Операционные усилители Corebai Microelectronics

Операционный усилитель – универсальное устройство, применяемое в самых разных приборах: от аудиоаппаратуры до систем автоматики и измерительных приборов. Благодаря гибкой схемотехнике на основе операционных усилителей (ОУ) можно изготавливать фильтры, усилители, компараторы, генераторы и сумматоры сигналов и т. д.

Однако у специалистов, редко работающих с аналоговой схемотехникой, часто возникают вопросы: как правильно выбрать операционный усилитель, на какие параметры обратить внимание и какие особенности учесть.

В этом материале на примере продукции Corebai Microelectronics Co., Ltd. – китайской компании основными продуктами которой являются интерфейсные схемы, усилители, контроллеры питания и ЦАП/АЦП – мы разберём ключевые критерии выбора операционных усилителей.

У операционного усилителя имеются следующие основные выводы в случае, если он одноканальный:

• неинвертирующий вход (+) – если напряжение здесь растёт, выходное напряжение тоже растёт;
• инвертирующий вход (−) – если напряжение здесь растёт, выходное напряжение падает;
• выход (Out) – выдаёт усиленный сигнал;
• питание (+Vcc) – подключается к "+" источника питания;
• общий провод (GND, -Vcc или Vdd) – подключается к "-" источника питания.

Операционный усилитель усиливает разность напряжений на двух входах в десятки или сотни тысяч раз (этот параметр называется коэффициентом усиления, Ku). Однако выходное напряжение ОУ не может превышать +Vcc или быть ниже -Vcc, обычно достигая значений, близких к напряжению питания.

Необходимо также отметить, что питание операционного усилителя бывает однополярным (Vcc и GND) и биполярным (-Vсc и +Vcc), например, операционные усилители CBM8605AST5 и CVM8542AS8 соответственно. Если в случае однополярного питания организация схемы не вызывает сложностей, то для биполярного питания обычно требуется преобразователь напряжения. Однако в некоторых случаях можно обойтись простейшей RC-цепочкой, позволяющей использовать ОУ с биполярным питанием даже от однополярного источника (например, пятивольтовой батареи) без дополнительных преобразователей.

Например, можно воспользоваться преобразователем постоянного тока ICL7660SIBAZ. Более подробную информацию можно найти в документации на преобразователь.

Операционные усилители с однополярным и биполярным питанием имеют разные сферы применения, что обусловлено их особенностями:

• Операционные усилители с однополярным питанием подходят для применений в портативных устройствах, датчиках с однополярным выходом (тензодатчики и фоторезисторы). При использовании операционных усилителей в портативных устройствах особое значение приобретает ток потребления. Для таких случаев оптимальным выбором может стать энергоэффективный ОУ CBM8554AS14;
• Операционные усилители с биполярным питанием подходят для применения в аудиоусилителях и датчиках с отрицательным выходом, например, термопар.

При выборе операционного усилителя важно учитывать характеристики его входных и выходных каскадов, которые определяют рабочий диапазон и совместимость с другими компонентами схемы. В линейке Corebai Microelectronics представлены решения с различными комбинациями этих параметров:

• Rail-to-Rail (R2R) – полный вход-выход - Обеспечивает максимальный размах выходного напряжения, почти достигая уровней питания (VDD  и VSS), что критично для низковольтных схем (1.8–5 В). Идеален для АЦП/ЦАП и датчиков, но может иметь повышенные шумы у границ диапазона;
• КМОП – характеризуется сверхнизким потреблением (мкА) и высоким входным сопротивлением, часто сочетается с R2R. Используется в портативных устройствах и цифровых интерфейсах, но имеет ограниченный выходной ток.

 Систематизируя вышенаписанное, можно дать следующие критерии выбора выхода ОУ (таблица 1).

Таблица 1 – критерии выбора выхода ОУ

 Однако полярность питания и тип выхода не являются первоочередными характеристиками. Сначала необходимо смотреть на частотные характеристики операционного усилителя. Разберемся в основных определениях на основе документации усилителя CBM6002AS8.

Открыв документацию, первое, что вы увидите – особенности усилителя(features), среди которых в данном классе характеристик нас интересуют следующие:

1)      Gain Bandwidth (GBW) - это произведение коэффициента усиления (Gain) на полосу пропускания (Bandwidth), показывающее, как ОУ теряет усиление с ростом частоты. Чем выше GBW, тем шире полоса пропускания при заданном усилении. Например, ОУ CBM6002AS8 имеет GBW = 1 МГц и при усилении 10× будет иметь рабочую частоту 100 кГц.

2)      Скорость нарастания (Slew Rate) — это максимальная скорость изменения выходного напряжения ОУ при подаче на вход ступенчатого сигнала. Этот параметр важен по следующим причинам:

• для аналоговых сигналов - если SR слишком мала, синусоидальный сигнал на высоких частотах искажается и становится треугольным;
• для импульсных сигналов - низкая SR приводит к "завалу" фронтов импульсов и задержкам.

Затем необходимо обратить внимание на раздел Typical characteristics, где представлены амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики, (соответственно АЧХ и ФЧХ), (рисунок 1). АЧХ демонстрирует зависимость коэффициента усиления от частоты на входе усилителя. При этом коэффициент усиления представлен в децибелах (дБ). Для получения коэффициента усиления в безразмерной величине необходимо воспользоваться формулой. ФЧХ показывает зависимость изменения фазы выходного сигнала по отношению к входному в зависимости от частоты.

Исходя из данных характеристик, необходимо ввести следующие определения:

• Полоса пропускания — диапазон частот, в пределах которого ОУ может усиливать сигнал без значительного затухания.
• Частота среза — частота, на которой усиление снижается на 3 дБ.

Важно отметить, что ОУ состоит из полупроводников, а им, в свою очередь, свойственен дрейф характеристик при различных температурах. В документации приведена зависимость GBW от температуры (рисунок 2).

Рисунок 2 – зависимость GBW от температуры

Также в документации содержатся данные о зависимости CMRR и PSRR от частоты.

• CMRR — это параметр операционного усилителя, показывающий его способность подавлять синфазные сигналы (одинаковые на обоих входах) и усиливать только разностный сигнал. Чем выше CMRR (в децибелах), тем лучше ОУ игнорирует помехи и сохраняет полезный сигнал (рисунок 3).
• PSRR - показывает, насколько хорошо операционный усилитель (ОУ) игнорирует помехи и пульсации в напряжении питания (например, от нестабильного блока питания), предотвращая их проникновение в выходной сигнал (рисунок 3).

Рисунок 3 – зависимости PSRR и CMRR от частоты

Следующая важная характеристика, особо значимая для измерительных и аудио схем – уровень шума.  Шумы операционного усилителя включают тепловые, дробовые нумы и фликкер-шум, вызванные особенностями полупроводников, которые могут существенно влиять на точность сигнала в прецизионных схемах. Уровень шумов ОУ зависит от частоты: на низких частотах доминирует фликкер-шум, а на высоких — белый шум (тепловой и дробовой). Для снижения шумов применяют специализированные малошумящие ОУ, например, CBM8605AST5.

Также ОУ можно классифицировать по признакам прецизионности. Прецизионные операционные усилители используются там, где необходима стабильность, низкий уровень шумов н высокая точность. При воздействии температуры, в силу особенностей физики полупроводников, напряжение на выходе при различных температурах может изменяться; за это отвечает параметр "дрейф напряжения", измеряемый в мкВ/oC. Т. е. чем этот параметр больше, тем сильнее изменяется напряжение на выходе изменяется при изменении температуры. Примером прецизионного операционного усилителя может являться CBM8333AST5, дрейф напряжения которого составляет 0.05 мкВ/oC.

Подробнее ознакомиться со специальным предложением операционных усилителей Corebai Microelectronics Co. можно по ссылке.