Знания по выбору операционных усилителей полезны и необходимы при проектировании аналоговых схем. Но пока в сети недостаточно информации, которую следует учитывать при замене операционного усилителя в каком-либо радиолюбительском проекте. С питающим напряжением всё понятно, но многие другие характеристики, которые кажутся очевидными, например диапазон синфазных напряжений, содержат нюансы которые легко не заметить.
Цель этого материала – рассмотреть три ключевых момента, которые следует учитывать при замене операционного усилителя общего назначения или прецизионного ОУ со связью по напряжению. Они включают топологию входного каскада операционного усилителя, топологию выходного каскада и технологию производственного процесса самого полупроводникового устройства. Каждый из этих аспектов влияет на производительность схемы или функциональность операционных усилителей, или на то и другое в конкретном проекте.
Топология входного каскада (Vos и Vcm)
Две наиболее популярные топологии входного каскада операционных усилителей представляют собой традиционную пару с одним входом и парой дополнительных входов, как показано на рисунке. Слева показан входной каскад, состоящий из одной пары транзисторов NPN. Такая топология обычно имеет диапазон синфазного входного напряжения, который включает отрицательное напряжение питания, но может простираться только примерно на 1–2 В ниже положительного напряжения питания. В обмен на этот недостаток ОУ только с одной парой транзисторов входного каскада имеют относительно постоянное напряжение смещения, поскольку транзисторы по своей природе хорошо согласованы друг с другом, например, термически.
Одна пара PNP-транзисторов (a) и входная комплементарная пара (b) являются распространенной топологией входного каскада операционных усилителей.
В дополнение к уменьшенному диапазону синфазного напряжения эти устройства могут страдать от инверсии фазы, которая возникает в некоторых операционных усилителях, когда входное напряжение превышает линейный входной диапазон синфазного сигнала. При реверсе фазы выходное напряжение поступает на встречную шину. Хотя существуют методы предотвращения этого, также можно использовать более простое решение: входной каскад комплементарной пары (справа).
Эта топология имеет одну пару N-канальных металлооксидно-полупроводниковых (NMOS) транзисторов. Они активны, когда синфазное напряжение близко к положительному напряжению питания; и одна пара транзисторов металл-оксид-полупроводник (PMOS) с P-каналом (активны, когда синфазное напряжение близко к отрицательному напряжению питания). Эта топология предотвращает инверсию фазы и расширяет диапазон синфазных напряжений, чтобы охватить весь диапазон напряжений, питающих входной каскад.
Хотя эта топология расширяет входной диапазон синфазных напряжений, переключение между парами транзисторов PMOS и NMOS создает определенную узкую «переходную область» напряжения смещения, как показано на рисунке. Напряжение синфазного сигнала при котором происходит этот переход, и величина напряжения смещения, будут зависеть от конструкции и технологии обработки ОУ. Устройства с большими колебаниями напряжения смещения, как правило, не подозреваются в том, что они имеют вход Rail-to-Rail (RRI). Тем не менее, устройства с хорошо согласованными парами транзисторов входного каскада, методами цифровой коррекции или настройкой смещения обычно характеризуют входной сигнал RRI. Технические характеристики, отличные от напряжения смещения, такие как коэффициент подавления синфазного сигнала, полоса пропускания, минимальный уровень шума, скорость нарастания и коэффициент усиления разомкнутого контура, в среднем имеют пониженные значения для транзисторов NMOS.
Входной каскад с парами дополнительных входов включает не-RRI (a), RRI (b) и RRI-усеченный (c).
Ещё одна топология — усилитель с нулевым переходом. Эти усилители используют внутреннюю подкачку заряда и имеют только одну пару транзисторов входного каскада. Зарядный насос внутренне повышает напряжение питания устройства, например, на 1,8 В, что обеспечивает линейную работу пары транзисторов входного каскада во всем диапазоне питающих напряжений (RRI) и без падения области перехода входного напряжения со смещением.
Операционный усилитель с нулевым кроссовером использует внутренний насос заряда и имеет одну пару транзисторов входного каскада.
Таким образом, при замене операционного усилителя убедитесь, что как диапазон синфазных напряжений, так и топология входного каскада совместимы с исходным устройством выбранным для работы в схеме.
Выходной каскад (Zo)
Вторым важным фактором, который следует учитывать при замене операционного усилителя, является Zo — выходное сопротивление микросхемы. Это становится особенно важным при управлении емкостной нагрузкой, поскольку Zo и нагрузка образуют полюс на кривой усиления контура операционного усилителя. Этот полюс может вызвать проблемы со стабильностью схемы, добавляя задержку в пути обратной связи, тем самым уменьшая запас по фазе.
Одним из наиболее распространенных решений для стабилизации емкостной нагрузки является размещение изолирующего резистора Riso между нагрузкой и схемой операционного усилителя. Riso компенсирует возникающий полюс, создавая ноль в передаточной функции. Однако положение нуля (и, следовательно, значение Riso) зависит от Zo. Поэтому важно понимать не только размер сопротивления, но и как оно меняется с частотой. На рисунке далее показаны различные кривые Zo, демонстрирующие эту концепцию для различных операционных усилителей.
Операционные усилители показывают разные кривые Zo.
Если новый операционный усилитель имеет другой выходной каскад и, следовательно, другую кривую Zo, возможно, потребуется отрегулировать компоненты компенсации. Запуск симуляции, например, в PSpice — быстрый и простой способ проверить запас по фазе и при необходимости настроить значения компонентов для нового операционного усилителя в проекте. Не забудьте измерить небольшой выброс сигнала в физической схеме, чтобы проверить результаты моделирования и правдоподобие проекта в реальных условиях.
Технология производства (биполярный или CMOS)
Технология производства чипа влияет на многие характеристики операционных усилителей, включая напряжение смещения, дрейф, синфазный режим и диапазоны колебаний выходного напряжения, кривую зависимости выходного напряжения от выходного тока, шум и входной ток смещения ОУ. Подробное рассмотрение всех этих нюансов выходит за рамки этой статьи, но некоторые основные характеристики производственного процесса включают в себя: ток смещения входа усилителя и шум (спектральная плотность шума).
Биполярные усилители или, по крайней мере, операционные усилители с входными каскадами на биполярных транзисторах, имеют относительно высокий входной ток смещения по сравнению с дополнительными полупроводниковыми усилителями с оксидно-диэлектрическим слоем (CMOS). Это связано с тем, что входной ток смещения входного каскада биполярных операционных усилителей зависит от величины тока базы транзистора, который обычно находится в диапазоне наноампер.
Хотя существуют методы уменьшения входного тока смещения в биполярных усилителях, КМОП-усилители имеют гораздо более низкие входные токи смещения, которые обычно находятся в диапазоне пикоампер или даже фемтоампер. Просто в таких схемах ток смещения входа усилителя является результатом утечки тока через диоды, защищающие от электростатического разряда на входе. Спецификация входного тока смещения особенно важна в устройствах, где цепь обратной связи имеет большие резисторы, а также в связи с источниками сигнала с очень высоким сопротивлением.
Помимо входного тока смещения, при замене элемента этого типа другим, следует учитывать кривую спектральной плотности шума напряжения на выходе данного операционного усилителя. Кривая обычно представляет шум в нановольтах на квадратный корень из герца как функцию частоты. Существуют две основные области этой кривой: область 1/f и широкополосная область. Область 1/f представляет низкочастотную составляющую шума, уменьшающуюся по мере увеличения частоты — так называемый розовый шум, или просто 1/f.
Широкополосная область — это высокочастотный шум, который обычно постоянен в зависимости от частоты — он имеет бесконечный плоский спектр — это белый шум. Шумовая волна 1/f — это место, где область 1/f становится широкополосной областью. Этот параметр часто считается ключевым количественным значением при сравнении шумовых характеристик операционного усилителя. Как правило, биполярные усилители имеют провалы шума 1/f на более низкой частоте, чем усилители на КМОП. На рисунке далее показаны кривые спектральной плотности шума входного напряжения для биполярного усилителя и КМОП.
Сравнение спектральной плотности шума входного напряжения для биполярных и КМОП-усилителей.
При замене операционного усилителя следует также учитывать влияние шума и полосы пропускания широкополосного компонента. Например, кажется логичным, что операционный усилитель с плотностью шума 4 нВ/vГц и полосой 10 МГц легко заменить на операционный усилитель с аналогичными параметрами 3 нВ/vГц и 40 МГц. Но если в конструкции нет внешней фильтрации сигнала — например, в виде RC-фильтра на выходе — операционный усилитель с более низким уровнем собственных шумов и более широкой полосой пропускания фактически производит больше выходного шума, чем ОУ с более высоким уровнем шума и меньшей пропускной способностью.
Другие моменты по замене ОУ
Всякий раз при замене ОУ, нужно учитывать не только напряжение питания, корпус и схему выводов. Например, хотя два чипа могут иметь одинаковый диапазон синфазных напряжений, они могут иметь разную конструкцию входных каскадов. В зависимости от исходного и заменного операционных усилителей это может ввести сигнал в переходную область, что приведет к ухудшению пути прохождения сигнала по мере того, как сигнал приближается по величине к положительному напряжению питания.
Точно так же два ОУ могут иметь одинаковый диапазон входного напряжения, но очень разные графики выходного сопротивления без обратной связи. В таких случаях проект следует смоделировать в работе, чтобы убедиться, что имеется достаточный запас по фазе для поддержания стабильности схемы.
Тогда замена операционных усилителей, изготовленных по КМОП-технологии, на биполярные элементы (или наоборот) имеет множество последствий. Двумя из них являются входной ток смещения и спектральная плотность шума элемента. Если исходная конструкция имеет большие резисторы в цепи обратной связи, интерфейсы с источником сигнала с высоким сопротивлением или и то, и другое, необходимо сравнить графики входного тока смещения.
Также соблюдать осторожность при сравнении шумовых характеристик ОУ в сочетании с его полосой пропускания. Тот факт, что операционный усилитель имеет более низкий шумовой порог 1/f или более низкий широкополосный шум, не обязательно означает что он вносит меньший шум в тракт прохождения сигнала.
- И вот в конце ещё один полезный PDF материал (на английском) – чек-лист по замене ОУ.
