142/4 - аналогичен LM6132/4 , но работает в более широком диапазоне питающих напряжений от 1,8 В до 24 В, обладает более высоким усилением 108 дБ и коэффициентом подавления синфазных сигналов 107 дБ, частота единичного усиления составляет 17 МГц при токе потребления 650 мкА. Выпускаются в корпусах SOIC и MDIP, а также в корпусе CDIP c диапазоном рабочих температур от -55 до 125 °C.

Представляют интерес супернизковольтные ОУ LMV931/2/4 (одиночный/сдвоенный/счетверенный), работающие при напряжениях питания от 1,5 до 5,5 В, ориентированные на применение в устройствах с питанием от одного Li-Ion элемента. Благодаря использованию миниатюрных корпусов, ОУ легко встраиваются в мобильные телефоны и компьютерные платы. Усилители имеют Rail to Rail вход и выход, небольшой потребляемый ток 100 мкА на канал и обеспечивают частоту единичного усиления 1,4 МГц. Коэффициент усиления на нулевой частоте без ОС 101 дБ. Скорректированы для устойчивой работы при любом коэффициенте усиления, а также при емкостной нагрузке до 1000 пФ. Работают в диапазоне температур от -40 до +125 °C. Одиночные ОУ выпускаются в миниатюрных корпусах SC70-5 и SOT23-5, сдвоенные - в корпусах MSOP-8 и SOIC-8, счетверенные - в корпусах TSSOP-14 и SOIC-14.

Усилители серии LMC , изготовленные по технологии КМОП, также относятся к категории мало- и микромощных. Их характерная особенность - ничтожно малые входные токи и, соответственно - работа в электрометрических устройствах, приборах для измерения токов утечки, различной научной аппаратуре и т.п. Например, для прецизионного усилителя LMC6001 типовое значение входного тока 25 фА (ф - фемто 10 -15). Примечательна методика, используемая фирмой для тестирования только что изготовленных усилителей - 3 раза подряд в первую минуту; приборы, показывающие входной ток более 25 фА, отбраковываются. Данный усилитель обладает очень низким уровнем шумов 25 нВ/Ц Гц. Имеется защита от электростатического потенциала до 2000 В. Выпускается в корпусе MDIP.

Номенклатура усилителей серии LMC достаточно широка. Маломощные усилители LMC6022/4 (сдвоенный/счетверенный) выполнены по фирменному технологическому процессу Double-Poly Silicon-Gate и могут работать при одно- и двухполярном питании размахом до 15 В. Они имеют Rail to Rail выход и низкое энергопотребление 40 мкА на канал. Более быстродействующие усилители с Rail to Rail выходом LMC6032/4 при весьма низкой цене имеют очень высокий коэффициент усиления 126 дБ. При потребляемом токе 0,4 мА частота единичного усиления составляет 1,4 МГц, а скорость нарастания выходного напряжения 1,1 В/мкс. Низковольтные ОУ LMC6035/6 с Rail to Rail выходом могут работать при однополярном питании от 2,7 В (например от 3-х NiCd аккумуляторов), что делает их весьма подходящими для портативных систем с автономным питанием. В остальном их параметры аналогичны LMC6022/4. Усилители выпускаются в различных корпусах.

Микромощные усилители LMC6041/2/4 с током потребления 14 мкА на канал имеют рекордно малый входной ток 2 фА, Rail to Rail выход и могут работать при однополярном питании от 4,5 до 15,5 В, обеспечивая при этом выходной ток до 21 мА. Эти усилители прекрасно работают в системах контроля питания, детекторах излучений, различном научном оборудовании.

Схожие энергетические параметры имеют прецизионные усилители LMC6061/2/4 , которые благодаря низкому значению напряжения смещения 100 мкВ и высокому коэффициенту усиления 140 дБ прекрасно подходят для использования в инструментальных усилителях с автономным питанием, медицинской и научной аппаратуре. Отметим, что одиночный (LMC6061) и сдвоенный (LMC6062) усилители этой серии выпускаются и в корпусах CDIP, при этом диапазон рабочих температур составляет -55 - +125 °C.

Более скоростные прецизионные ОУ LMC6081/2/4 при частоте единичного усиления 1,3 МГц и скорости нарастания выходного напряжения 1,5 В/мкс потребляют от однополярного источника питания напряжением от 4,5 до 16 B ток 0,45 мА. Они также имеют большой коэффициент усиления 130 дБ и низкое напряжение смещения 150 мкВ. Усилители выпускаются в корпусах SOIC и MDIP.

Маломощные ОУ LMC6482/4 (сдвоенный/счетверенный) - типичные в своем классе усилители с Rail to Rail входом и выходом. Работают в диапазоне напряжений питания от 3 до 15 В, потребляя ток 0,5 мА на канал и обеспечивают выходной ток до 30 мА. Предназначены для использования в различной аппаратуре с низким энергопотреблением. В настоящее время выпускаются одиночный ОУ LMC7101 в корпусе SOT-23 с параметрами, аналогичными LMC6482 , и его усовершенствованный вариант LMC8101 в корпусах microSMD и miniSOIC. Последний имеет режим блокировки (Shutdown) со временем включения 10 мкс, ток потребления в котором не превышает 1 мкА.

LMC6462/4 - микромощная версия LMC6482/4 с током потребления 0,02 мА. В настоящее время выпускается одиночный ОУ LMC7111 в корпусе SOT-23-5 с параметрами, аналогичными LMC6462.

Усилители LMC6492/4 (сдвоенный/счетверенный) с расширенным температурным диапазоном -55 до +125 °C применяются в автомобильной электронике. Их параметры в основном такие же как и у LMC6482/4 . Выпускаются в корпусе SOIC.

Усилители LMC6572/4 (сдвоенный/счетверенный), предназначены для работы в цифровых устройствах с низким напряжением питания и обеспечивают сочетание весьма высоких параметров - входной ток 20 фА и коэффициент усиления 120 дБ при энергопотреблении 40 мкА на канал и питании от источника 2,7 В. Имеют Rail to Rail выход и выпускаются в корпусах MSOP.

Завершая раздел мало- и микромощных усилителей рассмотрим cверхэкономичный с током потребления менее 1 мкА на канал сдвоенный ОУ LMC6442 . Он скорректирован для устройств с коэффициентом усиления более 2 (менее -1) и предназначен для использования в широком классе аппаратуры со сверхмалым энергопотреблением - мобильных телефонах и пейджерах, датчиках контроля, научных приборах и т.п. Работает при однополярном питании от 1,8 до 11 В. Выпускается в корпусах MSOP-8 и других.

Отдельного рассмотрения заслуживает сдвоенный операционный усилитель LM833 , специально предназначенный для использования в высококачественной аудиоаппаратуре. Он имеет чрезвычайно широкий динамический диапазон - более 140 дБ при уровне шумов 4,5 нВ/Ц Гц и крайне малые нелинейные искажения 0,002%. Усилитель скорректирован для любого коэффициента усиления и идеально подходит для всевозможной Hi-Fi - Hi-End техники. Выпускается в 8-и выводных корпусах SOIC и MDIP.

Перейдем далее к обзору быстродействующих ОУ National Semiconductor. Надо сказать, что в их разработке и производстве фирма достигла очень высоких результатов, и по многим параметрам они превосходят аналогичные изделия других производителей. Отметим, что в настоящее время существует две разновидности быстродействующих операционных усилителей - наряду с ОУ, построенными по традиционной схемотехнике с использованием обратных связей по напряжению Voltage Feedback Amplifiers (VFA), широко применяются усилители c входными каскадами - усилителями тока со взаимными связями. Данные усилители получили название "усилители с токовой обратной связью - Current Feedback Amplifiers (CFA)". Основной передаточный параметр таких усилителей - коэффициент, имеющий размерность сопротивления Transimpedance, а область применения - всевозможные импульсные усилители и видеоусилители, для которых гигантское входное сопротивление традиционных ОУ не востребовано, а на первый план выступает максимальная скорость нарастания выходного напряжения и частота единичного усиления, значения которых у CFA значительно превосходят соответствующие параметры у VFA.

Мы начнем с ОУ, использующих обычную схемотехнику VFA. Семейство LMH6645/6/7 (одиночный/сдвоенный/одиночный с блокировкой) - низковольтные маломощные быстродействующие Rail to Rail усилители с током потребления 650 мкА на канал. В режиме блокировки (LMH6647) токопотребление снижается до 50 мкА. Частота единичного усиления 55 МГц, скорость нарастания выходного напряжения 22 В/мкс, типовое значение выходного тока 20 мА. Это типичные в своем классе современные усилители, пригодные для применения во многих электронных устройствах.

Усилители LM6152/4 , продолжающие серию LM6132-42 , предназначены для использования в быстродействующих устройствах с батарейным питанием. При потребляемо м токе 1,4 мА частота единичного усиления составляет 75 МГц, а скорость нарастания выходного напряжения 30 В/мкс

Более высокие параметры имеют ОУ LMH6642-55 - относительно недорогие высокоскоростные современные Rail to Rail операционные усилители с хорошим соотношением быстродействие/потребляемая мощность. Работают при одно- и двухполярном питании размахом до 12 В.

Усилители LMH6642/3/4 (одиночный/сдвоенный/счетверенный) - это современные быстродействующие ОУ с типичными для своего класса параметрами. Потребляемый ток 2,7 мА на канал, частота единичного усиления 130 МГц, скорость нарастания выходного напряжения 130 В/мкс, типовое значение выходного тока 115 мА. Малое время установки выходного напряжения и низкие искажения, эффективная защита от короткого замыкания, Rail to Rail вход и выход и выводы для балансировки делают эти микросхемы оптимальными для использования во многих современных электронных устройствах. Выпускаются в корпусах SOIC, miniSOIC и SOT-23. Можно использовать в качестве замены LM6152/4 .

Широкополосный (190 МГц, 170 В/мкс) Rail to Rail усилитель с однополярным питанием LMH6639 способен обеспечить выходной ток 190 мА. Имеется режим блокировки (Shutdown) с временем включения 85 нс, в котором ток потребления снижается до 400 мкА. Вкупе с малым временем установки выходного напряжения 33 нс, данный усилитель прекрасно подходит для работы в устройствах с мультиплексированием, в качестве буферного усилителя, устройствах привода CD ROM и т.п.

Заслуживает внимания быстродействующий сдвоенный усилитель LMH6672 с максимальным выходным током 600 мА. Усилитель скорректирован для коэффициента усиления 2 и более, обеспечивая полосу пропускания 130 МГц и скорость нарастания выходного напряжения 160 В/мкс. Диапазон напряжений питания от 5 до 12 В, потребляемый ток 6,2 мА на канал. ОУ имеет малый уровень шумов, предусмотрена балансировка. Выпускается в корпусах SOIC, PSOP и LLP. Предназначен для использования в качестве магистрального усилителя, а также в модемах и аналогичных устройствах. Можно использовать для замены LM6181/2, LM7171 и LM7372.

Усилители LMH6654/5 (одиночный/сдвоенный) более широкополосные. Ток потребления 4,5 мА на канал, частота единичного усиления 250 МГц, скорость нарастания выходного напряжения 200 В/мкс, типовое значение выходного тока 180 мА. Они имеют низкий уровень входных шумов 4,5 нВ и 1,7 пА, малое время установки выходного напряжения 25 нс и могут быть использованы в различных устройствах. Выпускаются в корпусах SOIC-8, а также SOT23-5 (LMH6654) и MSOP-8 (LMH6655).

Усилители LMH6657/8 и LMH6682/3 - сравнительно недорогие сверхскоростные ОУ с однополярным питанием от 3 до 12 В. Выпускаются с использованием фирменной технологии VIPTM10. Удобны для применения в устройствах обработки видеосигналов и в сервоприводах CD/DVD так как имеют малое время установки и не допускают инверсии фазы выходного напряжения при превышении допустимых значений входного напряжения (LMH6682/3), что позволяет существенно упростить схемотехнику подобных устройств.

Усилители LMH6657/8 (одиночный/сдвоенный) скорректированы для работы с единичным коэффициентом усиления, обеспечивая при этом олосу пропускания 270 МГц и скорость нарастания выходного напряжения 700 В/мкс. Потребляемый ток 6,2 мА на канал, выходной ток +80/-90 мА.

Усилители LMH6682/3 (сдвоенный/строенный), обеспечивают скорость нарастания выходного напряжения 940 В/мкс при полосе пропускания 190 МГц. Следует отметить, что данные усилители обладают очень малыми коэффициентами искажений типа "дифференциальная фаза" - 0,08% и "дифференциальное усиление" - 0,01 дБ, что является весьма важным для высококлассной видеотехники. Выпускаются в различных корпусах.

Для работы в различных видеоустройствах предназначены сверхбыстродействующие усилители со скоростью нарастания выходного напряжения более 1000 В/мкс. В серии LM это LM6171/2 и LM6181/2 (единичный/сдвоенный), изготовленные с использованием фирменной технологии VIPTM11. Первый из них выполнен по схемотехнике VFA и обеспечивает при потребляемом токе всего 2,5 мА скорость нарастания выходного напряжения 3600 В/мкс при частоте единичного усиления 100 МГц. LM6181/2 выполнен по схемотехнике с токовой обратной связью CFA и обеспечивает выходное напряжение +10 В при сопротивлении нагрузки 100 Ом. Скорость нарастания выходного напряжения составляет 2000 В/мкс при частоте единичного усиления 100 МГц. Описанные усилители при том, что относятся к категории "с мощным выходом" - High Output - максимальное значение выходного тока достигает 130 мА, имеют очень малые искажения типа "дифференциальное усиление" и "дифференциальная фаза" и могут найти применение в видеоаппаратуре стандартов NTSC и PAL, высокочастотных фильтрах и т.п. Они также выпускаются в корпусах SOIC и MDIP.

Усилитель LMH6609 предназначен для использования в аналоговых преобразователях и фильтрах. При частоте единичного усиления 900 МГц и скорости нарастания выходного напряжения 1400 В/мкс, он потребляет от однополярного источника питания напряжением 10 В ток 7 мА. Усилитель полностью скорректирован, имеет очень низкий уровень шумов 3,1 нВ/Ц Гц и большой выходной ток 90 мА. Выпускается в 8-выводном корпусе SOIC и 5-и выводном SOT.

Очень низкий уровень шумов и высокие рабочие частоты имеют усилители LMH6622-28 . У LMH6624 этот параметр составляет 0,92 нВ/Ц Гц и 2,3 пА/Ц Гц, а частота единичного усиления 1500 МГц. Усилитель скорректирован для использования в устройствах с коэффициентом передачи 10 и более и предназначен для применения в технике связи и медицинской аппаратуре. Малые шумы и погрешности характерны для сдвоенного широкополосного усилителя LMH6628 , у которого относительный уровень 2-й/3-й гармоники на частоте 10 МГц составляет -65/-74 дБ соответственно, а время установки выходного напряжения с точностью 0,1% - 12 нс. Это делает данный усилитель незаменимым при разработке быстродействующих аналоговых преобразователей и устройств ввода-вывода.

Для использования в портативной видеоаппаратуре и видеокартах ПК предназначен усилитель LM7121 , выпускаемый в корпусе SOT23-5. Параметры усилителя весьма высоки: частота единичного усиления 175 МГц, скорость нарастания выходного напряжения - 1300 В/мкс. Он может работать как при однополярном +5В питании, так и двухполярном в диапазоне от +5 В до +15 В.

Рекордными параметрами обладают сверхскоростные операционные усилители LM7171 (одиночный) и LM7372 (сдвоенный). Выполненные по схемотехнике с обратной связью по напряжению, они имеют параметры, свойственные усилителям с токовой обратной связью - скорость нарастания выходного напряжения 4100 В/мкс, частота единичного усиления 200 МГц, выходной ток 100 мА (LM7171) и 3000 В/мкс, 120 МГц, 150 мА соответственно для LM7372 при потребляемом токе 6,5 мА на канал. Усилители скорректированы для коэффициента усиления по напряжению более 2. Обладая минимальными искажениями "дифференциальное усиление и фаза" 0,01% и 0,02o, эти усилители прекрасно подходят для применения в видеотехнике, аппаратуре кабельных и оптических линий связи, системах радио и телевизионного вещания. Выпускаются в различных типах корпусов.

Серия сверхскоростных ОУ LMH67xx выполнена по фирменному технологическому процессу VIPTM10 по схемотехнике с токовой обратной связью CFA и предназначена для использования в широкополосных радио и телесистемах. Обзор этих микросхем мы начнем с LMH6702 - малошумящего (напряжение шумов, приведенное ко входу 1,83 нВ) ОУ с рекордно низким уровнем гармонических (-100 дБ на частоте 5 МГц) и интермодуляционных искажений, полосой пропускания 720 МГц и скоростью нарастания выходного напряжения 3100 В/мкс. Столь высокие параметры ориентируют применение LMH6702 в системах с высоким разрешением и контрольно-измерительной аппаратуре. Выпускается в корпусах SOIC и SOT-23.

Семейство усилителей LMH6714/15/20/22 (одиночный/сдвоенный/с блокировкой/счетверенный) с полосой пропускания 400 МГц при коэффициенте усиления 2 и скорости нарастания выходного напряжения 1800 В/мкс при потребляемом токе 5,6 мА предназначены, в основном, для использования в видеосистемах. Высокоимпедансное выходное состояние усилителя LMH6720, переключаемое за 7 нс TTL уровнем, очень удобно для мультиплексирования нескольких высокоскоростных сигналов на общую линию передачи. Счетверенный усилитель LMH6722 может быть эффективно использован в многоканальных УПЧ и активных фильтрах высоких порядков. Выпускаются в различных корпусах.

Усилитель с однополярным питанием от 4,5 до 12 В LMH6723 сочетает высокую экономичность (потребляемый ток 1 мА) с широкой полосой пропускания 370 МГц, высокой скоростью нарастания выходного напряжения 600 В/мкс и большим выходным током 110 мА, что делает его незаменимым для портативных видеоустройств и всевозможных преобразователей с автономным питанием, магистральных усилителей, портативных CD-DVD плейеров и т.п. Выпускается в корпусах SOIC и SOT23.

Завершая раздел, мы рассмотрим широкополосный ОУ LMH6732 с регулируемой от 0 до 1,5 ГГц полосой пропускания. Изменяя сопротивление одного внешнего резистора, можно варьировать потребляемый ток более чем в 10 раз, а также переводить микросхему в дежурный режим с током потребления 1 мкА. Параметры микросхемы уникальны при всех значениях потребляемого тока: полоса частот 55 МГц, скорость нарастания выходного напряжения 400 В/мкс, выходной ток 9 мА при потребляемом токе 1 мА и 540 МГц, 2700 В/мкс и 115 мА соответственно при потребляемом токе 9 мА. Усилитель способен работать при одно- и двухполярном питании размахом от 9 до 12 В. Область предполагаемых применений крайне широка - видеотехника, системы с батарейным питанием, коммутационные устройства и т.п. Отметим, что для сокращения времени проектирования устройств с LMH6732 фирма National Semiconductor предлагает к нему демонстрационную плату.

Таким образом, широкая номенклатура интегральных операционных усилителей National Semiconductor и их невысокая стоимость делает их весьма привлекательными для широкого круга разработчиков РЭА России. Более подробную техническую информацию можно найти на сайте фирмы http://www.national.com .

Исполнение			Корпус	Диапазон температур	Диапазон напряжения питания		Потребляемый ток на один канал	Выходной ток	Тип входа и выхода	Входной ток	Напряжение смещения		Температурный коэффициент напряжения смещения	Коэффициент усиления	Коэффициент подавления синфазного сигнала	Коэффициент влияния нестабильности источников питания	Частота единичного усиления.	Скорость нарастания.	Напряжение шумов
					Supply Voltage		I quies	I out	In - Out	I bias	U offset		Drift	A vo	CMRR	PSRR	BW	SR	e noise
Single(одиночный)	Doble(сдвоенный)	Quad(счетверенный)	Package		В		мА	мА	R to R	нА	мВ		мкВ/C	дБ	дБ	дБ	МГц	В/мкс	нВ/Ц Гц
					мин	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

*строенный усилитель

Компания National Semiconductor, основанная в 1959 году, прошла огромный путь от производства первых дискретных транзисторов до сложнейших современных микроэлектронных устройств. Одним из приоритетных направлений деятельности фирмы на протяжении всего ее существования была разработка интегральных операционных усилителей (ОУ).

В 1968 году инженерами National Semiconductor был создан первый в мире двухкаскадный операционный усилитель LM101, положивший начало целому направлению в построении всевозможных аналоговых электронных устройств. Современные операционные усилители National Semiconductor соответствуют, а по многим параметрам и превосходят мировой уровень устройств данного класса, при этом имеют цены существенно меньшие, чем у других фирм, позволяя разработчикам успешно решать широкий круг задач по созданию различной электронной аппаратуры.

Большинство современных интегральных операционных усилителей выполняются по схеме прямого усиления с дифференциальными входами и рассчитаны на симметричное двухполярное питание (хотя все чаще используется и однополярное). Кроме двух входов, выхода и выводов питания, операционный усилитель может также иметь выводы для балансировки, коррекции, программирования (задания определенных параметров величиной управляющего тока) и другие.

В идеальном случае операционный усилитель должен иметь бесконечный коэффициент усиления по напряжению, бесконечно большое входное и бесконечно малое выходное сопротивления, бесконечно большую амплитуду выходного сигнала, бесконечно большой диапазон усиливаемых частот и отсутствие шумов. Параметры операционных усилителей не должны зависеть от внешних факторов, напряжения питания и температуры. При соблюдении этих условий передаточная характеристика операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью (ООС), точно соответствует передаточной характеристике цепи ООС и не зависит от параметров самого усилителя.

Реальные операционные усилители имеют характеристики, отличающиеся от идеальных, что является поводом для их всесторонней классификации. Реальный операционный усилитель - это компромисс взаимоисключающих требований с достижением наилучших свойств по одному или нескольким параметрам, каковыми могут являться: минимизация напряжения смещения и входных токов, достижение максимальной полосы усиливаемых частот и скорости нарастания выходного напряжения, уменьшение потребляемого тока и питающего напряжения и другие. Параметры операционного усилителя можно разделить на несколько групп - входные, выходные, усилительные, частотные, энергетические, шумовые и т. д. . Наряду с эксплуатационными параметрами, определяющими номинальный температурный режим работы операционного усилителя, допустимые параметры входных и выходных цепей и требования к источникам питания, весьма важными являются также максимально возможные значения ряда параметров, превышение которых не допускается. В настоящее время сложилась определенная (хотя и не очень строгая) классификация операционных усилителей по сочетанию различных параметров, отражающая их предпочтительное использование в том или ином классе устройств. Отметим также, что параметры операционных усилителей в значительной степени определяются их схемотехникой и используемой полупроводниковой технологией.

Фирма National Semiconductor использует следующую классификацию операционных усилителей, которая частично проявляется в первых двух-трех буквах маркировки микросхем, выпускаемых фирмой:

1. Усилители общего применения (General Purpose - LM, LMC) - коэффициент усиления до 100 дБ, напряжение смещения более 1 мВ, частота единичного усиления до 10 МГц.
2. Маломощные (Low Power - LP, LPV) - ток потребления менее 1,5 мА.
3. Микромощные (Micro Power - LP, LPV) - ток потребления менее 25 мкА.
4. Низковольтные (Low Voltage - LMV) - напряжение питания менее 3 В.
5. Прецизионные (Precision - LMP) - коэффициент усиления более 100 дБ, напряжение смещения менее 1 мВ.
6. Быстродействующие (High Speed - LMH) - частота единичного усиления более 50 МГц.
7. Малошумящие (Low Noise) - напряжение шумов менее 10 нВ/Гц 1/2 .
8. Мощные (High Output Power) - выходной ток более 100 мА.
9. С выходным и входным напряжением, близким к напряжению питания (Rail to Rail Output/Input).

В усилителях Rail to Rail максимальная и минимальная амплитуда выходного напряжения практически совпадают с соответствующими значениями напряжения питания, а допустимые значения синфазного входного напряжения равны или даже могут выходить за пределы напряжения питания. Последнее используется, например, в усилителях с однополярным питанием с возможностью подачи на вход отрицательного напряжения.

Как уже было сказано выше, данное разделение по понятным причинам не является строгим, буквенная классификация также не всегда соблюдается, операционный усилитель может быть одновременно низковольтным, быстродействующим, малошумящим, с выходным напряжением, близким к напряжению питания, и т. п. Кроме того, операционные усилители одного типа выпускаются в различных корпусах, а также по два, три или четыре усилителя в одном корпусе (многоканальные) и, наконец, в исполнениях, предназначенных для общего (Commercial - C), промышленного (Industrial - I, E) и военного применения (Military - M), отличающихся по ряду параметров, в частности, по диапазону рабочих температур (C: 0...+70 °C; I: –40...+85 °C; E: –40...+125 °C; M: –55...+125 °C).

Следует также отметить, что наряду с освоением производства новых изделий фирма непрерывно занимается усовершенствованием и развитием операционных усилителей, выпускавшихся ранее, что хорошо видно, например, на широко известном недорогом и очень популярном семействе маломощных счетверенных операционных усилителей с однополярным питанием (Single Supply) LM124/224/324/2902 и током потребления 0,2–0,4 мА на канал. Выпускается ряд их модификаций: LP324/LP2902 - микромощные с током потребления 21 мкА, LMV324 - низковольтный, с напряжением питания от 2,7 до 5,5 В, LPV324 - микромощный низковольтный с током потребления 9 мкА, изготавливаемый по фирменной технологии BiCMOS, и другие .

Отметим также, что для современных операционных усилителей, как, впрочем, и для других интегральных микросхем, имеется тенденция к уменьшению габаритов и все более широкому использованию корпусов для поверхностного монтажа. Широко распространенные ранее корпуса DIP и TSSOP заменяются на значительно меньшие SOIC, SOT-23 и SC-70 (последний имеет размеры 2×2×1 мм); ряд микросхем для поверхностного монтажа выпускается в особо малогабаритных корпусах microSMD с размерами 1,285×1,285×0,85 мм и менее.

В нашей предыдущей статье были рассмотрены быстродействующие операционные усилители National Semiconductor. Здесь мы остановимся на других типах операционных усилителей, выпущенных фирмой в последние годы. Обзор начнем с усилителей, основные параметры которых при напряжении питания 5 В приведены в таблице 1 и соответствуют операционным усилителям общего применения.

Таблица 1. Основные параметры современных операционных усилителей общего применения National Semiconductor

Операционные усилители общего применения

Как видно из таблицы 1, большая часть этих усилителей - низковольтные и мало- и микромощные в миниатюрных корпусах, что отражает современные тенденции проектирования электронной аппаратуры.

Семейство операционных усилителей LMV341/2/4 предназначено для использования в портативной аппаратуре с автономным питанием. Операционные усилители отличаются очень высокими параметрами по входному току и шумам. В режиме отключения (Shutdown) потребляемый ток уменьшается до типового значения всего 45 пА, а время перехода в рабочий режим не превышает 5 мкс. Усилители выпускаются в различных корпусах, в том числе, и в SC70-6L, весьма подходящем для размещения на материнских платах персональных компьютеров и ноутбуков. Отметим, что данные усилители работоспособны в расширенном температурном диапазоне (до 125 °С).

Характерной особенностью семейств операционных усилителей LMV931/2/4 и LMV981/2 (c режимом отключения Shutdown) является очень низкое минимальное напряжение питания 1,8 В, в связи с чем они позиционируются фирмой для применения в аппаратуре, питающейся от одного Li-Ion гальванического элемента, а также для систем контроля питания. Особенностями этих усилителей являются также вход и выход Rail to Rail и весьма высокий (101 дБ) коэффициент усиления при сравнительно малом уровне шумов, что дает возможность использовать данные операционные усилители в аудиоаппаратуре с низковольтным питанием.

Семейства операционных усилителей LMV321/358/324 и LPV321/358/354 (низковольтный и микромощный вариант соответствующих сверхпопулярных операционных усилителей серии LM), а также усилители LM2904/02 в миниатюрном корпусе microSMD и LP2902 (аналоги LM358/324 и LP324) являются классическими современными операционными усилителями общего применения и могут быть использованы в широком классе устройств. Отметим, что LM2904/02 и LP2902 могут работать при одно- и двухполярном питании с размахом от 3 до 32 В.

Операционный усилитель LMV301 - это CMOS-вариант LMV321. Он отличается крайне малым входным током и низким минимальным напряжением питания усилители в миниатюрном корпусе SC70 и может использоваться в устройствах выборки-хранения, усилителях сигналов фотодатчиков и других устройствах с батарейным питанием.

Операционные усилители семейства LMV821/22/24 отличаются сравнительно большим быстродействием (частота единичного усиления 5 МГц, скорость нарастания выходного напряжения 1,4 В/мкс) при малом энергопотреблении. Они также имеют хорошие параметры по напряжению смещения и его дрейфу (3,5 мВ и 1 мкВ/°С соответственно). Выпускаются в различных корпусах и предназначены для использования в технике связи - модемах, беспроводных и мобильных телефонах и других устройствах.

Операционный усилитель LMC7101 с входом и выходом Rail to Rail и его микромощный вариант LMC7111 выполнены по технологии CMOS в миниатюрных корпусах и предназначены для применения в различной портативной аппаратуре с автономным питанием. Благодаря очень малому входному току они могут использоваться в устройствах выборки-хранения и других, требующих большого входного сопротивления (гарантированное значение не менее 1 ТОм).

Заслуживает внимания операционные усилители LM7301 с входом и выходом Rail to Rail, сочетающий очень высокие значения различных параметров, в частности, широкий диапазон напряжения питания, относительно большое быстродействие, высокие коэффициенты усиления и подавления синфазных сигналов, а также CMOS операционные усилители LMC8101 с возможностью отключения. Эти усилители выпускаются в миниатюрных корпусах SOT-23 и microSMD и могут быть использованы в различных устройствах с соответствующими параметрами.

Сравнительно мощные и быстродействующие операционные усилители LM8261/2 и LM8272 с входом и выходом Rail to Rail и не лимитированной емкостью нагрузки предназначены для применения в схемах драйверов для жидкокристаллических экранов, выходных каскадов ЦАП, усилителей головных телефонов и других устройствах. Они работают в широком диапазоне напряжения питания и отличаются низким уровнем шумов и искажений.

Малошумящие операционные усилители семейства LMV721/2 предназначены для применения во входных каскадах усилительной аппаратуры, в том числе и с батарейным питанием. Выпускаются в миниатюрных корпусах и бескорпусном исполнении для встраивания в различные устройства, например, электретные микрофоны.

Прецизионные операционные усилители

Далее перейдем к рассмотрению последних разработок прецизионных операционных усилителей National Semiconductor, основные параметры которых при напряжении питания 5 В приведены в таблице 2. В дополнение к параметрам операционных усилителей общего применения для прецизионных усилителей весьма важными являются температурный дрейф напряжения смещения, коэффициент усиления и коэффициенты подавления синфазных сигналов (Common Mode Rejection Ratio - CMRR) и влияния нестабильности напряжения питания (Power Supply Ripple Rejection - PSRR).

Таблица 2. Основные параметры современных прецизионных операционных усилителей National Semiconductor

Семейства операционных усилителей LMC6081/2/4 и LMC6482/4 - с входом и выходом Rail to Rail выполнены по технологии CMOS и представляют типовые прецизионные операционные усилители, способные работать с однополярным питанием. Выпускаются также их микромощные аналоги с током потребления 20 мкА и пониженным быстродействием - LMC6061/2/4 и LMC6462/4. Область применения этих операционных усилителей - инструментальные усилители, устройства обработки сигналов, усилители сигналов пьезодатчиков и датчиков излучения, медицинская аппаратура (усилители биопотенциалов) и т. п.

Отличительной особенностью операционных усилителей LMC6001 является ничтожно малое типовое значение входного тока 10 фА и, соответственно, способность работать в электрометрических устройствах, приборах для измерения токов утечки, детекторах излучения, различной научной аппаратуре и т. п. Примечательна методика, используемая фирмой для тестирования каждой из только что изготовленных микросхем LMC6001 - 3 раза подряд в первую минуту. Экземпляры с входным током более 25 фА отбраковываются. Достоинством операционных усилителей является также низкий уровень шумов 22 нВ/Гц 1/2 и наличие защиты от электростатического потенциала до 2000 В. Выпускается в корпусах MDIP и круглом металлостеклянном корпусе MCAN. Отметим, что успешное применение операционных усилителей с малыми входными токами возможно только при отсутствии токов утечки по поверхности монтажной платы. Величина этих токов может на несколько порядков превышать входные токи усилителя и, следовательно, вызвать значительное смещение его нуля. Выходом из положения является создание на печатной плате специальных охранных колец вокруг входов операционных усилителей или соединение входов усилителя с другими элементами схемы вне платы. Образцы рисунков печатных плат для монтажа усилителей со сверхмалыми входными токами имеются на сайте компании.

Малошумящие прецизионные операционные усилителеи LMV751 и LMV771/2/4 с выходом Rail to Rail и однополярным питанием выпускаются в миниатюрных корпусах и предназначены для применения во входных каскадах различной аппаратуры. Они отличаются повышенным быстродействием и малыми искажениями, что дает возможность использовать данные операционные усилители в высококачественной аппаратуре с низковольтным питанием.

Следует отметить, что National Semiconductor выпускает специальные операционные усилители - сдвоенный LM833 и счетверенный LM837 (в таблице не представлены) - для использования в аудиотехнике класса Hi-Fi. По своим параметрам эти усилители приближаются к прецизионным и отличаются малым напряжением смещения (0,3 мВ), высоким коэффициентом усиления (110 дБ), очень низким уровнем шумов в звуковом диапазоне (4,5 нВ/Гц 1/2) и чрезвычайно малыми нелинейными искажениями (0,0015%). Операционные усилители скорректированы для любого коэффициента усиления вплоть до единичного, и наряду с использованием в предварительных УЗЧ их можно применять в самой различной аппаратуре для усиления слабых сигналов.

Последнее достижение National Semiconductor - это основанная на уникальной технологии непрерывной коррекции смещения на входе серия доступных по цене ультрапрецизионных операционных усилителей LMP2011/2/4 с ничтожно малыми величинами напряжения смещения (типовое значение 0,8 мкВ) и его температурного дрейфа (0,015 мкВ/°С). В отличие от операционных усилителей других фирм, в которых используется метод коррекции нуля сравнительно низкочастотной стабилизацией прерыванием , создающей значительные шумы и искажения сигнала, в LMP201x частота коррекции составляет 35 кГц, что позволяет перенести основной шумовой спектр в высокочастотную область, достигнув тем самым очень низкого уровня шумов и искажений в диапазоне частот до нескольких десятков килогерц. В целом совокупность великолепных характеристик операционных усилителей LMP201x, таких, как сверхмалое смещение и дрейф, весьма высокие для прецизионных операционных усилителей полоса пропускания и скорость нарастания выходного напряжения в сочетании с низкими шумами и малым потребляемым током, дает возможность применять эти микросхемы в широком классе устройств с повышенной точностью и температурной стабильностью.

В заключение обзора прецизионных операционных усилителей рассмотрим еще одну недавнюю разработку National Semiconductor - семейство прецизионных дифференциальных усилителей с фиксированным коэффициентом усиления и сверхшироким диапазоном входных синфазных напряжений LMP8270/1, предназначенных для применения в токоизмерительных устройствах, автомобильной электронике и других схемах, в которых необходимо выделить слабый дифференциальный сигнал на фоне очень большого синфазного напряжения.

Структура и типовая схема включения усилителя LMP8271 в схеме измерителя тока представлены на рис. 1. Микросхема содержит патентованное входное устройство сдвига уровня и двухкаскадный усилитель с общим коэффициентом усиления 20. LMP8270 отличается отсутствием вывода OFFSET. В типовой схеме включения связь между каскадами осуществляется через простейший RC-фильтр нижних частот с внешним конденсатором.

Рис. 1. Структура и типовая схема включения усилителя LMP8271

Усилитель LMP8270 выделяет входной сигнал только положительной полярности, в то время как LMP8271 может усиливать и отрицательный сигнал. Возможность усиления отрицательного входного напряжения V IN достигается благодаря сдвигу уровня выходного напряжения V OUT на некоторую постоянную величину согласно графикам, приведенным на рис. 2. Сдвиг производится подачей управляющего напряжения на специальный вход микросхемы LMP8271 OFFSET. Если вход OFFSET соединен с общим проводом, LMP8271 выделяет только положительный входной сигнал. При подаче на вывод OFFSET напряжения питания V S к выходному напряжению усилителя прибавляется половина напряжения питания, и таким образом вход усилителя становится биполярным. В принципе, на вход OFFSET можно подавать любое напряжение V X от 0 до V S , при этом к выходному напряжению прибавляется величина V X /2.

Рис. 2. Зависимость входного и выходного напряжения усилителя LMP8271 от управляющего сигнала OFFSET

Программируемые операционные усилители

National Semiconductor выпускает ряд операционных усилителей, параметрами которых можно управлять путем изменения тока через специальный вывод микросхемы, - так называемые программируемые операционные усилители. Новейший образец программируемого операционного усилителя - сдвоенный усилитель LMV422 - интересен тем, что может работать в двух режимах, обычном и экономичном, при этом, естественно, параметры усилителя ухудшаются, но основные функции сохраняются, что может быть весьма полезным, например для поддержания аппаратуры в «ждущем» состоянии, переходе на резервное питание и т. п. В нормальном режиме (Full; управляющий вывод PS заземлен) операционные усилители потребляет ток 400 мкА и имеет параметры, близкие к прецизионным усилителям (см. табл. 1). В экономичном режиме (Low; на управляющий вывод PS подано напряжение более 4,5 В) потребляемый ток снижается до 2 мкА, и усилитель становится ультрамикромощным. Каждый усилитель микросхемы имеет свой независимый вывод управления PS. Операционные усилители LMV422 скорректированы для коэффициента усиления больше 2, выпускаются в 10-выводном корпусе MSOP.

Комбинированные устройства

Тенденция к уменьшению габаритов электронной аппаратуры подводит разработчиков к созданию различных комбинированных устройств на основе операционных усилителей. В частности, для нужд видеотехники фирма National Semiconductor выпускает наборы быстродействующих операционных усилителей с мультиплексорами LMH6570/2/4, параметры которых приведены в таблице 3.

Таблица 3. Основные параметры усилителей-мультиплексоров National Semiconductor

Микросхема LMH6572 содержит три комплекта мультиплексоров 2:1 и высококачественных буферных усилителей с коэффициентом усиления 2, а LMH6570 и LMH6574 - соответственно 2 и 4 буферных усилителя, мультиплексор и высококачественный быстродействующий операционный усилитель с очень высокими параметрами по частотным характеристикам, скорости нарастания выходного напряжения, нелинейным искажениям и шумам, что позволяет использовать их в различных устройствах обработки и усиления видеосигналов, мониторах, многоканальных АЦП, аппаратуре телевидения высокой четкости и др. Как и все операционные усилители National Semiconductor, ориентированные на видеоприложения, операционные усилители микросхем LMH6470/2/4 обеспечивают минимальные значения специфических для видеосигналов искажений типа «дифференциальное усиление» и «дифференциальная фаза» . Структура и типовая схема включения мультиплексора LMH6570 и таблица его состояний приведены на рис. 3. Управление работой мультиплексора производится стандартными логическими уровнями на контактах SEL и SD.

Рис. 3. Структура и типовая схема включения мультиплексора LMH6570 и таблица его состояний

Во многих схемах электропитания и других устройствах часто используются операционные усилители вместе с источниками опорного напряжения (ИОН). National Semiconductor выпускает несколько комбинированных микросхем, содержащих два и более операционных усилителей с фиксированным или регулируемым ИОН. Для примера рассмотрим микросхему LM432, состоящую из двух операционных усилителей, аналогичных популярному LM358, и источника фиксированного опорного напряжения 2,5 В с выходным током до 10 мА и нестабильностью не более 4 мВ в диапазоне температур от 40 до +85 °C. Структура микросхемы приведена на рис. 4. Диапазон ее применений может быть самый разнообразный - простейшие линейные стабилизаторы напряжения, устройства ШИМ импульсных преобразователей и др.

Рис. 4. Структура микросхемы LM432

Аналоговые компораторы

В ассортименте продукции National Semiconductor имеется также большое число интегральных аналоговых компараторов, производством которых с большим успехом фирма занимается уже много лет. В частности, представленная в 1970 году серия компараторов с однополярным питанием LM139/239/339 оказалась настолько удачной, что ее модификации LM193/293/393/2903 и другие выпускаются и в настоящее время несколькими фирмами в разных странах.

Наряду с общими для операционных усилителей параметрами для компараторов весьма важным является время переключения (Response Time) - промежуток времени от начала сравнения входных напряжений до момента, когда выходное напряжение достигает соответствующего логического уровня. Современные низковольтные компараторы обычно выполняются по технологии BiCMOS, которая позволяет совместить высокое быстродействие и низкий уровень шумов с малым энергопотреблением, а также получить выходное напряжение, близкое к напряжению питания. Как и операционные усилители, компараторы можно условно разделить на универсальные или общего применения, быстродействующие, микромощные, с выходом Rail to Rail, прецизионные и т. п., причем для их маркировки National Semiconductor использует ту же систему, что и для операционных усилителей. Основные параметры современных компараторов National Semiconductor при напряжении питания 5 В приведены в таблице 4.

Таблица 4. Основные параметры современных аналоговых компараторов National Semiconductor

Семейство универсальных компараторов, приведенное в первой строке таблицы, выполнено по биполярной технологии с выходом в виде открытого коллектора (ОК), работоспособно в широком диапазоне напряжений питания (как двухполярного, так и однополярного) и по выходному напряжению совместимо с различными типами цифровых логических устройств: TTL, CMOS, ECL и др. Новейшие компараторы семейства выполнены в миниатюрных корпусах microSMD и предназначены для использования в портативных устройствах с автономным питанием.

Компараторы LMV331/393/339 - это низковольтный вариант предыдущего семейства, выполненный по технологии BiCMOS. Они позиционируются для применения в устройствах с однополярным питанием от 2,7 до 5 В.

Счетверенный микромощный компаратор LP339 выполнен по биполярной технологии и предназначен для применения совместно с логическими устройствами CMOS в широком диапазоне напряжений питания. Примечательно, что величина потребляемого одним компаратором тока (15 мкА) от напряжения питания не зависит.

Микромощные CMOS-компараторы LMC7211 с двухтактным выходом (2Т) и LMC7221 с выходом в виде открытого стока (ОС) выпускаются в миниатюрных корпусах SOT23 и предназначены для применения в различных портативных устройствах - ноутбуках, мобильных телефонах и т. д. Еще большей экономичностью обладают аналогичные компараторы LMC7215 и LMC7225 с потребляемым током всего 0,7 мкА. Эти компараторы имеют вход и выход Rail to Rail и предназначены для использования в схемах с режимом ожидания.

Последние разработки компараторов National Semiconductor выполнены по технологии BiCMOS и отличаются уникальным сочетанием различных параметров. Современные универсальные компараторы LMV7235/39 обеспечивают время переключения 45 нс при потребляемом токе 65 мкА. Высокоскоростной вариант LMV7219 имеет время переключения 7 нс, а низковольтные модификации LMV7271/2/5 и LMV7291 работоспособны при напряжении питания 1,8 В. Четкое переключение компараторов при сравнении медленно меняющихся входных сигналов гарантируется внутренним гистерезисом схемы. Все компараторы серии LMV72xx выпускаются в миниатюрных корпусах.

Прецизионные одиночный и сдвоенный CMOS-компараторы LMV761/2 отличаются весьма малыми величинами напряжения смещения и входного тока при сравнительно высоком быстродействии. Компаратор LMV761 имеет режим отключения (Shutdown), при котором потребляемый ток снижается до 0,2 мкА, а выход компаратора переходит в высокоимпедансное состояние. Время перехода в рабочий режим не превышает 4 мкс. Отметим, что по техническим условиям для этих микросхем неиспользуемый вывод отключения SD нельзя оставлять свободным, а следует соединить его с положительным выводом питания.

В ассортименте продукции National Semiconductor имеется ряд комбинированных микросхем на основе аналоговых компараторов. Это, например, детектор спада напряжения питания LMS33460, формирующий активный (нулевой) уровень при снижении напряжения питания устройства до 3 В. Структура микросхемы LMS33460 и типовая схема ее включения приведены на рис. 5.

Рис. 5. Структура микросхемы детектора спада напряжения питания LMS33460 (а) и его типовая схема включения (б)

В состав микросхемы LMS33460, выполненной в миниатюрном корпусе SC70-5, входит прецизионный ИОН, компаратор с гистерезисом и выходной каскад с открытым стоком. Диапазон входных напряжений микросхемы - 0,8–7 В, величина потребляемого тока не превышает 1 мкА, при этом время переключения в активное состояние составляет 70 мкс.

Выбор нужного операционного усилителя

Для сокращения затрат времени на выбор и тестирование операционных усилителей National Semiconductor создала удобную онлайновую технологию Amplifiers Made Simple, являющуюся частью программной оболочки WEBENCH, размещенной на сайте фирмы. Новое интерактивное средство имеет мощную систему поиска, позволяющую быстро и точно находить нужный компонент среди массы других изделий, каждое из которых обладает множеством разнообразных электрических характеристик.

На первом этапе Amplifiers Made Simple дает возможность выбрать оптимальный тип операционного усилителя, соответствующий требованиям пользователя. Затем производится поиск операционных усилителей среди изделий фирмы National Semiconductor, в результате чего выявляются операционные усилители, наилучшим образом подходящие для решения данной конкретной задачи. Как и все прочие инструментальные средства семейства WEBENCH, Amplifiers Made Simple является абсолютно бесплатным. Различные инструменты семейства интегрированы друг с другом, что создает дополнительные удобства для пользователя.

Благодаря средству Amplifiers Made Simple разработчику электронных устройств больше нет необходимости производить трудоемкие расчеты схем и дорогостоящее физическое макетирование. Технология обеспечивает мгновенный доступ к самым последним SPICE-моделям, параметрам и иной информации об операционных усилителях National Semiconductor, а также позволяет пользователю проводить сравнение характеристик нескольких устройств одновременно. Компания National Semiconductor гарантирует поставку любых поддерживаемых средствами WEBENCH продуктов в течение 24 часов.

Широкая номенклатура и невысокая стоимость интегральных операционных усилителей National Semiconductors, а также возможность онлайнового выбора делает их весьма привлекательными для широкого круга разработчиков РЭА. Информацию по рассмотренным операционным усилителям, а также другим компонентам производства компании National Semiconductor вы можете найти по адесу http://promelec.ru/lines/nsc.html или на сайте производителя www.national.com.

Литература

1. Волович Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. М.: Издательский дом «Додэка-XXI». 2005.
2. National Analog Products Databook. 2004 Edition.
3. Штрапенин Г. Л. Быстродействующие операционные усилители фирмы National Semiconductor // Chip News. 2003. № 10.

Электропитание

Дифференциальный усилитель на ОУ с однополярным питанием – включение

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

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

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

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

Обозначаются они в схемах так.

ОУ с однополярным питанием

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

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

К преимуществам однополярного питания ОУ можно отнести следующие:

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

2.Требуется использование только одного источника тока;

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

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

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

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

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

Включение ОУ с однополярным питанием в схемы

Ниже рассмотрим наиболее популярные реализации типовых задач ОУ.

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

Инвертирующий усилитель будет выглядеть следующим образом.

Выходной сигнал будет вычисляться по формуле

Схема будет работать только при положительном Vin.

Ниже изображен ОУ со смещением, подаваемым на неинвертирующий вход.

Более мощный неинвертирующий ОУ будет включаться так.

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

Вариант дифференциального усилителя.

15.07.2019 - 08:24
Может

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

Мобильные электронные системы с питанием от батарей получают все большее распространение.
Обычно в них используется однополярное питание напряжением 5 В и меньше. Схемы с однополярным
питанием позволяют уменьшить сложность источника питания и зачастую повысить экономичность
устройств.

Операционные усилители (ОУ) преимущественно используются в схемах с двухполярным питанием, поскольку входные и выходные сигналы ОУ чаще всего могут иметь как положительную так и отрицательную полярность относительно общей шины схемы. В случае, если не инвертирующий вход ОУ соединен с общей шиной, синфазное входное напряжение, вызывающее погрешность преобразования сигнала схемой на ОУ, отсутствует (рис. 1) .

Тогда выходное напряжение ОУ Vout=-Vin R2/R1 .

Если источник входного сигнала не соединен с общей шиной (рис. 2, а) , то разность потенциалов Vсф между общей шиной и выводом источника входного сигнала влияет на выходное напряжение Vout=-(Vin+Vсф)R2/R1 .

Иногда это допустимо, но чаще выходное напряжение усилителя должно обязательно определяться только входным сигналом Vin. В таком случае ОУ используется в дифференциальном включении, причем на второй вход подается смещение, в точности равное Vсф (рис. 2, б) . Напряжение Vсф существует в обеих входных цепях, и, следовательно,
является синфазным входным сигналом. Схема инвертирующего включения ОУ с однополярным питанием приведена на рис. 3.

Здесь входное напряжение привязано не к средней точке источника питания, как это обычно делается в случае двухпоярного питания ОУ, а к отрицательному полюсу источника питания. Эта схема не работает, если входное напряжение положительно, поскольку выходное напряжение должно в этом случае становиться отрицательным, а отрицательного источника питания здесь нет. Для нормальной работы с отрицательными входными сигналами в этой схеме следует использовать ОУ, допускающие соединение входов с шинами питания. Непременное требование соединения входов с общей шиной или другим опорным напряжением затрудняет построение схем на ОУ с однополярным питанием. Наиболее естественно использовать однополярное питание операционных усилителей тогда, когда источник входного сигнала однополярный, например, фотодиод (рис. 4) .

В других случаях могут использоваться различные способы смещения входных и выходных напряжений ОУ.

Смещение ОУ с однополярным питанием

На рис. 5 представлены три основные схемы подключения источника смещения при однополярном питании ОУ.

Схема на рис. 5, а представляет собой инвертирующий сумматор,

на рис. 5, б -дифференциальный усилитель,

а на рис. 5, в - неинвертирующий сумматор.

В общем случае связь между входными и выходными напряжениями в этих схемах можно представить уравнением

Vout= kVin+b . (3)

Уравнению (3) соответствует график статической переходной характеристики схемы с ОУ в виде прямой
линии (рис. 6) .

таблица 1.

В табл. 1 приведены значения постоянных k и b для уравнения (2), соответствующих схемам на рис. 5 . Если в схеме на рис. 5, б поменять местами источники V IN и V OF , то такому включению соответствует нижняя строка в графе «Рис. 5, б» табл. 1.
Схемы и значения постоянных k и b выбираются так, чтобы при любых возможных значениях входного напряжения
V IN выполнялось условие 0 < V OUT < V S . (4)
Обычно k определяется необходимым усилением схемы, поэтому разработчик может выбрать только конфигурацию схемы и постоянную b. Более подробно смещение ОУ при однополярном питании рассматривается в . Типовая схема включения ОУ для усиления сигналов переменного тока с питанием от однополярного источника приведена на рис. 7 .

Здесь напряжение смещения равно половине напряжения питания. Резисторы делителя цепи смещения могут быть выбраны достаточно высокоомными, что бы не нагружать источники питания и входного сигнала.

Введение искусственной нулевой точки

От использования цепей смещения можно отказаться, если ввести искусственную нулевую (среднюю) точку, т. е. точку схемы, потенциал которой располагается приблизительно посередине между потенциалами положительного и отрицательного полюсов однополярного источника питания. Для того, чтобы схема могла усиливать биполярные сигналы, источник входного сигнала включается между входом инвертирующего усилителя и искусственной нулевой точкой
(рис. 8) .

При этом, чтобы избежать смещения выходного напряжения, нагрузку R L включают между выходом усилителя и искусственной нулевой точкой. Это усложняет построение цепей, формирующих нулевую точку.

На рис. 9 представлены примеры схем формирования потенциала нулевой точки. Наиболее простым является резистивный делитель напряжения, средняя точка которого соединена с искусственной нулевой точкой 0 (рис. 9, а) . Однако при наличии нагрузки R L ток нагрузки I L протекает через один из резисторов этого делителя, создавая не симметрию напряжений между полюсами источника питания и точкой 0, причем степень этой не симметрии зависит от силы тока
нагрузки. Уменьшение сопротивлений делителя снижает не симметрию этих напряжений, но при этом возрастают потери энергии в делителе.
Схема со стабилитроном (рис. 9, б) обеспечивает хорошую стабилизацию потенциала искусственной нулевой точки относительно отрицательного полюса источника питания. В качестве стабилитрона в этой схеме целесообразно применение двухвыводного источника опорного напряжения (или регулируемого трехвыводного, такого как, например,
(TL431). Эта схема хорошо работает при вытекающем выходном токе ОУ, но для сохранения стабильности потенциала точки 0 при значительном втекающем выходном токе требуется резистор R с низким сопротивлением, что опять-таки
обуславливает повышенные потери. Аналогичные проблемы возникают при использовании для формирования искусственной нулевой точки стабилизатора напряжения с последовательным регулирующим элементом.
Лучшие характеристики имеет схема с операционным усилителем, подключенным по схеме не инвертирующего повторителя к средней точке резистивного делителя напряжения (рис. 9, в) . В данной схеме делитель может быть высокоомным, т. к. он нагружен только входным током покоя операционного усилителя. ОУ сравнивает потенциал на выходе схемы с потенциалом в средней точке делителя и поддерживает напряжение на своем выходе таким, чтобы разность сравниваемых потенциалов была равна нулю. Этот эффект достигается благодаря действию отрицательной обратной связи. При малых токах покоя, потребляемых этой схемой (менее 1 мА), такой активный делитель имеет выходное сопротивление не более 1 Ом.

Еще более эффективно применение специальных микросхем для формирования искусственной нулевой точки (рис. 9, г) . Фирма Texas Instruments (США) выпускает ИМС типа TLE2425. Эта ИМС изготавливается в малогабаритном трех выводном корпусе ТО-92 и обеспечивает ток через искусственную среднюю точку до 20 мА в любом направлении при токе собственного потребления не более 0,25 мА и динамическом выходном сопротивлении не более 0,22 Ом. В том случае, если нагрузка может быть не связана с общей точкой схемы или с какой-либо из шин питания, можно использовать простейший вариант формирования искусственной нулевой точки на резистивном делителе (рис. 9, а) , но с мостовой усилительной схемой (рис. 9, д) .

В этой схеме инвертирующий повторитель на ОУ2 создает на нижнем полюсе нагрузки RL потенциал, противофазный по отношению к потенциалу верхнего ее полюса.Здесь в искусственную нулевую точку втекает ток, равный V IN /R1, поэтому сопротивление резистора R1 следует взять по возможности большим, иначе возможна не симметрия нулевой точки. Дополнительные достоинства этой схемы: увеличение максимальной амплитуды напряжения
на нагрузке в два раза при том же напряжении питания и заметное повышение КПД при полном размахе выходного напряжения.

Расширение динамического диапазона

Снижение напряжения питания ОУ от обычных +15 В до однополярного 5 В значительно уменьшает амплитудный диапазон входного и выходного напряжений. Амплитудный диапазон в данном случае можно определить как разность между максимально и минимально возможными входными (выходными) напряжениями. Применение усилителей, рассчитанных на двухполярное питание, возможно и с однополярным питанием, но, во-первых, при низкой разности потенциалов между выводами питания далеко не все типы таких ОУ имеют приемлемые характеристики (например, коэффициент усиления), а во-вторых, амплитудный диапазон их выходных напряжений сравнительно мал из-за довольно больших напряжений насыщения транзисторов выходного каскада. Размах выходного напряжения обычных усилителей общего применения не доходит до верхнего и нижнего потенциалов источника питания на 1…2 В при номинальной нагрузке. При питании такого усилителя от однополярного источника напряжением 5 В, амплитудный диапазон выхода составит 1…3 В. Это означает серьезное снижение соотношения сигнал/шум и уменьшение разрешающей способности схемы.

В настоящее время для работы от низковольтных источников питания, в том числе и однополярных, разработано большое количество моделей ОУ с полным размахом выхода(«Rail-to-Rail»). Выходное напряжение таких усилителей при работе на холостом ходу может изменяться практически от потенциала отрицательного полюса источника питания до потенциала положительного полюса.

Схемотехника выходных каскадов усилителей с полным размахом выхода и обычных ОУ различна. Выходной каскад обычных ОУ строится по схеме с общим коллектором на комплиментарных транзисторах (рис. 10, а) .

При использовании такого схемного решения минимальное падение напряжения на выходном транзисторе принципиально не может быть снижено. Как следует из схемы на рис. 10, а , источник тока I должен обеспечивать ток коллектора транзистора каскада усиления напряжения VT3 и базовый ток выходного транзистора VT1. Для нормальной работы схемы источника тока необходимо падение напряжения на нем VT1 не менее 1 В. Остальная часть общего падения напряжения приходится на выходной транзистор. Можно уменьшить минимальное падение на транзисторах выходного каскада, включив в выходном каскаде транзисторы по схеме с общим эмиттером (рис. 10, б) . По этой схеме построен выходной каскад, например, ОУ AD823 фирмы Analog Devices.

На рис. 11 представлены графики зависимости напряжения насыщения V SAT выходных транзисторов этого усилителя от тока нагрузки I L для максимального (V S –V OH) и минимального (V OL) выходных напряжений. Очевидно, что при работе усилителя на холостом ходу максимальное выходное напряжение почти достигает напряжения питания, а минимальное - мало отличается от нуля. Еще лучшие характеристики на холостом ходу обеспечивают усилители, у которых выходной каскад построен на комплементарных МОП-транзисторах (рис. 10, в) .
Сопротивления полностью открытого канала верхнего и нижнего МОП-транзисторов выходного каскада ОУ типа TLC2272 фирмы Texas InstRuments составляют, соответственно, 500 и 200 Ом при питании усилителя от однополярного источника 5 В.

Если нагрузка R L включена между выходом ОУ и общей точкой схемы, так как показано на рис. 4 , то при низких выходных напряжениях выходной ток также мал, и напряжение на открытом нижнем транзисторе усилителя весьма близко к нулю (доли милливольта). Если ток нагрузки велик, и нагрузка соединена другим выводом с плюсом источника питания или искусственной нулевой точкой, напряжение на полностью открытом выходном транзисторе может достигать больших значений (более 1 В). В некоторых применениях требуется не только полный размах выхода ОУ, но и полный размах (Rail-to-Rail) допустимых значений входного синфазного напряжения V СФ (вход с полным размахом). Это нужно, например, в схеме неинвертирующего повторителя, согласующего датчик сигнала с аналого-цифровым преобразователем. Для некоторых приложений необходимо, чтобы диапазон входных сигналов был ниже потенциала общей шины на 0,2…0,3 В. Это требуется при однополярном питании инвертирующего усилителя, где на вход должно подаваться отрицательное напряжение (рис. 3) , например, в схеме фотометра (рис. 4) , где полярность напряжения на инвертирующем входе ОУ несколько ниже, чем на неинвертирующем. Усилители, имеющие вход с полным размахом, схемотехнически заметно сложнее, чем обычные. Других преимуществ, кроме возможности работы с широким диапазоном входного синфазного сигнала, они не имеют. Поэтому их следует применять только там, где действительно требуется полный размах входа.

На рис. 12 , а приведена схема дифференциального входного каскада обычного ОУ. Он состоит из двух согласованных структур. Для того, чтобы входной сигнал мог достигать потенциала общей шины используются p-n-p-транзисторы.
Такое построение позволяет подавать на вход потенциал общей шины без нарушения работы входного каскада. При
более низком синфазном входном напряжении поведение входного каскада становится непредсказуемым. Часто наблюдается инверсия входов, при которой меняется знак обратной связи, и происходит переход ОУ в триггерный режим
(так называемое «защелкивание»). Поскольку напряжение на источнике тока V ИТ в схеме на рис. 12, а должно быть не
менее 0,4 В (иначе он просто не будет работать), а напряжение база-эмиттер транзисторов V BE в активном режиме
составляет приближенно 0,6 В, то входной синфазный сигнал должен быть по крайней мере на 1 В меньше напряжения питания.

На рис. 12, б представлен дифференциальный каскад на n-канальных полевых транзисторах с управляюшим p-n-переходом (JFET-транзисторы). Поскольку пороговое напряжение исток-затвор таких транзисторов составляет –2…–3 В, то можно легко обеспечить нормальную работу входного каскада ОУ при небольших отрицательных синфазных входных напряжениях. Именно так построен входной каскад ОУ AD823 с полным размахом выхода. Этот усилитель нормально работает при –1 В < V СФ < V S –1 В.

Если обязательно требуется работа ОУ с полным размахом входного напряжения, то применяют двойной комплементарный дифференциальный каскад (рис. 12, в) . Биполярный вариант, показанный на рис. 12 , в, используется в ОУ типа TLV245x и OP196, КМОП вариант этой схемы - в TLV247х и AD853х. Из схемы ясно, что оба дифференциальных усилителя входного каскада управляются одновременно. Дифференциальный усилитель (ДУ) с p-n-p-транзисторами работает до максимального уровня входных сигналов на 1 В ниже напряжения питания. Для нормальной работы n-p-n-усилителя требуется синфазный сигнал не менее 1 В. Таким образом, в зоне 1 В V S –1 В и V СФ <1 В - только один. Это обстоятельство вызывает довольно значительное изменение входных токов и напряжения смещения нуля (до 3 нА и 70 мкВ у TLV245x) при переходе через
границы этих зон, что может вызвать искажения усиливаемого сигнала. Уменьшить эти искажения можно, включив последовательно с неинвертирующим входом резистор RC (рис. 3) , сопротивление которого определяется по формуле

Rc = R1R2/R1+R2 (5)

В табл. 2 представлены основные параметры (типичные значения) некоторых типов ОУ, предназначенных для работы с однополярным питанием.

Схемы на ОУ с однополярным питанием

Линейный стабилизатор напряжения
Схема линейного стабилизатора напряжения на ОУ с регулирующим транзистором, включенным по схеме с ОК, представлена на рис. 13, а .

Схема содержит ОУ, включенный по схеме неинвертирующего усилителя с отрицательной обратной связью понапряжению, источника опорного напряжения V REF и регулирующего n-p-n-транзистора VТ, включенного последовательно с нагрузкой. Выходное напряжение V OUT контролируется с помощью цепи отрицательной обратной связи, выполненной на резистивном делителе R 1 R 2 . ОУ играет роль усилителя ошибки. Ошибкой здесь является разность между опорным напряжением V REF , задаваемым источником опорного напряжения (ИОН) и
выходным напряжением делителя R 1 R 2

ΔV = V REF — V OUT R1/R1+R2. (6)

Питание операционного усилителя осуществляется однополярным положительным напряжением. При этом операционные усилители, рассчитанные на двухполярное питание +15 В можно использовать в схемах стабилизаторов
со входным напряжением до 30 В. Стабилизируемое выходное напряжение ограничено снизу минимальным синфазным входным напряжением ОУ, а сверху - суммой напряжения насыщения ОУ и напряжения насыщения база-эмиттер регулирующего транзистора, т. е. минимально допустимое напряжение вход-выход стабилизатора при применении
обычных ОУ будет большим (около 3 В). На рис. 13, б приведена схема стабилизатора с пониженным допустимым напряжением вход/выход (так называемый, LDO-стабилизатор). Здесь регулирующий транзистор включен
по схеме с ОЭ, поэтому могут быть проблемы с устойчивостью . Минимально допустимое напряжение вход/выход в
этой схеме ограничено только напряжением насыщения коллектор-эмиттер регулирующего транзистора VT.

Прецизионный выпрямитель

Замечательная по простоте схема двухполупериодного прецизионного выпрямителя представлена на рис. 14 .

Она вообще не содержит диодов. Однако в этой схеме могут применяться только ОУ с полным размахом входных и выходных напряжений (Rail-to-Rail). Усилители питаются обязательно от однополярного источника. Если V IN >0, то усилитель ОУ1 работает как неинвертирующий повторитель. В этом случае усилитель ОУ2 работает в дифференциальном включении и V OUT =V IN . При V IN <0 усилитель ОУ1 уходит в отрицательное насыщение, напряжение на его выходе становится равным нулю (питание однополярное!). Тогда усилитель ОУ2 переходит в режим инвертирующего повторителя, поэтому V OUT = –V IN . Как следствие, V OUT = |V IN |.

Усилитель ОУ2 всегда работает в линейном режиме, а потенциал неинвертирующего входа ОУ1 при V IN <0 становится ниже потенциала отрицательного полюса источника питания. Не все операционные усилители это допускают. Например, сдвоенный ОУ ОР291 как нельзя лучше подходит для этой схемы. Его входы защищены от дифференциального перенапряжения встречно-параллельно включенными диодами, причем в цепи баз входных транзисторов включены резисторы сопротивлением в 5 кОм. Это позволяет усилителю выдерживать при однополярном питании входное синфазное напряжение до –15 В. В этом случае резистор R1 можно не включать. Иное дело - сдвоенный усилитель ОР296. Он не имеет защитных резисторов, и при его применении в этой схеме необходимо включать резистор R1=2 кОм.
Изготовитель рекомендует для этой схемы при 5-вольтовом питании диапазон входных сигналов ±1 В. Из-за того, что усилитель ОУ1 долго выходит из насыщения, частотный диапазон схемы оказывается довольно узким - для ОУ ОР291 он составляет 0…2 кГц.

Схема измерения тока

Для измерения больших токов в линии, находящейся под относительно высоким потенциалом, может быть использована схема, представленная на рис. 15 .

Ток, протекающий через нагрузку, создает напряжение V IN на шунте R ш, который здесь является датчиком тока. Полагаем ОУ идеальным. Тогда через инвертирующий вход усилителя ток не течет, и, поскольку напряжение между дифференциальными входами усилителя равно нулю, напряжение V IN приложено к левому резистору R. Ток через резистор R и коллектор транзистора VТ

l c = V IN /R = l L R ш /R (7)

Пренебрегая током базы транзистора, найдем выходное напряжение схемы

V OUT = l C R T = l L R T R ш /R (8)

Именно по этой схеме выполнен измеритель тока фирмы Burr-Brown INA168 (границы кристалла показаны на рис. 15 штриховой линией). Он допускает синфазное напряжение на входах до 60 В и коэффициент усиления напряжения на шунте до 100. Ток, потребляемый микросхемой, составляет всего 50 мкА. Микросхема LT1787 аналогичного назначения построена симметрично, т. к. имеет в своем составе усилитель с дифференциальными входами и выходами и нагрузку в виде токового зеркала. Допустимое синфазное напряжение также 60 В. Динамический диапазон -12 бит (72 дБ). Микросхема измерителя тока МАХ471 имеет на кристалле шунтовой резистор, рассчитанный на ток до 3 А, а у МАХ4372 такого резистора нет, но зато ее погрешность преобразования не превышает 0,18%.

Цифро-аналоговый преобразователь
с выходом в виде напряжения

Комбинация ЦАП с токовым выходом, например, 12-битного AD7541А и ОУ с полным размахом показана на рис. 16 .

Здесь используется инверсное включение резистивной матрицы R-2R. ОУ включен по схеме неинвертирующего усилителя с коэффициентом усиления 2. В качестве источника опорного напряжения может быть использован TL431. Выходное напряжение схемы определяется формулой

V OUT = 2V REF /4096*DI, (9)

где DI - входной код.

Выводы

Операционные усилители, предназначенные для работы с биполярным питанием, могут работать в схемах с одним источником, однако амплитудный диапазон их входных и выходных сигналов может оказаться слишком узким. Операционные усилители, предназначенные для работы с одним источником, в свою очередь, тоже могут работать в схемах с биполярным питанием. Необходимо только, чтобы разность потенциалов положительного и отрицательного источника не превышала предельно допустимого напряжения питания для данного типа усилителя. Если требуется усиливать сигналы переменного тока, то при однополярном питании целесообразно использовать цепи смещения и разделительные конденсаторы (рис. 7) .
Если входной сигнал постоянного тока биполярный, то можно использовать цепи смещения, однако более удобно
введение в схему искусственной нулевой точки. Если предполагается работа со входными сигналами ниже потенциала общей шины при однополярном питании, следует в необходимых случаях предусмотреть меры для защиты входов усилителя.

Георгий Волович,
[email protected]

Литература
1. Mancini R. Single Supply Op Amp Design Techniques // Application RepoRt SLOA030. - Texas InstRuments
IncoRpoRated. - OctobeR 1999. - 23 p.
2. Волович Г. Устойчивость линейных интегральных стабилизаторов напряжения. - Схемотехника, 2001. № 11.