Современная схемотехника. Теория современных операционных усилителей на базе устройств фирмы Analog Devices. Учебное пособие

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

__________________________________________________________________________

Ю. А. ПАСЫНКОВ Д. В. ЛАПТЕВ М. М. БАБИЧЕВ

СОВРЕМЕННАЯ

СХЕМОТЕХНИКА

ТЕОРИЯ СОВРЕМЕННЫХ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ НА БАЗЕ УСТРОЙСТВ ФИРМЫ

ANALOG DEVICES

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

НОВОСИБИРСК

2022

4

сопротивления в напряжение, преобразователи синфазного сигнала в дифференциальный сигнал);

3) получение представления об устройстве и областях применения специальных разновидностей ОУ: инструментальных, ОУ с дифференциальным выходом, МДМ-усилителей, усилителей типа «chopper» скоррекциейсмещениянуля, токовых(трансимпедансных) усилителей.

6

с высоким быстродействием. У этих монолитных ОУ самое малое смещениенуля, низкийуровеньнапряженияшума, широкаяполосапропускания, хорошие выходные характеристики (нагрузочная способность). Их недостаток – относительно низкое входное сопротивление, большое значение нулевоготока, относительно большой токпотребленияпо цепямпитания.

* Примечание: complementary (англ.) – комплементарный, дополняющий. Complement – дополнять, укомплектовывать.

3. РазвитиеCB-технологиидалееидетпопутиформированиянатом же кристалле, что и CB-транзисторы, – полевых транзисторах с p–n-пе-

реходомJFET (Junction Field Effect Transistor). Этатехнологияполучила название CBFET (Complementary Bipolar Field Effect Transistor), или BiFET (Bipolar Field Effect Transistor).

Полевые транзисторы с p–n-переходом ставились во входных каскадах ОУ, что обеспечивало такие преимущества, как высокое сопротивление, малые входные токи, достаточно высокий уровень нагрузочной способности.

Недостаток таких транзисторов заключался в большем, чем у CB смещении нуля, у них более узкая по сравнению с СВ полоса пропускания, меньшая скорость изменения выходного напряжения. Кроме того, у них выше шум по напряжению и ток потребления по цепям питания.

Полоса частот ОУ во многом зависит от величины тока, протекающего через транзисторы в первом каскаде: чем больше ток, тем шире частотный диапазон. Это общее правило для аналоговых и цифровых электронных компонентов. Большие токи быстрее перезаряжают паразитные емкости. Другое направление, позволяющее расширить полосу частот, – разработка технологии, уменьшающей паразитные (технологические) емкости в схеме ОУ.

4. Технология CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor),

использующаятранзисторысизолированнымзатворомтипаметалл–ок-

сид–полупроводник(MOS, Metal-Oxide-Semiconductor). Ониимеютсле-

дующиепреимущества: оченьмалыевходныетокиитоковыйшум. Аналоговые микросхемы, изготовленные по такой технологии дешевы, атакжеимеюттехнологию изготовления, близкую ктехнологиицифровых микросхем. Прогресс в CMOS-технологии за последнее время приблизил характеристики ОУ с использованием данной технологии к параметрам ОУ, в которых используется CB-технология. Сейчас ОУ на CMOS имеют самые низкие входные токи, самые высокие входные ивыходныесопротивленияиприодномитомженапряжениипитания –

8

самые высокие уровни входного и выходного напряжений (rail-to-rail*),

атакже самое низкое потребление электроэнергии.

*Примечание: rail (англ.) – перила, рельс. Rail-to-rail – технология построения входных и/или выходных каскадов ОУ, при использовании которой входные и/или выходные сигналы могут достигать по амплитуде значений напряжения питания.

Недостатки современных ОУ, изготовленных по технологии CMOS: малая полоса пропускания, невысокая скорость нарастания выходного напряжения и малые выходные токи.

5. CBMOS (Complementary Bipolar Metal-Oxide-Semiconductor) или BiMOS (Bipolar Metal-Oxide-Semiconductor). ОбъединенытехнологииCB

и CMOS, что позволяет получить ОУ с высокой линейностью и малым энергопотреблением. Если на выходе ОУ применяются CMOS-каскады, то получается наибольший размах выходного напряжения (rail-to-rail).

Ведущие фирмы США и Японии разрабатывают новые технологии, что приводит к постоянному совершенствованию характеристик исвойствОУ(Analog Devices, National Semiconductor, Texas Instruments, Motorola, Maxim и другие).

3. КЛАССИФИКАЦИЯ ОУ

Промышленностью выпускается большое число ОУ с отличными друг от друга характеристиками. Это вызвано тем, что с помощью ОУ решаются самые разные задачи. Например, источники сигналов имеют очень высокое выходное сопротивление (порядка сотен мегаом), например пьезодатчики, PH-метры, или низкое (омы) выходное сопротивление, например тензорезисторы; разные уровни сигналов: от 1…10 мкВ (терморезисторы, термопары, мосты с тензодатчиками) до сотен вольт (напряжение в сети). Частотный диапазон: 50 Гц – сетевая частота, до 20 кГц – аудиосигнал, 10…100 МГц – радио и телевидение.

Принятая ниже классификация не имеет строгих границ; один и тот же ОУ может входить в несколько групп. Технические характеристики ОУ, приведенные ниже, разъясняются в разделах 6 и 7.

1. ОУ общего назначения: Uсм = 5…20 мВ; Iвх  = 5…10 мкА; F1 –

до 50 МГц; Uпит  = ±(5…15) В; Iнагр  = ±(2…30) мА.

Жесткие требования по дрейфу нуля и линейности отсутствуют.

Применение: формирование сигналов, согласование уровней напряжений, измерения низкой точности.

9

Такие ОУ характеризуются низкой ценой, выполняются на базе тех-

нологий BiFET и CMOS.

2. Прецизионные ОУ: Uсм 1 мВ; Uдр.см 10 мкВ/°C; Iвх 1 мкА; Iдр.вх 30 нА/°C; Ku 105; шумпонапряжениювполосе1 кГцсостав-

ляет 100 нВ Гц; шум по току в полосе 1 кГц – 20 нА Гц. Удвоен-

ная амплитуда шума в полосе 0.1…10 Гц по напряжению до 5 мкВ – по току до 50 пА.

Технология: CB, CB MOS, CMOS и другие.

Применение: измерительные устройства, источники прецизионных сигналов, системы управления и т. п.

Указаны «границы сверху». В основной массе прецизионные ОУ имеют лучшие характеристики: Ku 107; Iвх – единицы пА; Uсм – единицы мкВ; Uдр – единицы нВ/°C и т. д.

Производство операционных усилителей стабильно развивается. Практически каждый год какая-либо фирма, овладев перспективной технологией, добивается рекордных результатов по тому или иному параметру.

3. Быстродействующие ОУ. Имеют высокую скорость изменения выходного напряжения V.

F1 50 МГц; V > 100 В/мкс.

Чаще всего используется CB-технология. Транзисторы, используемые здесь, имеют граничную частоту несколько гигагерц.

Применение: коммуникации, включая телевидение и сотовую связь (передача сигналов), связь, устройства формирования и обработки изображений – сканеры, копировальные установки, медицинская техника, радиоэлектронные системы, лазерная техника, видео и мультимедиа, видеокамеры, мониторы, измерительные устройства (в составе АЦП, ЦАП), осциллографы, анализаторы спектра, испытательное оборудование и другое оборудование.

4. Малопотребляющие ОУ и ОУ с одним источником питания. Требования со стороны портативных приборов и устройств: снижение

Iпотр, Uпит и использование одного источника питания вместо двух.

При этом возникают проблемы в схемотехнике схем с одним источником питания: с уменьшением Uпит (разработаны 12-разрядные АЦП

10