Типы операционных усилителей

В настоящее время в мире изготавливаются сотни наименований интегральных ОУ. Все это многообразие можно разделить на группы, объединенные общей технологией и схемотехникой, точностными, динамическими или эксплуатационными характеристиками, причем эти группы могут пересекаться, т.е. включать общие элементы.

С точки зрения внутренней схемотехники операционные усилители можно разделить на биполярные, биполярно-полевые и КМОП (на комплементарных полевых транзисторах с изолированным затвором). В биполярно-полевых ОУ полевые транзисторы с управляющим p-n переходом или МОП-транзисторы обычно используются в качестве входных в дифференциальном входном каскаде. За счет этого достигается высокое входное сопротивление и малые входные токи.

Большая часть номенклатуры ОУ относится к усилителям общего назначения. Это дешевые усилители среднего быстродействия, невысокой точности и малой выходной мощности. Обычные параметры: K_U = 20 000  200 000; U_см = 0,1  20 мВ; f_т = 0,1  10 МГц. Типичные примеры: 140УД6, 140УД8, 153УД6, LF411.

Быстродействующие усилители при средних точностных параметрах имеют высокие динамические характеристики (f_т = 20  1000 МГц, r = 10  1000 В/мкс). Быстродействие ОУ ограничивает два обстоятельства. Во-первых, в состав входного дифференциального усилителя входят p-n-p-транзисторы, относительно низкочастотные из-за меньшей подвижности дырок по сравнению со свободными электронами. Во-вторых, скорость нарастания ограничена скоростью заряда корректирующего конденсатора С_к. Влияние первого фактора устраняют, используя во входном каскаде более быстродействующие р-канальные полевые транзисторы. Увеличить скорость заряда С_к можно либо увеличив ток дифференциального каскада, либо уменьшив емкость С_к. В первом случае увеличивается ток потребления ОУ, а во втором ухудшается устойчивость. Повысить устойчивость можно, вводя дополнительные фазоопережающие звенья в схему усилителя или вне его. Как следствие, быстродействующие ОУ склонны к неустойчивости. Типичные примеры: 140УД10, 574УД3, 154УД4, ОРА634.

Прецизионные усилители имеют высокий дифференциальный коэффициент усиления по напряжению, малое напряжение смещения нуля и малый входной ток обычно при низком или среднем быстродействии. Увеличение K_U возможно путем усовершенствования каскадов усиления по напряжению или применением трехкаскадной схемы (например, 551УД1), что усложняет частотную коррекцию. Радикально уменьшить смещение нуля позволяет применение модуляции-демодуляции (МДМ), либо периодическая компенсация дрейфа (прерывание). Типичные примеры: 140УД26, МАХ400М, ОРА227 (без прерывания), ICL7652, 140УД24, МАХ430 (с прерыванием).

Микромощные усилители используются в приборах, получающих питание от гальванических или аккумуляторных батарей. Эти усилители потребляют очень малый ток от источников питания (например, ОУ МАХ406 потребляет ток не более 1,2 мкА). Все другие параметры (особенно быстродействие) у них обычно невысокие. Для того, чтобы дать возможность проектировщику найти компромисс между малым потреблением и низким быстродействием некоторые модели микромощных ОУ выполняют программируемыми. Программируемый ОУ имеет специальный вывод, который через внешний резистор соединяется с общей точкой или источником питания определенной полярности. Сопротивление резистора задает ток системы токовых зеркал усилителя, которые выполняют функции генераторов стабильного тока и динамической нагрузки каскадов усилителя. Уменьшение этого резистора приводит к увеличению быстродействия ОУ и увеличению потребляемого тока. Увеличение - к обратному результату. Типичные примеры: 140УД12, 1407УД2, ОР22. Обычная величина тока потребления для микромощных и программируемых ОУ - десятки микроампер. Микромощные ОУ, как правило, допускают питание от весьма низких напряжений. Например, ОУ типа МАХ480 допускает работу от источников с напряжением от +/-0,8 до +/-18 В при токе потребления 15 мкА.

Если источник сигнала - однополярный (например, фотодиод), целесообразно использовать операционный усилитель с однополярным питанием. Это позволит питать усилитель от одной батареи или даже элемента, например, от литиевого элемента напряжением 3 вольта. Основное требование, предъявляемое к ОУ с однополярным питанием, - диапазон входного синфазного сигнала должен простираться ниже отрицательного напряжения питания (обычно привязанного к потенциалу земли), а размах выходного напряжения должен быть ограничен снизу практически напряжением питания (потенциалом земли). Существуют усилители, диапазоны входных и выходных напряжений которых почти достигают и верхней и нижней границы питания (так называемые, rail-to-rail вход и выход), причем входные напряжения могут даже заходить за эти границы. Типичные примеры: МАХ495, потребляющий от однополярного источника ток 150 мкА, LMV321, потребляющий ток 145 мкА, от источника 1,8 В.

Многие фирмы выпускают многоканальные усилители. Это микросхемы, имеющие на одном кристалле два, три или четыре однотипных ОУ. Например, ИМС типа 140УД20 имеет в своем составе два ОУ 140УД7. Микросхемы МАХ406/407/409 и ОРА227/2227/4227 включают, соответственно, один, два и четыре однотипных усилителя.

Мощные и высоковольтные операционные усилители. Большинство типов ОУ рассчитаны на напряжение питания +/-15 В. Некоторые допускают питание от источников вплоть до +/-22 В. Этого недостаточно для управления, например, пьезоэлектрическими преобразователями, для некоторых физических и биологических исследований. Поэтому промышленность производит высоковольтные ОУ, допускающие более высокие питающее и выходное напряжения. К высоковольтным относят операционные усилители, имеющие разность положительного и отрицательного питающих напряжений свыше 50 вольт. Проблема повышения напряжений в интегральных полупроводниковых (монолитных) ОУ связана с трудностью создания интегральных высоковольтных транзисторов и прочной изоляции между элементами в кристалле. Поэтому большинство ОУ с напряжением питания свыше 100 В изготавливаются в виде гибридных ИМС. В то же время, фирма Apex Microtechnology (США) производит полупроводниковые интегральные ОУ РА90, PA92 и РА94, с номинальным напряжением питания +/-200 В, выходным напряжением +/-170 В и выходным током до 14 А.

Операционные усилители общего применения обычно допускают выходной ток до 5 мА. Для управления мощной нагрузкой применяются мощные ОУ. К мощным обычно относят усилители, допускающие выходной ток свыше 500 мА. Примером полупроводникового интегрального мощного ОУ может служить LM12 с выходным током до 10 А и рассеиваемой мощностью до 90 Вт. Фирма Apex Microtechnology выпускает сверхмощный гибридный ОУ РА30, допускающий выходной ток до 100 А и способный отдать в нагрузку мощность до 2000 Вт при жидкостном охлаждении. Дальнейшее увеличение выходной мощности усилителей возможно путем использования режима класса D (ключевой режим). Рекордными являются характеристики гибридного усилителя фирмы Apex SA08 с широтно-импульсной модуляцией на частоте 22 кГц: 10 кВт при напряжении до 500 В и токе до 20 А. При этом КПД усилителя достигает 98%.

В табл. 1 приведены основные параметры некоторых моделей ОУ различных типов.

Таблица 1

Параметры	Операционные усилители общего применения
140УД6	140УД7	140УД8	LF441
Напр. питания, В	+/-5 -+/-18	+/-5 -+/-18	+/-5 -+/-18	+/-5 -+/-18
Коэфф. усиления, В/мВ
КОСС, дБ
Uсм, мВ
Входн. ток, нА			0,2	0,1
Диф. вход. сопр., МОм		0,4		-
fт, МГц		0,8
Скор. нараст., В/мкс	2,5	0,7
Ток потр., мА				0,25
Макс. вых. ток, мА
Вых. сопр. Rвых, Ом				-
Примечание			ОУ с ПТ на входе	ОУ с ПТ на входе

 

Параметры	Быстродействующие операционные усилители
574УД3	154УД4	SL2541B	MAX437	ОРА641	AD8055
Напр. питания, В	+/-5 - +/-16,5	+/-5 - +/-17	+/-7 - +/-15	+/-4,5 - +/-18	+/-5 - +/-15	+/-5
Коэфф. усиления, В/мВ
КОСС, дБ					-
Uсм, мВ				0,015
Входн. ток, нА	0,3				-
Диф. вход. сопр., МОм			-	-	-
fт, МГц
Скор. нараст., В/мкс
Ток потр., мА	3,5				-
Макс. вых. ток, мА
Вых. сопр. Rвых, Ом	-	-	-		-	-
Примечание	ОУ с ПТ на входе				Устойчив при К>2	Двухканальный вариант - AD8056

 

Параметры	Прецизионные операционные усилители
140УД21	MAX400	ICL7652	OPA177	LMC6001
Напр. питания, В	+/-12 - +/-20	+/-3 - +/-18	+/-2,5 -+/-8	+/-15	+/-5 - +/-15
Коэфф. усиления, В/мВ
КОСС, дБ				-
Uсм, мВ	0,05	0,01	0,005	0,01	0,35
Входн. ток, нА			0,03	1,5	25 фA
Диф. вход. сопр., МОм	-		-	-	>1 ТОм
fт, МГц		0,6	0,45	0,4	1,3
Скор. нараст., В/мкс	2,5	0,3	0,6	0,1	1,5
Ток потр., мА		-		-	0,75
Макс. вых. ток, мА	-		-
Вых. сопр. Rвых, Ом	-		-	-	-
Примечание	ОУ с прерыванием		ОУ с прерыванием		Сверхвысокое Rвх

 

Параметры	Микромощные операционные усилители
MAX438	MAX480	MAX406	AD8541	140УД12
Напр. питания, В	+/-3 -+/-5	+/-0,8 -+/-18	2,5-10	2,7-5,5	+/-1,5 - +/-18
Коэфф. усиления, В/мВ					50 25
КОСС, дБ
Uсм, мВ	0,5	0,075	0,5
Входн. ток, нА			0,1 пА	0,004	50 10
Диф. вход. сопр., МОм			-	-	50 5
fт, МГц		0,02	0,02	0,7	1 0,2
Скор. нараст., В/мкс		0,01	0,02	0,7	0,8 0,1
Ток потр., мА	0,075	0,015	0,0012	0,04	0,2 0,03
Макс. вых. ток, мА			-
Вых. сопр. Rвых, Ом	-	-	-	-	1000 5000
Примечание		Может работать с одним источником	Один источник	Есть сдвоенный и счетверенный варианты	Iу=15 мкА Iу=1,5 мкА Программируемый