Сравнительный тест Операционных Усилителей для Аудио

9 июня 2014

Новые операционные усилители (ОУ) производства ]STMicroelectronics[/anchor] ориентированы на снижение потребляемой мощности, уменьшение габаритов и улучшение метрологических характеристик. Оптимальный выбор усилителя обеспечен наличием пяти групп: LOW POWER, MICRO POWER, NANO POWER и двух прецизионных групп ОУ с ненулевым и нулевым напряжением смещения.

Компания STMicroelectronics является одним из лидеров в сфере производства электронных компонентов. Перечень наименований выпускаемой продукции исчисляется тысячами, а объем выпуска в год превышает 1.4 миллиарда изделий. На сегодняшний день компания лидирует по объему производства в таких областях как производство компараторов и микроконтроллеров.

Одно из приоритетных направлений деятельности компании – разработка и производство операционных усилителей. Номенклатура выпускаемых ОУ составляет около 290 наименований [1]:

  • стандартные ОУ;
  • высокочастотные ОУ;
  • прецизионные ОУ с напряжением смещения от нескольких мкВ;
  • высокочастотные ОУ с полосой усиления до 200 МГц;
  • видеоусилители;
  • ОУ для автомобильных приложений (сертифицированные по стандартам AEC (Automotive Electronics Council), со встроенной защитой от статики;
  • ОУ в различных корпусных исполнениях, в том числе ОУ с миниатюрными корпусами DFN, QFN, SOT-23 и SC-70;
  • ОУ, изготавливаемые по технологиям JFET, BiPolar, CMOS и BiCMOS;
  • ОУ с напряжением питания 1…36 В;
  • ОУ с потреблением от нескольких сотен нА;
  • малошумящие ОУ и др.

Разработка современных ОУ является стратегическим направлением развития для STMicroelectronics. Это развитие связано, в первую очередь, с внедрением и освоением новых технологий производства.

Развитие технологий производства ОУ STMicroelectronics

При разработке новых ОУ инженеры компании STMicroelectronics уделяют первостепенное значение трем направлениям:

  • уменьшение габаритов ОУ, применение миниатюрных корпусов (DFN, QFN, SOT-23 и SC-70);
  • уменьшение потребления, в том числе за счет создания ОУ со сверхнизкими напряжениями питания;
  • улучшение метрологических характеристик: уменьшение напряжения смещения и его дрейфа, снижение входного тока, уровня шумов и т.д.

Очевидно, что качественное улучшение характеристик ОУ возможно только за счет совершенствования и создания новых технологий производства. За последние 5 лет компания STMicroelectronics последовательно внедрила и освоила все основные технологии производства ОУ (рисунок 1).

Рис. 1. Развитие технологий производства ОУ STMicroelectronics

Самыми современными из технологий на данный момент являются КМОП 5 и 16 В. Новые семейства ОУ, выполненные по этим технологиям, отличаются малыми габаритами, сверхнизким потреблением, широким диапазоном питающих напряжений (1.5…16 В), низкими значениями входных токов и напряжений смещения.

Кроме совершенствования характеристик ОУ, компания STMicroelectronics стремится сделать их использование максимально комфортным для разработчиков. Это значит, что выбирая усилитель производства STMicroelectronics, разработчик получает не только высококачественный компонент, но и широкую информационную поддержку. Она включает:

  • документацию, содержащую максимально подробную информацию с точным и полным описанием параметров в виде таблиц и графиков. В качестве примера можно привести документацию на семейство TSX56x, в которой приводится: более 70 (!) различных параметров, гарантированных производителем, более 20 графиков, расчетные формулы. Настолько подробных данных не предоставляет ни один из конкурентов;
  • бесплатные математические модели ОУ, в том числе SPICE;
  • бесплатный онлайн инструмент для проектирования и моделирования eDesignSuite.

Краткий обзор новых семейств ОУ

В полном соответствии с выбранными направлениями, новые семейства ОУ могут быть объединены в несколько основных групп (рисунок 2):

  • LOW POWER – ОУ с низким потреблением мощности. Ток потребления для ОУ из этой группы не превышает нескольких миллиампер. При этом для некоторых семейств напряжение питания может достигать 16 В. Эти ОУ обладают высокой живучестью (способны работать в расширенном температурном диапазоне -40…125°С, имеют встроенную защиту от статики) и идеально подходят для промышленных приложений и автомобильной электроники.
  • MICRO POWER – наиболее универсальная и совершенная группа ОУ. Сочетает низкие значения тока потребления (менее 100 мкА), низкие входные токи (типовое значение 10 пА для большинства семейств) и малые напряжения смещения (0,8 мВ для большинства семейств).
  • NANO POWER – группа включает одно семейство – TSU1x, главной особенностью которого является сверхмалое значение тока потребления, не превышающее нескольких сот наноампер.
  • Прецизионное семейство TSV7x с начальным напряжением смещения менее 0.2 мВ (25°С), и менее 1.2 мВ во всем рабочем температурном диапазоне (-40…125°С).
  • Прецизионное семейство TSZx с нулевым напряжением смещения.

Рис. 2. Портфолио новых ОУ производства компании STMicroelectronics

Следует четко понимать, что такое разделение на группы носит условный характер. Анализ показывает (рисунок 3), что прецизионные семейства TSV7x и TSZx имеют потребление на уровне десятков микроампер, что соответствуют потреблению группы MICRO POWER. То есть эти усилители вполне подходят для устройств с батарейным питанием.

Рис. 3. Потребление новых семейств ОУ производства компании STMicroelectronics

Можно заметить, что уровень потребления связан с частотными свойствами семейств. Семейства с большим потреблением обладают лучшими динамическими и частотными свойствами. Так, например, наиболее широким частотным диапазоном (до 16 МГц) обладает семейство TSX92x, потребление которого составляет 2.8 мА. Наименьшим потреблением и, вместе с тем, самым узким диапазоном частот обладает семейство TSU1x.

Анализ метрологических свойств новых ОУ также дает интересные результаты (рисунок 4). Семейства TSV6x, TSV56x, TSX63x, согласно приведенной выше классификации, относят к группе усилителей с микропотреблением, что не мешает им быть прецизионными. Действительно, несмотря на малые питающие токи, эти ОУ имеют достаточно малые значения напряжения смещения, что позволяет применять их в точных измерительных цепях.

Рис. 4. Напряжение смещения новых семейств ОУ производства компании STMicroelectronics

Вышеперечисленные факты позволяют сделать следующие выводы:

  • новые семейства ОУ в большей степени не конкурируют, а взаимно дополняют друг друга;
  • все новые ОУ обладают весьма низким потреблением;
  • большая часть новых семейств имеет отличные метрологические характеристики;
  • многообразие семейств и наименований дает возможность оптимально выбрать нужный усилитель.

Смысл применения повторителя напряжения

Зачем же повторять то, что уже есть? Усилитель с единичным коэффициентом усиления называют также буфером или буферным каскадом. Обладая большим входным и малым выходным импедансами, повторитель, как нельзя лучше, подходит для согласования каскадов по сопротивлению.

Таким образом соблюдается главное правило схемотехники — входное сопротивление следующего каскада должно быть минимум в 3, а лучше в 10 раз больше выходного сопротивления предыдущего каскада. В таком случае сигнал не претерпевает искажений.

ОУ с низким потреблением Low Power

Усилители группы Low Power отличаются большим быстродействием и, вместе с тем, относительно высоким потреблением, которое, впрочем, не превышает нескольких миллиампер (таблица 1).

Таблица 1. Основные характеристики семейств ОУ Low Power

ПараметрНаименование
LMV82xTSV85xTSV9xTSX92xTSX56x
Число ОУ в корпусе1; 2; 41; 2; 41; 2; 41; 21; 2; 4
Ток потребления при 25°C (макс), мкА4001808202800235
Напряжение питания, В2.5…5.52.5…5.52.5…5.54…163…16
Напряжение смещения 25°C (макс), мВ0.8 (версия A); 3.50.8 (версия A); 41.540.6 (версия A); 1
Входной ток (Ibias) (макс), пА1200006000010100100
Частота (тип), МГц5,51,38; 2010; 160,9
Выходной ток (тип), мА4843357490
Эквивалентный входной шум (тип), нВ/√ Гц393921; 2716,548
Рабочая температура, °C-40…125
Исполнение Automotiveесть

Семейство TSX92x – наиболее быстродействующее семейство (рисунок 3). Включает в себя быстродействующие ОУ с отличными частотными характеристиками и низким уровнем искажений (0.0003% THD+N).

Выпускаются исполнения с одним и двумя ОУ в одном корпусе.

Рабочее напряжение составляет 4…16 В (максимальное напряжение питания 18 В).

ОУ TSX9291 и TSX9292 способны работать на частотах до 16 МГц. ОУ TSX920, TSX921, TSX922, TSX923, TSX921 способны работать на частотах до 10 МГц.

Питающий ток семейства относительно мал и имеет типовое значение 2.8 мА (при температуре 25°С и напряжении питания 5 В). При этом есть возможность дополнительно оптимизировать потребление, используя функцию Shutdown, доступную в TSX920, TSX923. Для ее активации используется вывод SHDN. Усилитель, находясь в этом режиме, потребляет не более 20 мкА во всем температурном диапазоне.

Это функция удобна для реализации различных спящих режимов, которые используют в приборах с цикличными режимами работы. Ярким примером такого прибора может быть датчик температуры. Так как процесс изменения температуры носит медленный и инерционный характер, то очень часто нет необходимости измерять ее с частотой десятков мегагерц. В этом случае датчик имеет две рабочие фазы:

  • фазу сна, в которой не проводятся измерения, все компоненты, в том числе ОУ, переводятся в режим сна, при котором потребление энергии практически равно нулю.
  • фазу измерений, в которой проводятся измерения и ОУ включены.

Фаза измерений обычно гораздо короче фазы сна, соответственно большую часть времени датчик практически ничего не потребляет.

Отличительной особенностью семейства является улучшенная защита от статики. Все ОУ имеют защиту 4000 В (HBM, human body model), 100 В (VMM, machine model) и 1500 В (CDM, charged device model).

Данное семейство может применяться в таких областях как телекоммуникации, промышленная электроника. В качестве конкретных применений стоит отметить схему измерения тока (рисунок 5) и схему быстродействующего фотоприемника (рисунок 6). Существуют исполнения для автомобильной электроники, которые отвечают соответствующим стандартам требованиям AEC. Такие ОУ имеют дополнительную литеру Y в названии (например, TSX9291IYLT).

Рис. 5. Схема измерения тока верхнего плеча

Рис. 6. Схема фотоприемника

Если требуется создать схему с меньшим потреблением и меньшими напряжениями питания, то следует обратить внимание на семейство TSV9x.

Семейство TSV9x включает в себя быстродействующие ОУ с напряжением питания 2.5…5.5 В. Типовой ток потребления для них составляет 820 мкА. Различные представители семейства объединяют один, два или четыре ОУ в одном корпусе.

ОУ TSV91x работают на частотах до 8 МГц, а TSV99x – на частотах до 20 МГц.

По сравнению с TSX92x, величина защищенности от статического электричества улучшена до 5 кВ HBM.

TSV9x наиболее подходят для построения высокоскоростных схем: фотоприемников, аналоговых фильтров. Существуют версии для автомобильной электроники.

Семейство LMV82x представляет собой операционные усилители общего назначения с напряжением питания 2.5…5.5 В. Если проводить параллели, то LMV82x является логическим развитием семейства LMV32x, но превосходит его по частотному диапазону.

Микросхемы LMV821, LMV822 и LMV824 имеют стандартное назначение и расположение выводов.

Типовой ток потребления для LMV82x составляет 400 мкА. Если требуется добиться меньшего потребления, возможно использование LMV820, LMV823, и LMV825, которые имеют функцию пониженного потребления Shutdown, аналогичную описанной выше для TSX92x и позволяющую снизить потребление в этом режиме до 1.5 мкА во всем температурном диапазоне.

Типовое входное напряжение смещения составляет 3.5 мВ. Существуют версии с улучшенным значением смещения 0.8 мВ, они маркируются дополнительной литерой A (например, LMV824A).

Уровень защиты от статики для данных ОУ высок: 4000 В (HBM), 250 В (VMM) и 1300 В (CDM).

Основными областями применения семейства являются: медицинская, промышленная электроника, аналоговые активные фильтры. Существуют исполнения для автомобильной электроники.

В ряде случаев LMV82x подойдут для приборов с батарейным питанием, но если требуется ОУ со сходными характеристиками и меньшим потреблением, можно использовать семейство TSV85x.

Семейство TSV85x является близким по параметрам и особенностям семейству LMV82x, но обладает меньшим потреблением. Типовое значение тока потребления составляет 180 мкА.

Однако за снижение потребления приходится расплачиваться быстродействием. Диапазон рабочих частот для TSV85x составляет 1.3 МГц, в то время как для LMV82x он достигает 5.5 МГц.

Семейство TSX56x разработано с учетом удачного опыта семейств TS912/TS914, с улучшенными параметрами потребления и защиты от статики.

ОУ этого семейства способны работать с напряжениями питания до 16 В, при этом типовой ток потребления составляет 235 мкА.

Уровень защиты от статики составляет 4000 В (HBM), 200 В (VMM) и 1500 В (CDM).

Широкий диапазон питающих напряжений и высокая степень защиты делают возможным применение этих микросхем без дополнительных линейных стабилизаторов и других преобразователей напряжения. Это весьма полезно для их применения в приложениях со стандартными напряжениями, таких как компьютеры и серверы (со стандартными блоками питания AT/ATX 5 В, 12 В), автомобильная электроника (бортовое напряжение 12 и 14 В при работающем генераторе), промышленные блоки.

Данные ОУ идеально подойдут для создания систем нормирования сигналов с магнитных и промышленных датчиков, датчиков ультрафиолетового и инфракрасного излучения.

Если требуется создание аналогичных устройств, предназначенных для автономной работы с батарейным питанием, то оптимальным выбором будет использование ОУ из группы Micro power с потреблением менее 100 мкА.

Обозначения

  • V + {\displaystyle V_{\mathrm {+} }} — неинвертирующий вход;
  • V
    − — инвертирующий вход;
  • V
    out — выход;
  • V
    S+ — плюс источника питания (также может обозначаться как V D D {\displaystyle V_{\mathrm {DD} }} , V C C {\displaystyle V_{\mathrm {CC} }} , или V C C + {\displaystyle V_{\mathrm {CC+} }} );
  • V
    S− — минус источника питания (также может обозначаться как V S S {\displaystyle V_{\mathrm {SS} }} , V E E {\displaystyle V_{\mathrm {EE} }} , или V C C − {\displaystyle V_{\mathrm {CC-} }} ).

Указанные пять выводов присутствуют в любом ОУ и необходимы для его функционирования. Однако, существуют операционные усилители, не имеющие неинвертирующего входа[1]. В частности, такие ОУ находят применение в аналоговых вычислительных машинах (АВМ).

ОУ, применяемые в АВМ, принято делить на пять классов, из которых ОУ первого и второго класса имеют только один вход.

Операционные усилители первого класса — усилители высокой точности (УВТ) с одним входом. Предназначены для работы в составе интеграторов, сумматоров, устройств слежения-хранения. Высокий коэффициент усиления, предельно малые значения смещения нуля, входного тока и дрейфа нуля, высокое быстродействие обеспечивают снижение погрешности, вносимой усилителем, ниже 0,01 %.

Операционные усилители второго класса — усилители средней точности (УСТ), имеющие один вход, обладающие меньшим коэффициентом усиления и большими значениями смещения и дрейфа нуля. Эти ОУ предназначены для применения в составе электронных устройств установки коэффициентов, инверторов, электронных переключателей, в функциональных преобразователях, в множительных устройствах.

Помимо этого, некоторые ОУ могут иметь дополнительные выводы (предназначенные, например, для установки тока покоя, частотной коррекции, балансировки или других функций).

Выводы питания (V

S+ и
V
S−) могут быть обозначены по-разному (
см. выводы питания интегральных схем
). Часто выводы питания не рисуют на схеме, чтобы не загромождать её несущественными деталями, при этом способ подключения этих выводов явно не указывается или считается очевидным (особенно часто это происходит при изображении одного усилителя из микросхемы с четырьмя усилителями с общими выводами питания). При обозначении ОУ на схемах можно менять местами инвертирующий и неинвертирующий входы, если это удобно; выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху).

ОУ с микропотреблением Micro power

ОУ из группы Micro power имеют ток потребления менее 100 мкА и выпускаются в миниатюрных исполнениях (таблица 2). Это делает их идеальным решением для большинства портативных приборов и гаджетов.

Таблица 2. Основные характеристики семейств ОУ Micro power

ПараметрНаименование
TSV52xTSV61xTSV62xTSV63xTSX63x
Число ОУ в корпусе1; 2; 41; 21; 2; 41; 2; 41; 2; 4
Ток потребления при 25°C (макс), мкА4512296060
Напряжение питания, В2.7…5.51.5…5.51.5…5.51.5…5.53.3…16
Напряжение смещения при 25°C (макс), (мВ)0.8 (версия A); 1.50.8 (версия A); 40.8 (версия A); 40.5 (версия A); 30.5 (версия A); 1
Входной ток (Ibias) (макс), пА10101010100
Частота (тип), МГц1.150.120.42; 1.30.88; 2.40.2
Выходной ток (тип), мА5520696990
Эквивалентный входной шум (тип), нВ/√ Гц57105; 11070; 7760; 6560
Рабочая температура, °C-40…125-40…85-40…125-40…125-40…125
Исполнение Automotiveестьестьесть

Серия TSV52x имеет сходные параметры с семейством TSX56x, но предназначена для работы с напряжениями питания в диапазоне 2.7…5.5 В.

Главным преимуществом этих ОУ является малое значение тока потребления – всего 45 мкА.

Области применения также сходны с областями применения TSX56x, но со смещением в сторону низковольтных приложений.

Семейство TSV6x показывает, что выделение групп ОУ является достаточно условным. С одной стороны ОУ TSV6x имеют малое потребление, а с другой – малые значения напряжения смещения и входных токов. Таким образом, усилители TSV6x, по сути, являются прецизионными с малым значением потребляемой мощности.

Семейство работает со сверхнизкими напряжениями питания 1.5…5.5 В. Типовой ток потребления составляет 12 мкА, 29 мкА и 60 мкА для TSV61x, TSV62x и TSV63x соответственно.

Дополнительного сокращения потребления можно добиться, используя режим пониженного потребления Shutdown, аналогичный TSX92x, реализованный в TSV62x и TSV63x. При нахождении ОУ в этом состоянии потребляемый ток не превышает 1,5 мкА во всем температурном диапазоне (типовое значение при 25°C составляет 2.5 нА (!)).

Существуют версии ОУ с уменьшенным напряжением смещения – 0.8 мВ для TSV61x и TSV62x, 0,5 мВ для TSV63x. Эти исполнения традиционно маркируются литерой «A» в наименовании компонента.

Все это определяет возможность использования этих ОУ в измерительных цепях различных портативных приборов и в автономных датчиках задымления. Кроме того, они могут применяться для построения активных фильтров, быстродействующих фотоприемников, измерителей тока в низковольтных системах.

Версии TSV632IY и TSV634IY разработаны для автомобильных приложений.

Семейство TSV6x имеет характеристики, сходные с характеристиками TSV6x, но предназначено для работы с напряжениями питания 3.3…16 В.

Областями применения этих ОУ в первую очередь являются приложения с жесткими условиями эксплуатации – промышленная и автомобильная электроника.

Как рассчитать величину тока, который должен обеспечивать ОУ ?

Очень просто! Допустим, что в роли нагрузки выступает резистор сопротивлением в 10 Ом. На повторитель приходит напряжение в 5 вольт, которое он должен передать нагрузке. В таком случае, применяя закон ома (I=U/R), выясняем, что для поддержания 5 вольт на резисторе операционнику требуется обеспечивать ток в 0.5 ампера. (Это грубая прикидка, но вполне применимая на практике)

Обычные ОУ не смогут справиться с такой задачей. Конечно выход можно умощнить транзистором, но тогда применение повторителя на ОУ становится менее оправданным.

Для таких целей предлагается использовать TDA2030, TDA2040 или TDA2050 включенных по схеме повторителя. Микросхемы представляют собой уже готовые, умощненые транзисторами, операционные усилители, которые между собой отличаются максимальной выходной мощность.

ОУ с нанопотреблением Nano power

Семейство TSU1x представляет собой наиболее подходящий выбор при построении автономных датчиков и портативных устройств. Этому способствует ряд факторов (таблица 3):

  • сверхнизкие питающие напряжения 1.5…5.5 В позволяют использовать стандартные низковольтные батареи;
  • максимальный потребляемый ток не превышает 750 нА, а типовое значение составляет всего 580 нА! При использовании стандартной литиевой батареи на 200 мА•ч срок службы составит 42 года;
  • значения входного тока лежат в диапазоне единиц пикоампер при 25°C (типовое значение 5 пА), это делает возможным нормирование сигналов высокоимпедансных датчиков, например, сверхчувствительных фотодиодов;
  • ОУ устойчивы к броскам питающего напряжения.

Таблица 3. Основные характеристики семейства ОУ Nano power

ПараметрНаименование
TSU101TSU102TSU104
Число ОУ в корпусе124
Ток потребления при 25°C (макс), мкА0.58
Напряжение питания, В1.5…5.5
Напряжение смещения 25°C (макс), мВ3
Входной ток (Ibias) (макс), пА5
Частота (тип), МГц0.008
Выходной ток (тип), мА5
Эквивалентный входной шум (тип), нВ/√ Гц265
Рабочая температура, °C-40…85
Исполнение Automotive

TSU1x могут с успехом применяться в автономных датчиках (датчики задымления), счетчиках (воды, газа), портативных измерительных приборах, считывателях штрих-кодов.

Перспективным является использование TSU1x для нормирования, фильтрации и усиления сигналов датчиков в газоанализаторах [2]. Как показал анализ, в ряде случаев всего одного TSU104 хватает для получения готовой схемы.

Новые прецизионные ОУ от STMicroelectronics

Серия прецизионных ОУ TSV7x отличается, в первую очередь, отличными метрологическими характеристиками (таблица 4):

  • типовое значение входного напряжения смещения составляет 200 мкВ при 25°C, а изменение напряжения смещения при росте температуры не превышает 4.5 мкВ/°C;
  • типовой входной ток – 1 пА.

Таблица 4. Основные характеристики прецизионных ОУ производства компании STMicroelectronics

ПараметрНаименование
TSV7xTSX711TSZx
Число ОУ в корпусе1; 2; 411; 2; 4
Ток потребления (макс), мкА6080040
Напряжение питания, В1.5…5.52.7…161.8…5.5
Напряжение смещения (макс), мВ0.20.20.005
Входной ток (Ibias) (макс), пА1050200
Частота (тип), МГц0.9; 0.122.50.4
Выходной ток (тип), мА45; 525017
Эквивалентный входной шум (тип), нВ/√ Гц35; 1002037
Рабочая температура, °C-40…125
Исполнение Automotiveесть

Отличные характеристики позволяют применять данные ОУ в высокоточных измерительных схемах.

Нужно отметить, что TSV7x обладают не только прецизионными свойствами, но и малым значением тока потребления – всего 60 мкА. Кроме того, диапазон питающих напряжений составляет 1.5…5.5 В. Таким образом, эти усилители применимы и в портативных приборах с батарейным питанием.

Дополнительную универсальность семейство получает благодаря встроенной защите от статики: 4000 В (HBM), 300 В (VMM) (для TSV7x4) и 1500 В (CDM).

В случае необходимости построения измерительной схемы для систем с повышенным напряжением питания можно воспользоваться ОУ TSX711.

TSX711 способен работать при напряжениях 2.7…16 В, имеет начальное напряжение смещение 200 мкВ и входные токи порядка 50 мкА. Кроме того, усилитель работает на частотах до 2.5 МГц. Однако расплата за расширение диапазона напряжений и частот – повышенное значение тока потребления, равное 800 мкА.

TSZx – малопотребляющее семейство с нулевым напряжением смещения в миниатюрном исполнении.

ОУ построены на основе схемы со стабилизацией прерыванием. Такая схема позволяет свести к минимуму напряжение смещения во всем диапазоне температур и погасить 1/f-низкочастотный шум, характерный для КМОП ОУ.

Особенности семейства:

  • значение напряжения смещения не превышает 8 мкВ во всем температурном диапазоне;
  • типовое значение напряжения смещения составляет всего 1 мкВ, при этом изменение с ростом температуры не превысит 30 нВ/°C;
  • ток потребления составляет 40 мкА;
  • диапазон питающих напряжений составляет 1.8…5.5 В;
  • встроенная защита от статики: 4000 В (HBM) (для TSZ121), 300 В (VMM) (для TSZ121) и 1500 В (CDM).

Данное семейство подходит для построения измерительных схем с рабочими частотами до 400 кГц, таких как медицинская и портативная электроника, измерительные приборы.

Существуют версии для применения в автомобильной электронике.

В качестве примеров конкретных схем можно назвать схемы датчиков кислорода и тока, инструментальных усилителей.

Идеальный операционный усилитель

Для того, чтобы рассматривать функционирование ОУ в режиме с обратной связью, необходимо вначале ввести понятие идеального операционного усилителя

. Идеальный ОУ является физической абстракцией, то есть не может реально существовать, однако позволяет существенно упростить рассмотрение работы схем на ОУ благодаря использованию простых математических моделей.

Идеальный ОУ описывается формулой (1) и обладает следующими характеристиками:

  1. бесконечно большой собственный коэффициент усиления[4];
  2. бесконечно большое входное сопротивление входов V
    — и
    V
    +, то есть ток, протекающий через эти входы, равен нулю;
  3. нулевое выходное сопротивление выхода ОУ;
  4. способность выставить на выходе любое значение напряжения;
  5. бесконечно большая скорость нарастания напряжения на выходе ОУ;
  6. полоса пропускания от постоянного тока до бесконечности.

Пункты 5 и 6 в действительности следуют из формулы (1), поскольку в неё не входят временны́е задержки и фазовые сдвиги. Из формулы (1) следует, что для поддержания нужного напряжения на выходе необходимо поддерживать следующую разность входных напряжений:

V + − V − = V o u t G o p e n l o o p {\displaystyle V_{+}-V_{-}={\frac {V_{\mathrm {out} }}{G_{\mathrm {openloop} }}}}

Так как собственный коэффициент усиления идеального ОУ бесконечно большой, то разность входных напряжений стремится к нулю. Отсюда следует важнейшее свойство идеального ОУ, упрощающее рассмотрение схем с его использованием:

Идеальный ОУ, охваченный отрицательной обратной связью, поддерживает одинаковое напряжение на своих входах[5][6]

Другими словами, при указанных условиях всегда выполняется равенство:

V + − V − = 0 {\displaystyle V_{+}-V_{-}=0}(2)

Не следует думать, что ОУ выравнивает напряжения на своих входах, подавая напряжение на входы «изнутри». На самом деле ОУ выставляет на выходе

такое напряжение, которое через обратную связь подействует на входы таким образом, что разность входных напряжений уменьшится до нуля.

Легко убедиться в справедливости равенства (2). Допустим, (2) нарушено — имеет место небольшая разность напряжений. Тогда входное дифференциальное напряжение, усиленное в ОУ, вызвало бы (вследствие бесконечного коэффициента усиления) бесконечно большое выходное напряжение, которое, в соответствии с определением ООС, ещё уменьшило бы разность входных напряжений. И так до тех пор, пока равенство (2) не будет выполнено. Заметим, что выходное напряжение может быть любым — оно определяется видом обратной связи и входным напряжением.

Расчет аналоговых фильтров в eDesignSuite

На официальном сайте компании STMicroelectronics имеется возможность воспользоваться онлайн-программой eDesignSuite. Этот инструмент имеет достаточно широкие возможности (таблица 5). Он позволяет выполнять расчет и моделирование различных аналоговых схем: силовых, схем питания светодиодов, активных фильтров, ВЧ-антенн.

Таблица 5. Основные возможности eDesignSuite

ОсобенностьОписание
Рассчитываемые схемыСиловыеПреобразователи напряжения
Зарядные устройства
Преобразователи энергии солнечных батарей
Схемы питания светодиодовAC/DC
DC/DC
Аналоговые фильтры
ВЧ-антенны
Возможность моделированияЕсть
Формирование перечня элементовЕсть
Генерация отчетаЕсть

Работа с eDesignSuite начинается с простой и стандартной процедуры регистрации на сайте. Далее производится выбор рассчитываемой схемы. С точки зрения применения ОУ интересными являются возможности программы при генерации и моделировании активных фильтров (таблица 6).

Таблица 6. Возможности eDesignSuite при расчете активных фильтров

ХарактеристикаОписание
Типы фильтровФНЧ (LowPass)
ФВЧ (HighPass)
Полосовой фильтр (BandPass)
Тип реализацииФильтр Баттерворта
Фильтр Чебышева
Фильтр Бесселя
Схемы фильтровФильтр Салена — Кея (Sallen-Key)
Фильтр с многопетлевой обратной связью (Multiple Feedback)
Стандартные ряды резисторовE96 (1%); E48 (2%); E24 (5%) и точные значения
Стандартные ряды конденсаторовE96 (1%); E48 (2%); E24 (5%) и точные значения
Возможность генерации перечня элементовесть
Возможность построения АЧХесть
Возможность построения ФЧХесть
Возможность построения графика групповой задержкиесть

Рис. 7. Расчет активных фильтров с помощью eDesignSuite

Процесс проектирования максимально прост и состоит из следующей последовательности действий (рисунок 7):

  • выбрать тип схемы: Signal Conditioning → Active Analog Filters <50 MHz → Create;
  • выбрать тип фильтра: ФНЧ (LowPass), ФВЧ (HighPass), полосовой фильтр (BandPass);
  • задать основные параметры АЧХ и фильтра: частоту среза (Cut-Off Frequency), усиление в полосе пропускания (Gain), порядок фильтра (Order). Для полосового фильтра необходимо выбрать центральную частоту полосы пропускания (Center Frequency) и ее ширину (Bandwidth);
  • определить тип реализации фильтра: Баттерворта, Чебышева, Бесселя;
  • задать схему реализации: схема Салена-Кея (Sallen-Key) или схема с многопетлевой обратной связью (Multiple Feedback);
  • выбрать стандартный ряд резисторов для расчетов и составления перечня элементов;
  • выбрать стандартный ряд конденсаторов для расчетов и составления перечня элементов;
  • нажать ОК.

Результатом расчета будут: сформированная принципиальная схема (рисунок 8), перечень элементов (Bill of Material, BOM), результаты моделирования в виде графиков АЧХ, ФЧХ и групповой задержки.

Рис. 8. Результат расчета активных фильтров с помощью eDesignSuite

Бесплатная и простая в использовании утилита упрощает процесс расчета фильтров до минимума, что дает дополнительные преимущества при использовании ОУ производства компании STMicroelectronics.

Литература

  1. Amplifiers and comparators. Sele­ction guide. – STMicroelectronics, 2012
  2. Pierre Sennequier. AN4348 Application note Signal conditioning for electrochemical sensors. – STMicro­electronics, 2013
  3. https://www.st.com/

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

•••

Рейтинг
( 2 оценки, среднее 5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: