Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Что нужно знать о входах rail-to-rail

Начинаем публикацию глав руководства Брюса Трампа, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки
2209
В избранное

На сайте нашего партнера компании Компэл опубликованы главы руководства Брюса Трампа, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ).  Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях. Представляем вашему вниманию главы №1 и 2 из него. 

У разработчиков зачастую возникают вопросы по поводу допустимых значений питающих напряжений, диапазонов входных и выходных напряжений операционных усилителей (ОУ). Я попытаюсь прояснить ситуацию, чтобы устранить часто возникающую путаницу.

Во-первых, у обычного ОУ нет вывода земли. Стандартный операционный усилитель «не знает», какой потенциал считать нулевым. Таким образом, ОУ не различает, работает он с биполярным питанием (dual supply, ±) или с однополярным (single power supply). Схема будет прекрасно функционировать, пока значения питающих, а также входных и выходных напряжений будут находиться в рамках допустимых диапазонов.

Есть три наиболее важных диапазона рабочих напряжений:

  • Диапазон питающих напряжений (supply-voltage range) определяется как полное напряжение между выводами питания. Например, при заявленном диапазоне ±15 В полный размах напряжения составит 30 В. Диапазон рабочих напряжений питания для ОУ может быть обозначен как 6…36 В. Тогда минимальный размах напряжений составляет ±3 или +6 В. Максимальный размах будет ±18 или +36 В. Диапазон напряжений питания может составлять и вовсе 6/+30 В. И – да, несимметричное питание также может использоваться, если учесть замечания следующих пунктов.
  • Входное синфазное напряжение (common-mode voltage range, СМ) обычно указывается относительно значений рабочих напряжений питания, как показано на рисунке 1. В этом случае в документации используется формульная запись, например, для гипотетического ОУ с синфазным напряжением на 2 В больше отрицательного напряжения питания и на 2,5 В меньше положительного напряжения будет использована примерно такая запись: от (V-)+2 В до (V+)-2,5 В.
  • Диапазон выходного напряжения (output-voltage range) или размах выходного напряжения (output-swing capability) так же, как и в предыдущем случае, указывается относительно значений питающих напряжений. В приведенном примере – от (V-)+1 В до (V+)-1,5 В.

На рисунках 1, 2 ,3 представлена буферная схема повторителя напряжения с коэффициентом усиления G = 1. Ключевая особенность схемы заключается в том, что выходное напряжение усилителя на рисунке 1 будет на 2 В больше, чем значение отрицательного напряжения питания, и на 2,5 В меньше, чем значение положительного напряжения питания. Так получается из-за ограниченного значения входного синфазного напряжения CM. Вам потребуется изменить коэффициент усиления, чтобы расширить диапазон выходных напряжений до максимума.

Схема на рисунке 1 является типовой для ОУ с биполярным питанием. Однако использовать однополярное питание также возможно, если не выходить за границы разрешенных диапазонов напряжений.

Диапазоны входных и выходных напряжений типового ОУ с биполярным питанием (dual supply)

Рис. 1. Диапазоны входных и выходных напряжений типового ОУ с биполярным питанием (dual supply)

На рисунке 2 представлен так называемый ОУ с однополярным питанием (single-supply op amp). Для него допустимое синфазное напряжение может быть равно размаху напряжения питания, а зачастую даже выходит за его границы. Это позволяет использовать такой ОУ в широком перечне схем, которые работают с близкими к нулю потенциалами. ОУ, который не заявлен как усилитель с однополярным питанием, на самом деле также способен работать в однополярной конфигурации в некоторых схемах, однако реальный однополярный усилитель оказывается более универсальным.

 Диапазоны входных и выходных напряжений типового ОУ с однополярным питанием (single-supply op amp)

Рис. 2. Диапазоны входных и выходных напряжений типового ОУ с однополярным питанием (single-supply op amp)

В буферной схеме с коэффициентом усиления G = 1 такой ОУ обеспечивает потенциал выхода на 0,5 В выше уровня отрицательного напряжения питания за счет ограничения выходного диапазона и на 2,2 В ниже значения положительного напряжения питания за счет ограничения входного синфазного напряжения.

На рисунке 3 показан rail-to-rail ОУ. Вход rail-to-rail способен работать со входными напряжениями, равными или даже превосходящими уровни питающих напряжений. Выход типа rail-to-rail подразумевает, что выходные напряжения ОУ максимально близки к значениям напряжений питания, и обычно отличаются от них всего на 10…100 мВ. Некоторые ОУ обозначают только как усилители с выходом типа «rail-to-rail» и не упоминают о входных характеристиках, показанных на рисунке 3. Технологию «Rail-to-rail» чаще всего применяют для ОУ с однополярным питанием 5 В и ниже, чтобы максимально эффективно использовать ограниченный диапазон питающих напряжений.

Диапазоны входных и выходных напряжений типового rail-to-rail ОУ

Рис. 3. Диапазоны входных и выходных напряжений типового rail-to-rail ОУ

Усилители rail-to-rail весьма привлекательны благодаря менее жестким ограничениям диапазонов используемых напряжений, однако они не всегда являются оптимальным выбором. Как правило, приходится искать компромиссы с учетом значений других параметров. Именно для этого и нужны разработчики аналоговых схем.

Что нужно знать о входах rail-to-rail

Rail-to-rail ОУ чрезвычайно популярны и полезны при работе с малыми уровнями напряжений питания. Вместе с тем, необходимо понимать, чем приходится расплачиваться за возможность их использования. На рисунке 4 показан входной каскад rail-to-rail, который содержит по паре N-канальных и P-канальных транзисторов. P-канальные полевые транзисторы отвечают за работу с сигналами из нижней части диапазона синфазных напряжений, в том числе – с теми, которые оказываются немного меньше отрицательного напряжения питания (или потенциала земли в случае ОУ с однополярным питанием).

N-канальные полевые транзисторы работают с сигналами из верхней части диапазона синфазных напряжений, в том числе – с теми, которые оказываются немного выше положительного напряжения питания. Дополнительные цепи (на рисунке 4 не показаны) определяют, какой из каскадов используется в данный момент. Большинство подобных двухкаскадных ОУ производства компании Texas Instruments (TI) разработано таким образом, что переключение между активными каскадами происходит при напряжении на 1,3 В ниже положительного напряжения питания. При более высоких значениях P-канальным транзисторам не хватает напряжения на затворе, и сигнал перенаправляется к N-канальным ключам.

Типовой входной каскад rail-to-rail содержит два N-канальных и пару P-канальных транзисторов

Рис. 4. Типовой входной каскад rail-to-rail содержит два N-канальных и пару P-канальных транзисторов

Входные P-канальные и N-канальные каскады отличаются значениями напряжения смещения (offset voltages). Если входной сигнал проходит через границу переключения каскадов, то это приводит к скачкообразному изменению напряжения смещения. Некоторые ОУ проходят заводскую лазерную подгонку или электронную подстройку для уменьшения напряжения смещения. Такая подгонка позволяет уменьшить скачок при переключении каскадов, однако не убирает его полностью. Схема, которая отвечает за переключение, в качестве базовой точки, использует положительное напряжение питания. При использовании питания 3,3 В это приводит к неприятному явлению – появлению средней точки (midsupply).

В большинстве приложений такое скачкообразное изменение смещения проходит незамеченным, однако для прецизионных схем это может стать проблемой. Также могут возникнуть искажения при работе с переменным сигналом, если такой сигнал пересекает точку переключения каскадов.

На рисунке 5 показан второй вариант реализации rail-to-rail-входов. Встроенный повышающий регулятор формирует для P-канального каскада напряжение, которое оказывается примерно на 2 В выше, чем напряжение питания. Использование повышенного напряжения позволяет с помощью единственного каскада работать с входным диапазоном rail-to-rail без каких-либо скачков.

Входной каскад rail-to-rail с внутренним повышающим регулятором для питания P-канального каскада

Рис. 5. Входной каскад rail-to-rail с внутренним повышающим регулятором для питания P-канального каскада

Слова «повышающий преобразователь» для некоторых разработчиков звучат пугающе: «Разве эти преобразователи не шумят?» Однако наиболее современные модели производства TI стали заметно тише. Повышающий регулятор требует очень мало тока, так как используется только для питания входного каскада. Здесь не требуется дополнительных внешних выводов и конденсаторов – все интегрировано в ОУ. Уровень шума преобразователя оказывается меньше собственного широкополосного шума ОУ, и его редко можно увидеть во временной области. Однако устройства, анализирующие шумовой спектр этих ОУ, могут обнаружить в нем некоторые артефакты.

Не во всех приложениях требуется вход rail-to-rail. Инвертирующим усилителям и усилителям с неединичным коэффициентом усиления такой вход не нужен. И, тем не менее, его используют. Задумайтесь, действительно ли вам необходим rail-to-rail-усилитель? Многие инженеры предпочитают использовать их, чтобы не волноваться о выходе сигнала за рамки допустимого входного диапазона напряжений. Они применяют одни и те же ОУ во многих электронных узлах своих систем. Одни узлы требуют входа rail-to-rail, а другие – нет. Зная о существующих типах rail-to-rail и их особенностях, следует подходить к их выбору более осознанно. Если же возникают сомнения – всегда можно обратиться к инженерам на форуме TI E2E™ / Community Precision Amplifers.

Вот несколько примеров ОУ:

  • OPA340 – ОУ с двухкаскадным входом и подгонкой напряжения смещения, 5,5 МГц, rail-to-rail КМОП;
  • OPA343 – ОУ с двухкаскадным входом без подгонки напряжения смещения, 5,5 МГц, rail-to-rail КМОП;
  • OPA320 – ОУ с однокаскадным входом и повышающим регулятором, 20 МГц, rail-to-rail КМОП;
  • OPA322 – ОУ с однокаскадным входом и повышающим регулятором, 20 МГц, rail-to-rail КМОП.

Источник: www.compel.ru

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
OPA340UA
OPA340UA
Texas Instruments
Арт.: 21704 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
OP AMP, CMOS RRI/O, SMD, SOIC8, 340; Amplifiers, No. of:1; Op Amp Type:General Purpose; Gain, Bandwidth -3dB:5.5MHz; Slew Rate:6; Voltage, Supply Min:2.5V; Voltage, Supply Max:5.5V; Termination Type:SMD; Case Style:SOIC; Pins, No.…
OPA340UA
-
Поиск
предложений
OPA343UA
OPA343UA
Texas Instruments
Арт.: 32374 ИНФО PDF AN
Поиск
предложений
OP AMP, CMOS RRI/O, SMD, SOIC8, 343; Amplifiers, No. of:1; Op Amp Type:Low Voltage; Gain, Bandwidth -3dB:5.5MHz; Slew Rate:6; Voltage, Supply Min:2.5V; Voltage, Supply Max:5.5V; Termination Type:SMD; Case Style:SOIC; Pins, No.…
OPA343UA
-
Поиск
предложений
OPA340NA/250
OPA340NA/250
Texas Instruments
Арт.: 32999 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
OP AMP, SINGLE, SMD; Amplifiers, No. of:1; Op Amp Type:General Purpose; Gain, Bandwidth -3dB:5.5MHz; Slew Rate:6V/чs; Voltage, Supply Min:2.5V; Voltage, Supply Max:5.5V; Termination Type:SMD; Case Style:SOT-23; Pins, No.…
OPA340NA/250
-
Поиск
предложений
OPA343NA/250
OPA343NA/250
Texas Instruments
Арт.: 150704 ИНФО PDF AN
Поиск
предложений
Operational Amplifier (Op-Amp) IC; No. of Amplifiers:1; Op Amp Type:Wideband; Gain Bandwidth -3db:5.5MHz; Slew Rate:6V/чs; Supply Voltage Min:2.5V; Supply Voltage Max:5.5V; No. of Pins:5
OPA343NA/250
-
Поиск
предложений
LM234Z-3/NOPB
LM234Z-3/NOPB
Texas Instruments
Арт.: 336613 ИНФО PDF AN
Поиск
предложений
Temperature Sensor with Analog Current Source Output in TO-92 3-TO-92 -25 to 100
LM234Z-3/NOPB
-
Поиск
предложений
OPA340NA/250G4
OPA340NA/250G4
Texas Instruments
Арт.: 386346 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
IC OPAMP GP R-R 5.5MHZ SOT23-5
OPA340NA/250G4
-
Поиск
предложений
OPA340NA/3K
OPA340NA/3K
Texas Instruments
Арт.: 386347 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
Single-Supply, Rail-to-Rail Operational Amplifiers MicroAmplifier(TM) Series 5-SOT-23 -40 to 85
OPA340NA/3K
-
Поиск
предложений
OPA340NA/3KG4
OPA340NA/3KG4
Texas Instruments
Арт.: 386348 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
IC OPAMP GP R-R 5.5MHZ SOT23-5
OPA340NA/3KG4
-
Поиск
предложений
OPA343NA/250G4
OPA343NA/250G4
Texas Instruments
Арт.: 386359 ИНФО PDF AN
Поиск
предложений
Single-Supply, Rail-to-Rail Operational Amplifiers MicroAmplifier™ Series 5-SOT-23 -40 to 85
OPA343NA/250G4
-
Поиск
предложений
OPA343NA/3K
OPA343NA/3K
Texas Instruments
Арт.: 386360 ИНФО PDF AN
Поиск
предложений
IC OPAMP GP R-R 5.5MHZ SOT23-5
OPA343NA/3K
-
Поиск
предложений
OPA343NA/3KG4
OPA343NA/3KG4
Texas Instruments
Арт.: 386361 ИНФО PDF AN
Поиск
предложений
IC OPAMP GP R-R 5.5MHZ SOT23-5
OPA343NA/3KG4
-
Поиск
предложений
OPA343UA/2K5
OPA343UA/2K5
Texas Instruments
Арт.: 386362 ИНФО PDF AN
Поиск
предложений
IC OPAMP GP R-R 5.5MHZ SGL 8SOIC
OPA343UA/2K5
-
Поиск
предложений
OPA343UA/2K5G4
OPA343UA/2K5G4
Texas Instruments
Арт.: 386363 ИНФО PDF AN
Поиск
предложений
IC OPAMP GP R-R 5.5MHZ SGL 8SOIC
OPA343UA/2K5G4
-
Поиск
предложений
OPA320AIDBVR
OPA320AIDBVR
Texas Instruments
Арт.: 856686 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
Precision, 20MHz, 0.9pA Ib, RRIO, CMOS Operational Amplifier 5-SOT-23 -40 to 125
OPA320AIDBVR
-
Поиск
предложений
OPA320AIDBVT
OPA320AIDBVT
Texas Instruments
Арт.: 856687 PDF AN RD
Поиск
предложений
OP AMP, CMOS, 20MHZ, 5SOT23, FULL REEL
OPA320AIDBVT
-
Поиск
предложений
OPA322AIDBVR
OPA322AIDBVR
Texas Instruments
Арт.: 856688 ИНФО AN RD
Поиск
предложений
20-MHZ, LOW-NOISE, 1.8-V, RRI/O, CMOS OPERATIONAL AMPLIFIER WITH SHUTDOWN
OPA322AIDBVR
-
Поиск
предложений
LM234Z-6/NOPB
LM234Z-6/NOPB
Texas Instruments
Арт.: 877262 ИНФО AN
Поиск
предложений
Temperature Sensor with Analog Current Source Output in TO-92 3-TO-92 -25 to 100
LM234Z-6/NOPB
-
Поиск
предложений
OPA322SAIDBVR
OPA322SAIDBVR
Texas Instruments
Арт.: 1111863 ИНФО AN RD
Поиск
предложений
20-MHZ, LOW-NOISE, 1.8-V, RRI/O, CMOS OPERATIONAL AMPLIFIER WITH SHUTDOWN
OPA322SAIDBVR
-
Поиск
предложений
OPA322SAIDBVT
OPA322SAIDBVT
Texas Instruments
Арт.: 1111864 ИНФО AN RD
Поиск
предложений
20-MHZ, LOW-NOISE, 1.8-V, RRI/O, CMOS OPERATIONAL AMPLIFIER WITH SHUTDOWN
OPA322SAIDBVT
-
Поиск
предложений
OPA320SAIDBVR
OPA320SAIDBVR
Texas Instruments
Арт.: 1204054 AN RD
Поиск
предложений
OPA320SAIDBVR
-
Поиск
предложений
OPA320SAIDBVT
OPA320SAIDBVT
Texas Instruments
Арт.: 1204055 PDF AN RD
Поиск
предложений
IC, OP-AMP, SINGLE, 20MHZ, SOT-23-6
OPA320SAIDBVT
-
Поиск
предложений
OPA320AQDBVRQ1
OPA320AQDBVRQ1
Texas Instruments
Арт.: 2287997 PDF AN RD
Поиск
предложений
OPA320AQDBVRQ1
-
Поиск
предложений
OPA320AQDBVTQ1
OPA320AQDBVTQ1
Texas Instruments
Арт.: 2287998 PDF AN RD
Поиск
предложений
OPA320AQDBVTQ1
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()