Operasjonsforsterkeren, eller op amp, er en av de mest grunnleggende byggeblokker som benyttes i analoge kretser. noensinne med tanke på at single-chip op forsterkerne ble innført i 1960, har utallige forskjellige typer blitt utviklet, noen mye mer vellykket enn andre. Spør en erfaren analog designer for å nevne noen få op forsterkerne, så vel som de vil sannsynligvis nevne LM324, den TL072, den NE5534, den LM358, samt program bestefaren av alt, UA741.
Hvis disse delenumrene ikke viser noe til deg, alt du kravet om å forstå er at disse er generiske elementer som du kan komme hvor som helst, så vel som det vil gjøre det bra i de mest typiske applikasjoner. Du kan få mer avansert op forsterkerne som forbedrer på noen spec eller en annen, ofte ved størrelsesordener. men nøyaktig hvor langt kan du virkelig presse ideen om en operasjonsforsterker? I dag skal vi vise deg noen op forsterkerne som går metoden ut over disse normale “jellybean” komponenter.
Før vi begynner, la oss definere hva nettopp indikere vi når vi state “operasjonsforsterker”. Vi prøver å finne integrerte driftsforsterkere, som indikerer en enkelt fysisk komponent, som har en differensial høy-impedans spenningsinngang, en enkel-sluttet spenningsutgang, DC-kobling, så vel som høy get indikert til å kunne benyttes i et kommentarer konfigurasjon. Vi er unntatt alt som er laget av diskrete komponenter, i tillegg til mindre generelle kretser som fast-gain forsterkere samt drifts transconductance forsterkere (OTAs).
Antall kanaler
Pinout av en TL084X2. De doble forsynings pinnene tyder på at dette er virkelig bare to TL084 chips bundet til en enkelt 30-pinners pakke. Bildet credit: Texas Instruments
De ekstremt meget første integrerte driftsforsterkere, som starter med den uA702 i 1963, innlemmet bare en enkelt forsterker i et enkelt brikke. Fra 1970 er imidlertid dobbelt så vel som quad op forsterkere endte opp med å bli populært, hovedsakelig rettet mot designere av aktive filtre. Soner samt quads er vanligvis tilbys i dag; noen trippel op amp chips er laget også, så vel som du kan selv få NJM2710, som er en hex op amp: seks kanaler.
Men AMPS flest op noensinne integrert i en enkelt pakke er åtte: inntil for noen år tilbake kan du få deg en EL5811, en TL084x2, eller enda en LM324x2, som alle var oktale op forsterkerne. Nøyaktig samme grunnleggende krets i hver situasjon ble også tilbudt som en enkel, dobbel eller quad-versjonen, så oktale op forsterkerne var virkelig “dual quads”.
Mens en slik ting kan virke gunstig hvis du ønsker å fange opp gode tilbud av forsterkere i en liten plass, utnytte to separate quads vil gi deg mye mye mer allsidighet når det gjelder å utforme samt ruting av kretsen. Vi mistenker at det er grunnen disse brikkene aldri fått mye trekkraft i markedet.
Strømforbruk
De NJU7700x serie er ultra-lav-effekt driftsforsterkere, som benytter mindre enn en mikro amp. Bildet credit: ny Japan Radio Co.
De tradisjonelle UA741 forbruker ca 1,7 mA i en vanlig søknad. mye mer moderne stilarter har håndtert å minimere dette: for eksempel, er det OPA171 kompatibel med ‘741, har mye bedre ytelse på nesten alle prosedyrer (båndbredde, slew rate, støy, offset), så vel som utnytter i underkant av en halv mA. moderne krets stil metoder i tillegg til fremskritt innen halvleder-produserende har aktivert en metode mye bedre ytelse / effektforhold enn det som var mulig i 1960-årene.
Mange produsenter har innført op forsterkerne i den ultra-lavt strømforbruk kategori, som tar i mindre enn ett mikro amp. Et eksempel er den LPV801, som benytter bare 450 nano-forsterkere. men den mest økonomiske op amp på markedet i dag er NJU77000, som trekker ikke mer enn 290 nA. For å sette det nummer i perspektiv, har en normal CR2032 mynt celle en kapasitet på omkring 220 mAh, noe som indikerer at det kan teoretisk drive en NJU77000 for 86 år – vil selvfølgelig selvutladning tømme batteriet lenge før det. Spesifikasjoner til denne operasjonsforsterker er ikke fremragende, særlig når det gjelder båndbredde: et maksimum på 1 kHz er metoden også lav til prosessen noe som ser ut som lyd, men er nok for saktegående baner som gass-sensorer.
Utgangsstrøm
Apex PA52 er en ganske stor “chip”, som måler ca 36 x 40 mm2. Legg merke til BeO advarsel: bunten består av beryllium-oksyd for å oppnå høy varmeledningsevne. Bildet credit: Apex mikroteknologi
På den andre enden av spekteret er kraften driftsforsterkere som kan drive store strømmer inn i en belastning. Den tradisjonelle L272, som ofte benyttes som en motor driver, kan gi en fullstendig amp på hver av sine to kanaler. men innovasjon har flyttet på, så vel som i dag kan du få tykke PA50 samt PA52 fra Apex mikroteknologi. Disse enorme op forsterkere kan utgang 40 A konstant samt 80 A i korte perioder. så vel som, selv om de kommer som en enkelt (ganske stor) komponent, inne i de ikke er enkle chips imidlertid hybridModuler: Et sett med integrerte kretser, samt diskrete transistorer direkte bundet på et typisk substrat.
All denne kraften kommer til en pris skjønt; På en rekke hundre dollar en pop, er disse ikke ditt hagespekter på ampere. Faktisk, hvis du trenger mye mer tilstede enn din favoriserte forsterker kan levere, kan det være et mye bedre konsept for å få en utgang til å forbedre kretsen som utnytter diskrete strømtransistorer. En stor tekst om dette emnet er Application Note AN18 av Jim Williams, som viser forskjellige metoder for å øke en OP AMPs utgangsstrøm, spenningssving, eller begge deler.
Forsyningsspenningen
Fare, høyspenning: PA99 kan fungere så mye som 2,5 kV. Bilde Kreditt: Apex Microtechnology
De fleste OP-ampere fra de tidligere dagene kan fungere med ganske store forsyningsspenninger: +/- 15 V var typisk tilbake på 1970-tallet. I dagens alder av Arduinos samt ESP32s, virker dette overdreven, så vel som utvilsomt mange samtidige OP-forsterkere vil gjerne jobbe med 3,3 V eller enda lavere. På den andre ekstremen er imidlertid OP-forsterkere som kan fungere på mye mer enn 100 V, også ganske vanlige; LTC6090 samt ADHV4702 er eksempler som kan fungere på henholdsvis 140 V, samt 220 V. Men den ekte mesteren i denne klassifiseringen er PA99 fra Apex: Denne OP-ampen vil gjerne jobbe med 2500 V over sine forsyningsstifter. Det kan gi 50 mA på sin produksjon, så vel som har et gevinstbreddeprodukt på 28 MHz. Som sine høystrøms søsken er det en kostbar chip, på omtrent tusen dollar, så du er ikke sannsynlig å oppdage det i alle typer forbrukerprodukter. Det primære markedet for spesialiserte chips som dette er vitenskapelige instrumenter, samt industrielle enheter som bruker piezo aktuatorer eller elektrostatisk avbøyning.
Båndbredde
Snakker om båndbredde, som OP amp er den raskeste? Det er egentlig ikke et enkelt, avgjørende svar på det. La oss begynne med å sjekke ut Open-Loop Frequency Action of A Op Amp: Det er høyt (mer enn 100 dB) ved lave frekvenser, all metode ned til DC. På en viss frekvens begynner å falle, på hva vi ringer til -3 dB-punktet; Det er her fåren har nådd 70% av DC-verdien. Fåren fortsetter å redusere med 20 dB per tiår for å nå null DB ved Unity-Gain Frequency – Zero DB indikerer et aspekt av en.
I metode indikerer dette at hvis du konfigurerer kommentarer-nettverket for å sikre at den samlede forsterkeren har en get av en, vil båndbredden i denne kretsen være enhetens frekvens. Hvis du setter den til en få to, vil den ha halvparten av båndbredden. En får på ti vil resultere i en tiendedel båndbredden, så vel som så videre. Tatt i betraktning at produktet av å få så vel som båndbredden alltid er den samme, er enhetsfrekvensen også kalt gevinstbredden.
De fleste generelle opplæringsformer kan benyttes på alle typer lukkede gevinster. Denne allsidigheten kommer imidlertid til en pris: Unity-gevinstfrekvensen må holdes ganske lav for å stoppe oscillasjonen. For høyhastighetsapplikasjoner kan du som et resultat få OP-forsterkere som er dekompensert. Dette indikerer at de indre kretsene har blitt endret til å løpe med høyere båndbredde, men likevel at OP-ampen ikke kan benyttes i enhetskonfigurasjonen; dataarket vil angi et minimum lukket-sløyfe get ved hvilken forsterker kan brukes. Hvis du ikke respekterer denne grensen, kan kretsen din oscillere.
Grafen nedenfor viser den åpne gevinster-mot-frekvensplottet av en fullstendig kompensert OP-amp, så vel som en dekompensert. administrere teori forteller oss at vi vil ende opp med en jevn lukket system hvis vi lukke sløyfen på et punkt der den åpne sløyfe get faller med 20 dB per tiår. (Egentlig er det mye mer utfordrende enn det, men vi vil ikke gå inn på det nå.) For fullstendig kompensert op amp dette er sant i noen form for gevinst. men for dekompensert op amp, faller get med 20 dB per tiår bare så mye som et punkt; Dette er gmin, eller den minste get ved hvilken forsterkeren vil være stabil. oppmerksom på at båndbredden på dette punktet er mye høyere enn det ville ha vært for helt kompensert forsterker.
Åpen-sløyfe get plott av en fullstendig kompensert op amp (grønn), så vel som en ellers tilsvarende dekompensert operasjonsforsterkeren (gul). oppmerksom på at dekompensert amp egentlig aldri når sin gevinst-båndbredde produkt: GBW2 er ekstrapolert fra 20 dB / desember delen av grafen.
Op amp med størst gevinst-båndbredde produkt du kan få i dag er OPA855, på en heidundrende 8 GHz. Men siden det er en dekompensert forsterker, må du bruke den på en bli på minst sju, i hvilken situasjon det vil “bare” nå 2,5 GHz. Den raskeste ikke-dekompensert operasjonsforsterkeren er den THS4304, som kan arbeide i hvilken som helst type konfigurasjon all-metoden så mye som dens unity-gain båndbredde på 3 GHz. Men før du kjører av samt få denne brikken for å utvikle en multi-GHz forsterker, husk at passende kretsdesign blir avgjørende ved slike frekvenser; hvilken som helst type av lekkasjekapasitansen i thE Feil plassering kan forstyrre sløyfestabiliteten, samt slå forsterkeren til en oscillator.
Slew rate.
Båndbredde er ikke den eneste bestemmelsen av hastighet skjønt. En annen spesifikasjon som du oppdager i en hvilken som helst type OP AMPs datablad er dens slew rate. Vanligvis bestemt i volt per mikrosekund (V / US), forteller det nøyaktig nøyaktig hvor raskt brikkens utgangsspenning kan endres. En grunnleggende metode for å bestemme en OP AMPs Slew-hastighet er å få den til å utføre en firkantbølge: Hellingen av utgangens stigende samt fallende kanter vil være lik Slew-hastigheten.
Hvis du bruker en firkantet bølge til inngangen til en OP-amp, vil utgangen øke så vel som høsten på OP AMPs slew-rate.
Slew-rate er hovedsakelig funnet ut av den indre bias tilstede av en OP-amp, så vel som det er som et resultat som normalt proporsjonal med forsyningsstrømmen. Normale verdier Sort fra 0,5 V / US for UA741 til 20 V / US for TL072. Noen OP-ampere har en kreativ teknikk innsiden forstått som Slew Boosting, hvor forspenningen er midlertidig forsterket når OP-ampen oppdager at utgangen ikke kan holde tritt med inngangen.
De største slew-prisene tilbys i dagens kommentarerforsterkere (CFA), som ligner på ampere i mange metoder, men forskjellig tilstrekkelig at vi ikke teller dem som sådan i denne artikkelen. Sammenlignet med vanlige OP-ampere, har de lavt åpne gevinst, høy inngangsbalanseutspenninger, samt biasstrømmer, så vel som ikke kan benyttes i alle kommentarerapplikasjoner. De benyttes ofte i høyhastighets kretser hvor en høy slew rate er det mest avgjørende kravet.
Ikke uvanlig da, at OP-forsterkerne med den største slew-prisen integrerer funksjonene i CFAS, samt rutinemessige OP-ampere, noe slør linjen mellom dem. For eksempel har EL5102 en slew rate av en helpende 3500 V / US, men en mager 66 dB av åpen sløyfe, hvor mange grunnleggende OP-ampere har 100 til 120 dB. Dens input bias tilstede er ganske stor også, på 2 ua typisk. MIC920 gjør litt bedre, men på 85 dB er det fortsatt ikke en fantastisk op amp. Den ekte mesteren i denne klassifiseringen er PA107, som kan trage sin produksjon på 3000 V / US, men fremdeles når 140 dB av åpen sløyfe gevinst. Det trekker også ca 50 mA fra forsyningen, så det er ikke noe å bruke når du lager for lav kraft.
Uvanlige materialer
Nesten alle integrerte kretser du kan få i dag, utnytte silisium som deres grunnmateriale. Noen få høyhastighets kretser, inkludert noen av høyhastighets OP-forsterker påpekt ovenfor, er laget av silisium-germanium (Sige), selv om dette bare er det øverste laget av en chip som ellers er rent silisium. Potensielt kan andre halvledere som galliumarride (GAAS), galliumnitrid (GAN) eller til og med silisiumkarbid (SIC) benyttes til fremstilling av ampere; Imidlertid, forutsatt den betydelige kostnadsforskjellen med vanlig silisium, blir disse materialene generelt benyttet for spesialiserte diskrete transistorer, så vel som ultra høyhastighets integrerte kretser.
Dysen av Kths silisiumkarbid op amp. Bilde Kreditt: Kth
Noen få undersøkelsesstudier har vist fascinerende resultater skjønt: Kth Royal Institute of Technology, i Sverige, har vist en OP AMP laget i silisiumkarbidinnovasjon som kan fungere ved ultrahøye temperaturer så mye som 500 ° C. Dens ytelse er langt fra Stellar, men dets robusthet indikerer at den må kunne arbeide i miljøer som fiendtlig som overflaten av Venus.
Her på jorden er silisium godt etablert som halvleder av valg, så vel som det er usannsynlig å modifiseres når som helst snart. Men som vi har sett, er silisium allsidig tilstrekkelig til å tillate et stort utvalg av OP AMP-stiler for nesten hvilken som helst mulig bruk.