Операционные усилители: 10 схем на (почти) все случаи жизни

Обзор операционных усилителей

Опубликовано 28th Jan 2022 в Профессиональное аудио

Для простого и вдобного выбора операционных усилителей я составил таблицу

Перед описанием звука и своих впечатлений, напишу список операционных усилителей, которые я ставил в свою студийную карту, микшерный пульт и слушал с 2022 по 2022 год:

• opa2134
• opa134
• opa1611
• opa2211
• opa211
• opa2604
• opa2227
• lme49720
• lm6172
• lm6171
• opa827
• ada4627
• ad8512
• ad797
• ad8676
• op27
• lm837
• tl072
• tl052
• tl032
• mc33078
• ne5532
• ne5534
• к544уд1а
• lf353
• ths3111
• njm2068
• njm4560
• njm4558

Сразу отвечу на главный вопрос, возникший у вас, лучшего операционника не существует, существуют комбинации, в которых у каждого из них есть лучшая роль. Теперь немного подробней.

Первое, что координально влияет на звук операционного усилителя- это качество блока питания, с импульсным блоком питания ожидать хорошего звука можно только от медленных операционных усилителей со скоростью нарастания менее 9в/мкс, таких как ne5532, njm2068, njm4558, njm4560, op27, остальные более быстрые ОУ будут звучать слишком скучно и бледно. Плюс, как минимум, в таком блоке питания необходимы качественные конденсаторы Nichicon PW (так считаю не только я, но и инженеры компании Black Lion) .

Скорость нарастания сигнала — это параметр операционного усилителя равный окрасу звука в отношении к его детальности, другими словами чем ниже скорость, тем больше приятный транзисторный окрас и меньше детальность, и наоборот, чем выше скорость ОУ тем больше детальность и эффект 3D, но при этом звук становится сухой и стерильный. Потому такие производители студийного оборудования как SSL, Black Lion, Digidesign, AVID используют в своих приборах комбинации быстрых и медленных операционных усилителей, в таких комбинациях появляется звук достаточно детальный и при том яркий и живой.

ОУ на биполярных транзисторах звучат максимально детально, но при этом суховато. ОУ со входом на полевых тразисторах звучат менее детально но дают более «влажный» теплый звук. Это дает следующий принцип использования ОУ, нельзя использовать только ОУ на биполярных транзисторах или только ОУ c полевыми транзисторами на входе. Обязательно нужны комбинации, если вы ищете максимально крутой звук.

Вывод — все hi-end и студийные устройства высокого класса и качества звука с использованием ОУ строятся на сочетании быстрых операционных усилителей на биполярных тразисторах (со скоростью более 9) с медленными на полевых (со скоростью менее 9) либо наоборот на сочетании быстрых операционных усилителей на полевых транзисторах (более 20) с медленными на биполярных (менее 9).

Плюс к этому, среди равных, по звуку всегда победит устройство с более качественным блоком питания с хорошим трансформатором и качественными конденсаторами

ne5532 — по праву король среди операционных усилителей на биполярных транзисторах, за счет невысокой скорости 9в/мкс имеет не самую высокую детальность, и за счет нее же очень приятный транзисторный звук, дает хорошее усиление и звуковую картину прямо перед лицом, каждый элемент музыки крупнее и ближе к слушателю. Все это только при условии правильной схемы питания — двух электролитов не менее 100мкф с плюса и минуса питания на землю и трех керамических конденсаторов 0.1мкф с плюса с минуса на землю и между плюсом и минусом питания. В сочетании с операционным усилителем tl072 в качестве интегратора (dc servo) дает легендарный звук классических английских студийных консолей(микшерных пультов).

opa2134 (opa134) — горячо любимый многими операционный усилитель со скоростью 20в/мкс — его секрет это искажения в виде кучи гармоник на средних и высоких частотах, что в звуке очень теплая ламповая середина и верх, именно благодаря таким особенностям он дает то, что больше не сможет дать ни один другой операционный усилитель со схожими характеристиками, и именно поэтому его выбрали для своих приборов такие производители как Digidesign, AVID, Dangerous, Black lion. Отлично сочетается в последних интерфейсах Pro tools HD с интеграторами(dc servo) на медленных opa2227.

ada4627 — чистый как слеза младенца по звучанию быстрый 82в/мкс операционный усилитель с полевыми транзисторами на входе, есть небольшое ощущение стерильности звука в связи с очень большой скоростью, потому обязательно требует медленный интегратор (dc servo) на биполярных транзисторах со скоростью ниже 9в/мкс, к примеру такой как opa2227 .

opa827 — схожий с ada4627 ОУ, как по звуку, так и по характеристикам, отстающий по четкости и объемности, за счет низкой 28в/мкс скорости относительно ada4627. К преимуществам можно отнести работу с питанием до +-18В в то время как ada4627 работает только с напряжением питания до +-15В. Большинству тестирующих и использующих opa827 он кажется более скучным по звуку чем opa627 (55в/мкс) и возможно это тоже связано с разностью в скоростях. На мой слух он тоже не выделился окрасом звука, дал небольшой (не особо усиленный) увлажненный но неокрашенный звук — если совсем коротко, то мне напомнил немного мутноватую версию ada4627.

ad8512— достаточно быстрый ОУ на полевых транзисторах со скоростью 20в/мкс, обладающий звучанием схожим с opa827 , возможно звук больше по ощущениям в размерах чем у opa827 за счет другой схемы построения и могу сказать что он довольно приятно увлажняет звук за счет построения на полевых транзисторах. Джим Виллиямс-гуру американского звукового студийного и hi-end приборостроения рекомендовал использовать его в роли интергратора (dc servo) при апгрейдах tl072 в студийном оборудовании и я последовал этой рекомендации- звук стал довольно четче и влажнее относительно tl072, но окрас явно убавился и надо думать как добавить окрас и что еще можно изменить в схеме. Ну, а чтобы вы окончательно поняли всю силу этого ОУ я добавлю, что он применяется в самом лучшем студийном ревербераторе нашего времени Bricasti M7.

lm6172 (lm6171) — эталонный по детальности и четкости звука высокоскоростной 3000в/мкс операционный усилитель, создает максимальный 3d эффект требует обязательно качественного питания с танталовыми конденсаторами с плюса и с минуса на землю и не только(смотреть даташит), лучший вариант для выходных ОУ (выходного буфера) для всех аудио-устройств, конечно же имеет и недостаток в виде серьезного подсушивания звука и как я уже писал требует сочетания с медленными ОУ (интеграторами (dc servo) либо в других комбинациях), желательно со входом на полевых транзисторах, типа tl072 или tl032.

ths3111 — схожий с lm6171 высокоскоростной ОУ 1300в/мкс, уступающий ему в скорости, и по этой же причине уступающий в детальности и объему звучания. Именно этот операционный усилитель используется в качестве предусиливающего сигнал непосредственно сразу с выхода чипа DAC в интерфейсах Digidesign 192io (да, у меня есть схема и сам интерфейс) программно-аппаратного комплекса Pro-tools HD.

opa2227 — антипод lm6172 самый медленный 2в/мкс и потому самый красочный и яркий окрашенный ОУ c большим звуком и потому по праву считается одним из лучших ОУ для применения в качестве интегратора (dc servo) со многими быстрыми ОУ со входом на полевых транзисторах, такии как ada4627, opa2134, opa134, opa827, opa627.

opa1611 — достаточно свежий ОУ, активно тестируемый всеми кто не боится SOIC пайки, в сравнении с ne5532 более детальный, с меньшим усилением и без эффекта приближения как у 5532 однако сразу дающий увидеть все отражения ревербов, все мелочи эффектов и даже искажения и косяки записи, не так остро как с lm6172 но уже намного четче, естественно скорость 27в/мкс так же дает и явный недостаток — звук бледный, стерильный, без окраса, поэтому без интегратора(dc servo) типа tl032 этот ОУ не будет вам приятен, он будет детальный и аналитичный, но скучный, и только медленный ОУ с полевым входом сможет вдохнуть в него жизнь. В моей консоли с ролью интегратора хорошо справился и старый добрый tl072 с 13в/мкс, но все же более медленный ОУ будет предпочтительней. Плюс забыл добавить что opa1611 ощутимо добавляет бас в сравнении с ne5532 и отдаляет вокал.

tl072 — это не на шутку мультиплатиновый ОУ в роли интегратора(dc servo), используемый даже во всех других возможных ролях в консолях Soundcraft, Allen & Heath и великих SSL. Почему другие роли ему плохо подходят? Ну в наше время он звучит прямо скажем также приятно насколько и огромно и настолько же мутно. Это реально большой влажный теплый но мутный звук (так как ОУ не самый быстрый 13в/мкс и к тому же с полевыми транзисторами), поэтому он идеально дополняет более менее детальные несильно быстрые ОУ на биполярныхх транзисторах, и идеальной парой для него будет ne5532, неплохо как я говорил он работает с моими opa1611 и opa211 добавляя красок и габаритов к их детальности. Практически аналогом tl072 является lf353 как по характеристикам так и по звуку, но lf353 предназначен для стабильной работы на +-18вольт, а tl072 на +-15вольт.

tl032 — максимально красящий яркий медленный 3-5в/мкс ОУ, используемый в роли интегратора(dc servo), в большинстве современных студийных устройств SSL. Для меня это максимально понятное описание.

opa2604 — недооцененный многими операционный усилитель с полевыми транзисторами на входе, и в тоже время дающий увлажненный достаточно четкий звук, при наличии в питании конденсаторов аналогичных в описании ne5532, среди западных профи считается одним из лучших для применения в роли I/U. Активно используется в студийных приборах и пультах SSL в этой самой роли преобразователя ток/напряжение начиная с консоли SSL9000.

lme49710 (lme49720) — быстрый прецизионный ОУ (20в/мкс), широко применяемый для апгрейда ne5532 или в комбинации с ним. В комбинации с ne5532 используется во многих современный аудиокартах типа ASUS Essence STX II, где медленный ne5532 используется для того, чтобы задать окрас и приблизить(увеличить) звук а lme49720 для ускорения звука и хорошего звучания высоких и большей живости, естественно так как оба этих ОУ на биполярных транзисторах то звук суховат и большинство тех кто начинают заниматься апгрейдом этих карт меняют lme49720 на opa2132 или opa2134. В студийной технике lme49720 успешно применяется в новых моделях студийных консолей audient , а чтобы звук не казался суховатым от их скорости (и биполярных транзисторов на которых выполнены lme49720) в этих консолях он используется на пару со входными аудиотрансформаторами дающими хорошую долю сатурации и гармоник. Очень важно знать, что звук этого ОУ, как и у многих других скоростных, вам точно не понравится если забудете поставить в питание с плюса и с минуса на землю электролиты от 10мкф и более, либо если они заранее не будут предусмотрены в устройстве где вы планируете апгрейд- это прописано в даташите(паспорте) ОУ.

Cтатья дополняется…

Также читайте

• Таблица выбора операционных усилителей Аронова

  В таблице указаны основные характеристики операционных усилителей, влияющие на…

Facebook Twitter Vkontakte

Максим Аронов

Специалист по звуку и itBlog Comments powered by Disqus.

ЧТО ТАКОЕ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

ПРИМЕНЕНИЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ В ЗВУКОТЕХНИКЕ

НАЧАЛО СТАТЬИ

Однако ОУ хороши не только в буферных усилителях — используя наборы резисторов и конденсаторов на них можно построить и регуляторы тембра, причем и много полосные эквалайзеры, и фильтры только для определенного диапазона частот. Для примера рассмотрим схему рисунка 29:

Рисунок 29. Фильтр высокой частоты.

R1 и С2 образуют фильтр первого порядка, принцип которого лучше объяснить через реактивное сопротивление — при достижении определенной частоты реактивное сопротивление начнет уменьшаться и как только оно станет значительно меньше R1 амлитуда входного сигнала тоже начнет уменьшаться. Для проверки возьмем АЧХ данной схемы, нарисованную симулятором:

Рисунок 30.

Теперь пересчитаем реактивное сопротивление С1 для частот, показанных на графике выше. Изгиб линии АЧХ начинается примерно на 2 кГц, для этой частоты реактивное сопротивление С2 будет составлять 169 кОм, по отношению к 22 кОм R1 это начинает ощущаться. На частоте 24,1 кГц сопротивление С2 будет составлять 14 кОм и это уже меньше сопротивления R1 в 1,6 раза, следовательно напряжение тоже должно уменьшиться в 1,6 раза, что собственно и происходит при напряжении в 1,22 В на низкой частоте 500 Гц на частоте 24 кГц амплитуда уменьшилась до 0,75 В, т.е. в те же самые 1,6 раза. Теперь добавим еще одно, точно такое же звено, как R1-С2, и получим фильтр второго порядка:

Рисунок 31. Фильтр второго порядка Рисунок 32. АЧХ фильтра второго порядка.

Как видно из рисунка выходного напряжение на низких частотах снизилось, буквально на 0,2 В, а вот на высокой частоте завал происходит значительно интенсивней — теперь на частоте 24 кГц выходное напряжение составляет 0,3 В, что более чем в 2 раза меньше, чем в предыдущем фильтре. Для большей наглядности переведи эти значения в дБ, поскольку человеческое ухо уровень громкости воспринимает по логарифмическому закону, и АЧХ фильтра втрого порядка приобретает следующий вид:

Рисунок33. АЧХ фильтра второго порядка в дБ.

Из графика теперь видно, что на частоте 24 кГц завал АЧХ составляет 10 дБ, т.е в 3 раза ниже от низкочастотного. Добротность данного фильтра, т.е. зависимость на сколько уменьшится коф усиления в зависимости от изменения частоты, составляет 5 дБ на октаву. Октава — музыкальное понятие, означающее, что частота изменилась ровно в 2 раза. В данном случае за отрезок для расчетов были взяты частоты 10 кГц и 20 кГц, м на этом участке амплитуда уменьшилась на 5,2 дБ. Рассмотрим еще один пример — фильтр третьего порядка, т.е. содержащий 3 одинаковых узла:

Рисунок 34. Фильтр третьего порядка. Рисунок 35. АЧХ фильтра третьего порядка.

В этом фильтре «завал» АЧХ происходит 7,5 дБ на октаву, т.е. уменьшение амплитуды происходит гораздо интенсивней. По этому же принципу можно организовывать фильтры низких частот:

Рисунок 36. Фильтр низких частот Рисунок 37. АЧХ фильтра низких частот

Данные фильтры обычно используются в полных усилителях мощности для ограничения краев звукового диапазона, где обычно «селяться» неприятные помехи. Однако используя схемотехнику фильтра высоких частот можно организовать фильтр НЧ, для сабвуфера:

Рисунок 38. Фильтр для сабвуфера Рисунок 39. АЧХ фильтра для сабвуфера

Не смотря на полную работоспособность данного фильтра рекомендовать его использование было бы не совсем корректно — у него нет ограничения в области инфранизких частот, а это увеличивает шанс перегрева катушки динамической головки или ее механическое повреждение от ударов о магнитную систему. Теперь в качестве фильтра рассмотрим следующую схему:

Рисунок 40.

Здесь ОУ включен через инвертирующий вход, причем ООС ОУ содержит RC цепочки, которые однозначно будут влиять на АЧХ данной схемы. Так же схема содержит переменный резистор Х1, при среднем положении движка которого компоненты ООС и входной цепи делаются полностью симметричными, что дает право предположить, что ООС компенсирует изменения АЧХ, которые внесут входные элементы. На схеме слева от движка написано номинал резистора, в данном случае это 100 кОм, а справа — положение движка в процентах относительно его полного хода, т.е. 50 означает, что движок находится посередине. Для проверки суждений об АЧХ посмотрим на АЧХ данной схемы, сформированной симулятором:

Рисунок 41.

Действительно — красная линия, отображающая форму АЧХ практически идет по нулевой отметке. Теперь передвинем движок переменного резистора в сторону R2:

Рисунок 42.

Как видно из рисунка усилитель начал усиливать определенный участок АЧХ, расположенный в районе 40 Гц и это говорит о том, что реактивное сопротивление конденсаторов С2 и С3 изменяется на столько, что начинает влиять на ООС, причем форма полученной АЧХ сильно напоминает форму АЧХ LC резонансного контура, однако здесь нет индуктивностей, следовательно резонанс как таковой не возможен. Для определения частоты всплеска вводится дополнительное понятие — КВАЗИРЕЗОНАНС. Квазирезонанс может вызывать как всплеск АЧХ вверх, так и завал вниз — достаточно перевести движок переменного резистора в сторону R4:

Рисунок 43

Используя этот фильтр уже можно создать полноценный фильтр для сабвуфера, поскольку у него есть хорошее ограничения в области инфранизких частот. Единственно, что может потребоваться, так это изменить номинал частотозадающих конденсаторов, поскольку добротность у фильтра получается достаточно высокая. В результате получается следующая схема и ее АЧХ:

Рисунок 44

Используя несколько фильтров включенных параллельно, но имеющих разные частотозадающие конденсаторы можно построить эквалайзер — регулятор тембра, производящий регулировку в четырех и более участках АЧХ (полосах). На рисунке 45 приведена схема подобного эквалайзера на 8 полос:

Рисунок 45. Принципиальная схема эквалайзера на 8 полос.

Однако это далеко не единственный способ постройки эквалайзеров с использованием ОУ. На рисунке 47 приведена схема полностью пассивного эквалайзера, в котором ОУ выполняют роль буферного усилителя (Х1) и компенсатора потерь (Х2).

Рисунок 46. Принципиальная схема пассивного эквалайзера, опубликованного в журнале РАДИО в восьмидесятых годах.

Иногда для построения эквалайзеров на базе ОУ используют отдельные полосовые фильтры, включенные в ООС другого ОУ. Это позволяет уменьшить влияние полос друг на друга, а так же в широких пределах изменять величины подъема-завала участка АЧХ выбранной полосы:

Рисунок 47.

Однако при построении стереофонического эквалайзера желательно чтобы оба канала были идентичны друг другу, а это требует использование и резисторов и конденсаторов без разброса параметров. Найти такие весьма затруднительно, поэтому приходится подбирать и резисторы и конденсаторы. Избавиться от этой неприятности позволит изменение схемотехники полосовых фильтров, а именно использование регулируемых фильтров. В восьмидесятых годах в РАДИО была опубликована схема подобного эквалайзера на базе К157УД2. Использование именно этих ОУ было обоснованно тем, что они сдвоенные. Однако на сегодня не дефицитны микросхемы, содержащие в своем корпусе 4 ОУ, следовательно увеличение количества ОУ для регулируемых фильтров практически не скажется на увеличении количества микросхем. Схема эквалайзера на пять полос на базе регулируемых фильтров приведена на рисунке 48, причем данный эквалайзер может легок расширяться до 15-ти полосного:

Рисунок 48.

Кстати сказать — все предлагаемые выше эквалайзеры были из разрядка графических, т.е. при использовании ползунковых переменных резисторов возле каждого движка нанести градуировку, то по положению движка резистора можно судить о форме АЧХ:

Рисунок 49. Передняя панель графического эквалайзера ПРИБОЙ Э024С

Однако есть еще одна разновидность эквалайзеров — параметрические. Данные эквалайзеры позволяют влиять не только на подъем-завал АЧХ на определенном участке, но и перемещать этот участок и кроме этого регулировать добротность.

Рисунок 50. Передняя панель параметрического эквалайзера Klark Teknik DN410

В быту такие эквалайзеры используются крайне редко, тем не менее именно они позволяют более точно откорректировать АЧХ в зависимости от необходимости. Речь собственно о параметрических эквалайзерах зашла потому, что схема рисунка 48 позволяет трансформировать данный эквалайзер в параметрический, для чего необходимо подстроечные резисторы полосовых фильтров заменить на последовательно соединенный подстроечный резистор меньшего номинала и переменный резистор, выведенный на переднюю панель. С другой стороны никто не запрещает использовать одну полосу данного эквалайзера для выделения и усиления узкого участка АЧХ, который как раз и необходим для создания многофункционального фильтра для сабвуфера, к которому остается только добавить фазовращатель, чтобы устранить изменение фазы, происходящее в самом фильтре. В результате получается следующая схема фильтра для сабвуфера:

Рисунок 51. Принципиальная схема фильтра сабвуфера.

На рисунках 52 и 53 приведены изменения формы АЧХ в зависимости от регулировки частоты и добротности:

Рисунок 52. Изменение частоты фильтра для сабвуфера Рисунок 53. Изменение добротности фильтра для сабвуфера.

Все рассмотренные ранее варианты применения ОУ были основаны на использовании ООС — отрицательной обратной связи. Однако ОУ может быть охвачен и положительной обратной связью — ПОС, т.е. обратная связь заводится на НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ ВХОД. Такое включение позволяет «оцифровывать» некоторые аналоговые события, например при достижении определенной температуры должно произойти какое то событие, например включиться вентилятор принудительного охлаждения, а как только температура понизится ниже определенной температуры — выключиться. Подобные действия может осуществлять схема управления вентилятором, приведенная на рисунке 54.

Рисунок 54. Принципиальная схема управления вентилятором.

На схеме R7 выступает в роли вентилятора от компьютерной техники, размер которого и производительность, зависят уже от конструктивного исполнения усилителя. Подстроечным резистором Х1 регулируется порог срабатывания терморегулятора. Резистор R8 служит для включения вентилятора на минимальных оборотах и должен быть мощностью не менее 1 Вт, а сопротивление подбирается в зависимости от производительности. Для большей наглядности подключим к схеме генератор низких частот с небольшой амплитудой, имитирующей изменение R2 в зависимости от температуры и сравним входное и выходное напряжения ОУ:

Рисунок 55. Входные и выходное напряжения ОУ.

Здесь синей линией обозначен входное напряжение на инвертирующем входе, красной на не инвертирующем, а зеленой — на выходе ОУ. Поскольку выходное напряжение изменяется, то через резистор R4 оно влияет и на величину напряжения на не инвертирующем входе, однако на этом рисунке зависимость изменений видно не очень хорошо, поэтому отключим напряжение на выходе ОУ и более внимательно рассмотрим напряжения на входах:

Рисунок 56. Напряжение на входа ОУ.

Пока терморезистор R2 холодный его сопротивление велико и на инвертирующем входе напряжение будет положительным, следовательно напряжение на выходе ОУ будет максимально приближено к минусовому напряжению питания (синяя линия рисунка 56), а это в свою очередь повлечет появление небольшого отрицательного напряжения на не инвертирующем входе, примерно -0,3 В (красная линия рисунка 56). По мере нагрева R2 его сопротивление начнет уменьшаться, что повлечет уменьшение напряжения на инвертирующем входе ОУ, а затем переход в отрицательное значение. Как только напряжение на инвертирующем входе станет меньше, чем на не инвертирующем значение напряжения на выходе ОУ начнет увеличиваться, что повлечет увеличение напряжения на не инвертирующем входе и разница напряжения на входах ОУ еще больше увеличится. Поскольку ОУ усиливает только разницу напряжения на инвертирующем и не инвертирующем входах увеличение разницы напряжений повлечет еще большее увеличение выходного напряжения на выходе ОУ и разница входных напряжений станет еще больше. Таким образом образуется лавинный процесс, который способствует почти мгновенному изменению выходного напряжения на выходе ОУ, что собственно и происходит на рисунке 56, в точке 1 шкалы времени. По окончании этого процесса на выходе ОУ формируется напряжение, близкое по значению к положительному источнику питания, а на не инвертирующем входе появляется положительное напряжение равное 0,3 В. Появление положительного напряжение на выходе ОУ открывает транзистор Q1 (2N5551), который в свою очередь открывает Q2 (BD139) и вентилятор увеличивает обороты до максимальных. Кстати сказать — напряжение почти 15 В можно подавать далеко не на все компьютерные вентиляторы, поскольку не у всех вентиляторов устройство управления обмотками двигателя позволяет работать на повышенных оборотах. При достижении максимальных оборотов и дальнейшем увеличении напряжения питания магнитное поле вклеенных магнитов двигателя уже успевает «проскочить» нужный датчик Холла и в результате повышается вибрация двигателя, падают обороты и резко увеличивается нагрев силовых ключей двигателя. Поэтому, при питании схемы от напряжения ±15 В следует предусмотреть резистор на 0,5 Вт, включенный последовательно с вентилятором. Сопротивление этого резистора подбирается таким образом, чтобы на вентиляторе было 12-13 В, обычно 5…10 Ом хватает. Как только началось охлаждение, по логике, сопротивление терморезистора должно увеличиваться, но допустим, что тепловое сопротивление радиатора не очень хорошее и терморезистор продолжает нагреваться, а напряжение на инвертирующем входе продолжает уменьшаться. Но спустя какое то время спустя терморезистор начнет охлаждаться и его сопротивление начнет увеличиваться, а напряжение на инвертирующем входе начнет увеличиваться, дойдет до нуля и перейдет в положительное значение. Как только напряжение достигнет значения, равного напряжению на не инвертирующем входе и сразу же начнется лавинный процесс, но уже в отрицательную сторону — на выходе начнет уменьшаться провоцируя уменьшение напряжения на не инвертирующем входе увеличивая разницу напряжений на входа ОУ и в конце концов максимально приблизится в напряжению минусового напряжения питания. Что собственно и происходит во временной точке 2, в которой и выключается вентилятор. Как видно из графика переключение ОУ происходит не при одной и той же температуре — сначала должен произойти небольшой перегрев (напряжение на терморезисторе должно стать меньше -0,3 В), по отношению к установленной величине, а затем небольшое переохлаждение (напряжение на терморезисторе должно превысить +0,3 В). Исходя из этого можно построить график, изображенный на рисунке 57:

Рисунок 57.

Получившаяся схема представляет одину из возможных реализаций триггера Шмитта или компаратора, а представленный на рисунке 57 график является описанием петли Гистерезиса, т.е. данную схему можно рассматривать как простейший аналого-цифровой преобразователь — АЦП. Кроме контроля за температурой подобные схемы компараторов могут использоваться для управления вторым уровнем питания в мощных усилителях звуковой частоты класса Н. Принцип работы данных усилителей основан на разделении напряжения питания на две, обычно одинаковые части, и пока уровень выходного сигнала меньше более низкого питания оконечный каскад использует именно низковольтный источник. Как только амплитуда выходного сигнала начинает приближаться к величине напряжения питания на оконечный каскад подается «вторая часть» питания. Для более подробного рассмотрения используем усилитель Холтона:

Рисунок 58. Принципиальная схема Холтона в классе H.

В этой схеме в качестве компаратора используется специализированный ОУ LM311, имеющий на выходе транзистор и выведенными эмиттером и коллектором, что значительно расширяет возможности данной микросхемы — возможно включение и повторителем, и выходом с открытым коллектором. Как только напряжение на выходе усилителя достигает значения +40 В компаратор Х3 изменит напряжение на своем выходе и откроются транзисторы Х9 и Х10 и напряжение +100 В будет подано на стоки транзисторов оконечного каскада. Как только напряжение на выходе снизится ниже 22 В компаратор снова изменит свое состояние и «второй этаж» питания будет отключен. Напряжения при которых подключается и выключается «второй этаж» питания определяется положением движка подстроечного резистора R30, а петля Гистерезиса формируется резистором R37 и в данной схеме номинал этого резистора несколько занижен для большей наглядности. При повторении схемы рекомендуется использовать номинал на 2,2 МОм. Если есть уверенность в том, что у Вас ПРАВИЛЬНАЯ разводка печатной платы и вероятность возникновения импульсных наводок сведена до минимума, то от этого резистора можно вообще отказаться — внутренняя структура микросхемы позволяет. Для минусового плеча происходит тот же самый процесс, только за ним следит компаратор на X4, а второй уровень питания подключают транзисторы М7 и М8.

Рисунок 59. Управление вторым уровнем питания усилителя класса H.

В качестве транзисторов для подключения второго уровня питания на схеме используются IRF640 и IRF9640, как самые распространенные. Резисторы R63, R64, R69, R71 используются для уменьшения ударного процесса, который происходит в момент открытия транзисторов второго уровня и который неизбежно проявляется на выходном сигнале. Для уменьшения этого же процесса служат и конденсаторы С13 и С14. Если проблем с комплектацией нет, то вместо пар силовых транзисторов можно использовать по одному использовать более сильноточные транзисторы IRF5210 для плюсового плеча и IRF3710 для минусового. Резисторы в истоках необходимо уменьшить до 0,1 Ома. Питание систем управления осуществляется от параметрических стабилизаторов R53-D8-D9, для положительного плеча питания и R56-D10-D11, для отрицательного плеча. Два одинаковых стабилитрона обеспечивают виртуальную среднюю точку именно для каждого ОУ и эта точка является опорным для работы компаратора. Ну а что собственно дает такое включение оконечного каскада? Прежде всего уменьшения рассеиваемого тепла оконечным каскадом, поскольку изменяясь напряжение питания оконечного каскада существенно уменьшает рассеиваемое этим каскадом тело. А поскольку тепла выделяться стало значительно меньше, то уже можно использовать и меньшее количество пар транзисторов для этого самого, оконечного каскада, а это уже экономия средств. Кроме этого, в качестве транзисторов конечного каскада используются IRFP240-IRFP9240, максимальное напряжение СТОК-ИСТОК равно 200 В, следовательно напряжение питания усилителя по традиционной схеме не должно превышать ±90 В (десять вольт на технологический запас, хотя этого мало). Используя двух уровневое питание напряжение можно увеличивать, поскольку в любой момент времени к транзисторам будет приложено не более 3/4 от общего напряжения питания. Другими словами — даже при питании от двухуровневого питания ±50 В и ±100 В к транзисторам будет приложено напряжение не более 150 В, поскольку даже при максимальной амплитуде выходного сигнала один из транзисторов управления вторым уровнем будет закрыт — если на выходе плюсовая полуволна будет закрыто управление «вторым этажом» минусового напряжения и наоборот — если на выходе минусовая полуволна, то будет закрыто управление плюсового «второго этажа». Схемотехнически можно организовать работу компаратора таким образом, что он будет отслеживать не один уровень сравниваемого с опорным напряжения, а два. Подобные компараторы называются двух пороговыми, а использовать их можно, например для контроля напряжения питания усилителя, для контроля за уровнем постоянного напряжения на выходе усилителя. С защиты от постоянного напряжения для АС и начнем:

Рисунок 60. Защита АС от постоянного напряжения.

Здесь на входа ОУ изначально поддано напряжения смещения , организованное на диодах D3 и D4 (1N4148). В качестве выхода усилителя мощности служит генератор синусоидального сигнала V1 и если на нем появляется напряжение плюсовое постоянное напряжение, то увеличить величину на не инвертирующем входе оно не может — не даст D3, а вот на инвертирующем входе увеличению положительного напряжения ни чего не мешает и на выходе ОУ сформируется почти минус напряжения питания, что повлечет закрытие составного транзистора Q1-Q2 и реле (R12) отключится. Если же на выходе усилителя появляется минусовое напряжение, то увеличиваться, точнее уменьшаться оно не сможет на инвертирующем входе — не даст D4, а вот на не инвертирующем входе оно без припятственно может принимать отрицательные значения, что так же повлечет к появления на выходе ОУ почти минусового напряжения питания и реле снова отключится. Для примера подадим с генератора напряжение амплитудой 9 В и частотой 0,1 Гц, которое можно считать за имитацию постоянного напряжения:

Рисунок 61. Временные диаграммы работы защиты АС, длительность 10 сек.

Синяя линия — сигнал с генератора, красная — напряжение на коллекторах Q1 и Q2. Цепочка С2 и R13 служит для задержки подключения АС в момент включения усилителя и на короткое время (пока С2 заряжается) подает небольшое положительное напряжение на вход устройства. А чем эта схема лучше популярных транзисторных аналогов? Есть один нюанс, который рано или поздно может довести до неприятностей. Для примера возьмем одну из популярных схем защиты от постоянного напряжения:

Рисунок 62. Принципиальная схема защиты АС от постоянного напряжения.

Плюс на выходе усилителя открывает Q1- Q3 закрывается, минус на выходе усилителя открывает Q2 — Q3 закрывается, вроде бы все верно, но вот как это происходит? Емкость C2 достаточно велика и мгновенно включить и выключить реле она не позволит, следовательно уменьшается скорость замыкание и размыкания контактов реле, что вызывает подгорание контактов и к конечном итоге — выходу из строя реле. Для наглядности рассмотрим графики напряжения на коллекторах управляющих реле транзисторов:

Рисунок 63. Осциллограммы на коллекторах силовых транзисторов.

Здесь синяя линия это напряжение на коллекторе Q2 рисунка 62, а красная на коллекторе транзистора Q2 рисунка 60. Как видно из рисунка для традиционной защиты изменение напряжения питания для реле происходит в течении 0,1 сек, в то время как для защиты с ОУ время переключения зависит только от скорости самого ОУ и быстродействия силовых транзисторов, т.е. практически мгновенно, по сравнению с традиционной. По этому же принципу можно организовать софт-старт для усилителя мощности, а кроме самого софт-старта схема будет осуществлять и контроль за напряжением питания. Если вторичное питания будет изменяться выше или ниже установленного предела, например при проведении сварочных работ на этой же фазе сетевого напряжения, или во время ветреной погоды произойдет перехлест проводов сетевой линии и в розетке появится 280-340 В, то данная схема автоматически переведет усилитель в режим старта. Если ситуация продлится довольно долго, то это вызовет перегорание токоограничивающего резистора и усилитель вообще отключится. Принципиальная схема приведена на рисунке 64:

Рисунок 64.

Здесь V1 и V1 имитируют вторичные обмотки силового трансформатора, V3 — имитация скачков сетевого напряжения, R1 и R2 — имитируют ОДИН резистор, включенный последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора и шунтируемый контактами реле, обмотку которого имитирует резистор R15, R 3 — имитация тока покоя усилителя мощности. Для получения более узкого диапазона срабатывания в схеме использованы диоды Шотки, поскольку на них меньшее падение напряжения, можно заменить на 1N4144. В момент включения С3 разряжен и реле выключено, зарядка конденсаторов фильтров вторичного питания происходит через резистор, установленный последовательно с первичной обмоткой трансформатора. Зачастую время зарядки конденсаторов вторичного питания превышает время зарядки С3, следовательно контакты реле остаются разомкнутыми. Как только на верхнем выводе С1 напряжение достигает определенного уровня срабатывает компаратор и включает реле — схема перешла в рабочий режим. как только напряжение на С1 станет меньше или больше установленного подстроечным резистором R5 напряжения компаратор снова сработает и отключит реле — питание будет осуществляться через токоограничивающий резистор. Мощности трансформатора уже не хватит сжечь оконечные транзисторы усилителя, в котором при скачках начнут формироваться переходные процессы. Однако если емкости конденсаторов достаточно велики, то запасенной в них энергии может быть достаточно, чтобы что то вышло из строя, поэтому рекомендуется использовать сильноточное высоковольтное реле с тремя переключающими группами контактов. Одна группа будет шунтировать резистор в первичной обмотке трансформатора, а вторая токоограничивающие резисторы, установленные по шинами питания уже после основных конденсаторов вторичного питания:

Рисунок 65. Наиболее оптимальное использование контактных групп реле.

Как дополнительный сервис данная схема может еще следить за техническим состоянием С1 (рисунок 64) и если его емкость уменьшится от «высыхания», устройство даже не даст подать питание на усилитель мощности. Но тут нужно будет добавить точно такую же схему и для слежения за техническим состоянием конденсаторов минусового плеча питания, впрочем использование ОУ типа TL072 (в одном корпусе 2 ОУ) сократит количество используемых деталей. На последок осталось рассмотреть еще один способ использования ОУ, обычно применяемый в высококачественных усилителях мощности, причем применение именно в качестве усилителя постоянного напряжения. Для обеспечения на выходе усилителя мощности постоянного напряжения максимально приблежонного к нулю используют интеграторы — модули, которые следят за величиной именно постоянного напряжения и исходя из величины постоянной составляющей вносят коррективы в режимы усилителя, тем самым приближая уровень постоянного напряжения к нулю. Для примера возьмем все тот же усилитель Холтона:

Рисунок 66. Принципиальная схема усилителя Холтона с буферным усилителем и интегратором.

Выходное напряжение усилителя мощности через резистор R49 попадает на конденсатор С21, который отфильтровует переменную составляющую сигнала. Встречно включенные диоды D12 и D13 исключают превышение входного напряжения для ОУ, предохраняя его от перегрузки. Далее напряжение попадает на инвертирующий вход ОУ Х7 и сравнивается с нулем, который подается на не инвертирующий вход ОУ. ОУ охвачен глубокой ООС, но только по переменному напряжению — это конденсатор С20, следовательно он усиливает только постоянное напряжение, которое с выхода ОУ, через резистор R47 подается на вход усилителя. Если на выходе усилителя постоянное напряжение положительное, то интегратор на своем выходе формирует отрицательное напряжение такой величины, чтобы напряжение на выходе усилителя стало равным нулю ОУ интегратора входное напряжение сравнивает именно с нулем. Если же выходе усилителя отрицательное напряжение, то на выходе ОУ формируется положительное напряжение, снова выравнивающее выходное напряжение самого УМ с нулем. Введение интегратора позволяет более точно контролировать наличие постоянной составляющей на выходе усилителя и автоматически корректирует ее, что позволило существенно увеличить входное сопротивление самого усилителя — на рисунке 25 R8 равно 10 кОм, номиналом именно этого резистора выставлялся ноль на выходе усилителя. Вот собственно и все основные способы применения ОУ в звукотехнике, если придумаете свои — честь Вам и хвала. Можно конечно упрекнуть в том, что не упомянуты мощные ОУ, которые можно самостоятельно использовать как усилители мощности, например TDA2030, TDA2050 и т.д. Но это спорный вопрос. С одной стороны это уже интегральные усилители мощности, как бы отедльная ветка, с другой все варианты включения ОУ для них подходят и они точно так же как ОУ могут суммировать сигналы, изменять их АЧХ, могут работать компараторами, причем стоимость TDA2030 меньше стоимости ОУ, транзистора и реле, необходимые для управления вентилятором, а ведь TDA2030 способна без дополнительных элементов управлять компьютерным вентилятором, причем не одним, а несколькими, включенными как последовательно, при увеличении питания, так и паралельно — диапазон питающих напряжений позволяет. Опять же — подавляющее большинство дискретных усилителей можно рассматривать как ОУ, поскольку они имеют и не инвертирующий вход и иневертирующий, следовательно все законы обратных связей ОУ для них вполне применимы. Так что додумывайте дальше сами — ВОТ ЭТО БУДЕТ ТВОРЧЕСКИМ ПОДХОДОМ. Предвидя упрек, что можно было бы добавить небольшой справочный листок по наиболее популярным ОУ отвечу — подобный листок в стадии разработки и появится в середине-конце октября в виде приложения к данной статье. Одним из недостатков данной статьи является отсутствие фотографий и чертежей печатных плат, однако здесь предложены схемы, некоторые из которых собирались отдельными модулями более двадцати лет назад, а в случае необходимости установки сегодня они просто интегрируются непосредственно в плату устройства, а не используются как отдельный модуль. Так что печатные платы разрабатывайте сами.

Операционные усилители делятся на несколько категорий, самая популярная — ОУ широкого применения, имеющие не плохие параметры, но на сегдня считающиеся средними. Есть ОУ прецизеонные, пердназначенние для использования в измерительной аппаратуре. Аесть специально для аудиоустройств. Чем они отличаются кроме цены? Прежде всего принципиальной схемой. Для примера возьмем принципиальную схему ОУ широкого применения TL071 и считающийся звуковым:

Рисунок 1. Принципиальная схема операционного усилителя TL071

Рисунок 2. Принципиальная схема операционного усилителя AD744

Кроме схемотехнических отличий данные ОУ отличаются друг от друга используемыми транзисторами — у AD774 более сокростные транзисторы, что конечно же сказывается на частоте единичного усиления. У AD744 частота единичного усиления не менее 13 МГц, а у TL071 — 3 МГц. Так же у них отличается уровень THD — у AD744 это 0,0003%, у TL071 от Texas Instruments — 0.003%, а у TL071 от STMicroelectronics — 0.01%, Ну и наконец в принципиальной схеме AD744 в генереторе тока имеются два подстроечных резистора, да, да, именно подстроечных. Размеется, что микросхемы не имеют шлицов для регулировки. Эти резисторы юстируются лазером после изготовления кристалла ОУ до получения оптимального режима работы диф каскада, и как следствие — минимального уровня THD. Даже не вникая глубоко в экономику должно быть понятно, что стоимость ОУ, приведенных в качестве примера будет отличаться в разы, а если точнее, то почти в 20 раз. Так же изначальные параметры компонентов объясняют засилие рынка TL071 от STMicroelectronics, ведь продавать эти популярные ОУ приходится по той же цене, что и ОУ от Texas Instruments — не каждому покупателю удается объяснить разницу. Большинство ориентируется только на название и не вникает в то, что одни и те же микросхемы от разных производителей отличаются даже точностью применяемых резисторов, не говоря уже о полупроводниках. На рисунке 3 показана принципиальная схема TL071 от STMicroelectronics, номиналы пассивных компонентов отличаются от номиналов, показанных на рисунке 1:

Рисунок 3. Принципиальаня схема ОУ TL071 от STMicroelectronics

Учитывая то, что разброс параметров резисторов считается от последнего знака и обычно составляет 5% получаем, что разброс резисторов в диф каскаде для микросхемы от STMicroelectronics составляет 5% от сотен Ом — последнний знак это 0,3 кОм, а для микросхемы от Texas Instruments это будет 5% от едениц Ома, ведь в документации от завода прописан номинал в 1080 Ом. Для большей наглядности рассмотрим параметры ОУ, позиционируемых как аудио:

Наименование (тип корпуса)

Напряжение питания, В	Входное сопротивление, МОм	Выходной ток, мА	Частота единичного усиления, МГц	Скорость нарастания выходного напряжения	Уровень THD
ОДИНАРНЫЕ
AD8065 (SIOC, SOT, MSOP)	±5…12	10000	30	145	180
AD8033 (SIOC, SOT, MSOP)	±5…12	10000	60	80	80
AD744 (SIOC, DIP)	±15	30000	25	13	75
AD844 (SIOC, DIP)	±15	10	80	60	2000
AD843 (SIOC, DIP, TO-8)	±15	1000	50	34	250
OPA134 (DIP, TO-8)	±15	10000	40	8	20	0.00008
OPA177 (SIOC, DIP)	±15	45	20	0.6	0.3	для интеграторов
TL071TI (SIOC, DIP)	±	10000	60	3	13	0.003
TL071ST (SIOC, DIP)	±	10000	60	2.5	8	0.01
СДВОЕННЫЕ
AD8019 (SOIC)	±12	10	200	180	400
AD8066 (SIOC, SOT, MSOP)	±5…12	1000	30	145	180
AD8022 (SIOC)	±5…12	0,02	100	50	50
AD828 (SIOC, DIP)	±5…15	0.3	50	130	450
AD8034 (SIOC, SOT, MSOP)	±5…12	1000	60	80	80
AD8397 (SIOC)	±5…12	87	170	63	53
AD826 (SIOC, DIP)	±5…15	0.3	50	50	350
AD827 (SIOC, DIP, E20A)	±5…15	0.3	50	300
AD8599 (SIOC)	±15	52	10	15
AD823 (SIOC, DIP)	±3…15	1000	17	16	25
OPA2134 (DIP, TO-8)	±15	10000	40	8	20
TL072TI (SIOC, DIP)	±15	10000	60	3	13	0.003
TL072ST (SIOC, DIP)	±15	10000	60	2.5	8	0.01
SSOP8 длина корпуса 4.4 мм, ширина 3.5 мм, шаг выводов 0.65 мм, длина выводов 1 мм DMP8 длина корпуса 5 мм, ширина 5 мм, шаг выводов 1.27 мм, длина выводов менее 1 мм EMP8 длина корпуса 4 мм, ширина 5 мм, шаг выводов 1.27 мм, длина выводов 1 мм DIP очень крупный корпус, выводы загнуты вниз (вставляется в «кроватку» или впаивается в отверстия на плате) Операционные усилители от Analog Devices имеют следующие габариты корпуса: SOIC_N (R8) длина корпуса 4 мм, ширина 5 мм, шаг выводов 1.27 мм, длина выводов более 1 мм MSOP (RM8) длина корпуса 3 мм, ширина 3 мм, шаг выводов 0.65 мм, длина выводов менее 1 мм

Для сравнения в таблицу включены ОУ широкого применения TL071, причем разных производителей. Однако использование дорогих ОУ для усилителя имеет смысл лишь при наличии соответствующих акустических систем, прежде всего и не стоит забывать об источнике звукового сигнала. Конечно же использование хороших ОУ в усилителе, работающем в комплекте со средненькими АС и бюджетным источником будет заметно, но все равно полностью раскрыть все возможности данный ОУ не получится — тракт полностью должен соответствовать выбранной ценой категорий.

Несколько видео об использовании ОУ в усилителях мощности и не только:
Адрес администрации сайта

Русские Блоги

Для больших аудио, видео и других сигналов переменного тока более целесообразно выбрать операционный усилитель с большим SR (скоростью переключения).

Для схем, работающих со слабыми сигналами постоянного тока, более целесообразно выбрать операционный усилитель с более высокой точностью (т. Е. Ток смещения, напряжение смещения и температурный дрейф относительно малы)

Операционные усилители можно условно разделить на следующие категории:

1. ОУ общего назначения
2. Операционный усилитель с высоким сопротивлением
3. Операционный усилитель низкотемпературного дрейфового типа
4. Высокоскоростной операционный усилитель
5. Операционный усилитель малой мощности
6. Высоковольтный мощный операционный усилитель

1. Операционный усилитель общего назначения.

Его показатели производительности могут быть пригодны для общего использования (низкая частота и медленное изменение сигнала), например, LM358 (двойной операционный усилитель), LM324 и LF356 для входного каскада.

2. Операционный усилитель с высоким сопротивлением.

Особенностью этого типа операционных усилителей является то, что входной импеданс дифференциального режима очень высок, а входной ток смещения очень мал. Основная мера для достижения этих показателей — использование характеристик высокого входного импеданса полевой трубки, но входное напряжение смещения операционного усилителя этого типа относительно велико.

Этот тип ОУ имеетLF356、LF355、LF347、CA3130、CA3140Подождите

3. Операционный усилитель низкотемпературного дрейфового типа.

В приборах автоматического управления, таких как прецизионные приборы и средства обнаружения слабого сигнала, есть надежда, что напряжение смещения операционного усилителя должно быть небольшим и не изменяться при изменении температуры. Для этого предназначен операционный усилитель с нижним температурным дрейфом.

В настоящее время широко используются операционные усилители низкотемпературного дрейфового типа.OP07、OP27、OP37、AD508иMOSFETУстройство дрейфа нулевой температуры, стабилизируемое измельчителемICL7650Подождите

4. Скоростной операционный усилитель.

В быстродействующих АЦП и ЦАП и в видеоусилителях коэффициент преобразования SR операционного усилителя должен быть высоким, а ширина полосы BWG с единичным усилением должна быть достаточно большой. Основными особенностями быстродействующих операционных усилителей являются их высокая скорость преобразования и широкий частотный диапазон.

Общие операционные усилители — LM318,Подождите. Его SR = 50 ~ 70 В / мс.

5. Операционный усилитель малой мощности.

В связи с расширением области применения портативных приборов необходимо использовать операционные усилители с низким напряжением питания и низким энергопотреблением.

Обычно используемые маломощные операционные усилители — TL-022C, TL-160C и т. Д.

6. Высоковольтный и мощный операционный усилитель.

Выходное напряжение операционного усилителя в основном ограничивается источником питания. В обычном операционном усилителе максимальное выходное напряжение обычно составляет всего десятки вольт, а выходной ток — всего несколько десятков миллиампер. Чтобы увеличить выходное напряжение или выходной ток, необходимо добавить вспомогательные цепи за пределами операционного усилителя.

Высоковольтный и мощный операционный усилитель может выдавать высокое напряжение и большой ток без каких-либо дополнительных цепей. Напряжение питания операционного усилителя D41 может достигать，Выходной ток операционного усилителя может достигать 1А.

Примечание 1. Прецизионный операционный усилитель — это операционный усилитель с очень низким дрейфом и шумом, а также очень высоким коэффициентом усиления и подавления синфазного сигнала. Температурный дрейф этого типа ОУ обычно ниже, чем

Замечание 2: Операционный усилитель с высоким входным сопротивлением относится к интегрированному операционному усилителю входного каскада, использующему переходную полевую лампу или МОП-лампу. Одна из его сторонних особенностей — относительно высокая скорость конвертации.Операционные усилители с высоким входным сопротивлением широко используются, например, для дискретизации.—Схема удержания, интегратор, логарифмический усилитель, измерительный усилитель, полосовой фильтр и т. Д.

Замечание 3: Под высокоскоростным операционным усилителем понимается операционный усилитель с более высокой скоростью преобразования, как правило.выше.Применяется к высокой скоростиA/D、D/A、 Фильтры, схемы ФАПЧ, аналоговые умножители и т. Д.

1. Правильно понимать и относиться к различным параметрам операционного усилителя, а не слепо и односторонне преследовать передовые индикаторы. Например, операционный усилитель входного каскада полевой трубки имеет высокий входной импеданс, но напряжение смещения также относительно велико; скорость преобразования маломощного операционного усилителя обязательно ниже. При использовании операционных усилителей для усиления слабых сигналов особое внимание следует уделять выбору операционных усилителей с малым смещением и коэффициентом шума, например:ICL7650。

2. Следует убедиться, что эквивалентное сопротивление постоянному току между неинвертирующим выводом и инвертирующим выводом операционного усилителя равно заземлению. Кроме того, в схеме подключения печатной платы, состоящей из высокоточных операционных усилителей с высоким входом, малым смещением и низкотемпературным дрейфом, на вход должно быть добавлено защитное кольцо.

3. Когда операционный усилитель используется в качестве усилителя постоянного тока, его необходимо обнулить. Операционный усилитель с клеммой настройки нуля должен быть подключен к цепи настройки нуля, рекомендованной соответствующими материалами для настройки нуля.

4. Чтобы исключить высокочастотное самовозбуждение операционного усилителя, вы должны руководствоваться указанными или рекомендованными параметрами, вставить соответствующий конденсатор между указанными штырьками, поглощающими вибрацию, и избегать каскадирования двух или более операционных усилителей. Уменьшите сложность снижения вибрации.

5. Чтобы исключить паразитные колебания, вызванные внутренним сопротивлением, развязывающий конденсатор может быть подключен к земле на силовом конце операционного усилителя. Учитывая влияние индуктивности развязывающего электролитического конденсатора, конденсатор емкостью 0,01 мкФ ~ 0,1 мкФ часто подключается параллельно на двух его концах. Керамические конденсаторы.

1. Для выполнения однократного усиления мощности наименее необходимыми параметрами являются ширина полосы единичного усиления, усиление напряжения в дифференциальном режиме без обратной связи и максимальный размах выходного сигнала.Следует знать, что чем больше проектное увеличение, тем меньше будет соответствующая полоса пропускания. Пожалуйста, обратитесь к соответствующим материалам для конкретных расчетов.

2. В одиночном источнике питания, если увеличение слишком велико, весьма вероятно возникновение самовозбуждения. В это время емкость на резисторе обратной связи должна выбираться в соответствии с частотой усиливаемого сигнала и частотой сигнала самовозбуждения. Метод расчета следующий., C обычно принимает10PF~несколько сотенPF。

3. Лучше всего использовать неинвертирующий усилитель для первого каскада многокаскадного операционного усилителя с однополярным питанием, чтобы характеристики неинвертирующего усилителя можно было использовать для согласования сигналов до и после, а на втором каскаде можно было использовать инвертирующее усиление.

4. Операционные усилители с функцией регулировки нуля напряжения смещения следует использовать с осторожностью.Если не уделять внимания подключению и проводке клеммы настройки, смещение будет больше, особенно температурный дрейф смещения.

5. Чем больше усиление, тем больше шум и больше ошибка усиления.

6. Чем больше коэффициент усиления без обратной связи, тем меньше ошибка усиления с обратной связью., Расчет коэффициента усиления в замкнутом контуре выполняется, когда коэффициент усиления в разомкнутом контуре предполагается бесконечным.

7. В качестве источника сигнала с высоким внутренним сопротивлением следует выбирать операционный усилитель с низким уровнем шума тока.

8. Чем меньше сопротивление вокруг операционного усилителя, тем меньше шум и смещение.Нижний предел выбора сопротивления определяется мощностью предварительного привода и потребляемой мощностью.

9. С тем же операционным усилителем, чем больше коэффициент усиления, тем больше выходное сопротивление.。

1. При усилении слабых сигналов учитывайте произведение коэффициента усиления на полосу пропускания операционного усилителя и оставляйте достаточное усиление без обратной связи;

Для сильного усиления сигнала необходимо полностью учитывать скорость преобразования (скорость нарастания) сигнала.。

2. Точность: Хотя ошибку напряжения смещения можно исправить с помощью программного обеспечения, следует максимально использовать операционный усилитель с меньшим напряжением смещения, чтобы снизить сложность проектирования.

Когда полное сопротивление источника питания или сопротивление цепи внешних резисторов велико, необходимо учитывать влияние входного тока смещения, а усилитель смещения нулевой температуры может дополнительно снизить сложность регулировки нуля системы в широком диапазоне температур.

3. Проблема настройки нуля интегрированного операционного усилителя.: Из-за влияния входного напряжения смещения и входного тока смещения интегрированного операционного усилителя, когда входной сигнал линейной схемы, состоящей из операционного усилителя, равен нулю, выходной сигнал часто не равен нулю. Чтобы повысить точность расчета схемы, необходимо компенсировать ошибки, вызванные напряжением смещения и током смещения — это регулировка нуля операционного усилителя. Обычно используемые методы настройки нуля включают внутреннюю настройку нуля (как показано на рисунке а) и внешнюю настройку нуля (как показано на рисунке b). Для операционных усилителей без клемм внутренней настройки нуля следует использовать методы внешней настройки нуля.шум: Смещение можно скорректировать на задней панели, но нельзя исправить шум, и необходимо полностью учитывать операционный усилитель.：

Рисунки a и b не показаны из-за старого и грязного набора, при необходимости загрузите исходный текстhttps://download.csdn.net/download/britripe/10633576, прости вас!

4. Дрейф нуля и температуры:

Для приложений постоянного тока, Многокаскадные усилители постоянного тока могут быть подключены только напрямую, и точка Q переднего каскада должна быть стабильной, чтобы не повлиять на последний каскад. Но этому мешает дрейф нуля и температуры передней ступени. Следовательно, необходимо выбрать клемму настройки нуля, чтобы облегчить настройку нуля и операционный усилитель с небольшим температурным дрейфом.И выходной шум снижается до второстепенного фактора.。

При общении приложений，Нет необходимости учитывать дрейф нуля и температуры，Выходной шум или другие показатели повышаются как основной фактор，Например, использование высокоскоростных операционных усилителей с полосой пропускания.

1. Применение операционных усилителей с биполярным входом очень обширно, и все устройства, включая входной каскад, состоят из биполярных транзисторов (транзисторов). Его входной ток смещения и смещения составляет сотни нА, типичное значение напряжения смещения составляет 10 мВ, а входное сопротивление разомкнутого контура составляет сотни。

2. КМОП операционный усилитель имеет высокое входное сопротивление и очень низкий ток смещения. Напряжение смещения выше, чем у биполярных операционных усилителей.CMOSУсилитель может работать в диапазоне Rail-to-Rail., Из-за низкого энергопотребления он подходит для использования с одним источником питания и низким напряжением. По сравнению с биполярными усилителями, КМОП-усилители обычно имеют более высокий шум.

3. Операционный усилитель BiFET — это аббревиатура от биполярного полевого транзистора. Он сочетает в себе две технологии: использование полевых транзисторов в переднем или входном каскаде и использование биполярных ламп в других частях. Следовательно, можно получить более широкую полосу пропускания, более низкий входной ток смещения, более высокий входной импеданс и более сильную управляемую способность, чем у биполярного типа. Но входное напряжение смещения обычно выше, чем у биполярных операционных усилителей.

Есть еще много чего. Если вам нужно узнать больше об операционных усилителях, вот полная статья! пожалуйста, обратите внимание

ссылкаhttps://download.csdn.net/download/britripe/10633576

Усилитель AIYIMA A-07 (TPA3255) класса D, или «старший брат».

Давно назрела необходимость приобрести несколько недорогих усилителей для подключения многополосной акустической системы через цифровой кроссовер. Три года у меня на даче верой и правдой служил усилитель Breeze Audio TPA3116 MINI и я склонялся к покупке ещё несколько таких-же, но тут наткнулся на обзоры нескольких усилителей на новом поколении микросхем TPA325x. Выбор упал на усилители AIYIMA, но ширина корпуса AIYIMA A-04 = 88мм, а у AIYIMA A-07 = 100мм — такая-же, как и у моего ЦАП Topping D10, и всё решилось в пользу A-07. Главное отличие «старшего брата» — чип TPA3255 с питанием до 50В и вдвое большей мощностью, чем у TPA3251. Плюс, дополнительный AUX-вход mini-jack 3,5мм, при подключении к которому штекера mini-jack, отключается RCA-вход. Внешний вид (под спойлером)

Так, как по части изготовления фейковых операционных усилителей NE5532 китайцы большие мастера, то загодя приготовил свои любимые (в плане звука) AD823 для замены их в предварительном каскаде чипа TPA3255.

После получения на почте, распаковываем и «кошерно» включаем усилитель. Блок питания GOPHERT CPS-3205E подключаем к моему давнему ну-и-хау для цифровых PWM и класса D усилителей — фильтру-бустеру «снежинка», а из идёт отбор питания для усилителя:

Подключение такого фильтра-бустера прямо на вход питания усилителя позволяет не меняя «родные» электролитические конденсаторы выходного каскада на более ёмкие, обеспечить его стабильным напряжением при скоростных пиковых нагрузках, например — удар бас-бочки на большой громкости.

Усилитель подключался к АС Optonica CP5000 сопротивлением 8 Ом (НЧ — 12″, СЧ — купол 2″, ВЧ — ленточный, акустическое оформление — закрытый ящик):

Часовое прослушивание до боли знакомых тестовых треков

— и размазанный бас и приглушённые СЧ-ВЧ усиливают подозрения об установке фейковых ОУ.

Что-ж, корпус усилителя разбираем и внимательно изучаем:

В отличие от AIYIMA A-04, производитель сэкономил два светодиода на подсветке регулятора громкости:

Как и предполагалось, штатные ОУ NE5532 оказались подделкой даже на внешний вид: логотип Texas Instruments — кривой, буквы растеклись кляксами…

Силиконовая термопаста на радиаторе есть:

Выходной LC-фильтр 10мкГн + 1мкФ рассчитан на нагрузку 4 Ом, поэтому на колонках 6 и 8 Ом будет пропускать бóльшее количество ВЧ-помех. Но есть хорошая новость: резистором 10кОм чип TPA3255 включен в режим поднесущей 600кГц, а не на 450кГц, как это нарисовано в даташите.

В выходном каскаде усилителя установлены электролитические конденсаторы 1000мкФ/50В. Да, если-бы не фильтр-бустер, то этой ёмкости не то, что для 260 Ватт максимальной мощности, но и для 10 Ватт уже было-бы маловато.

ОУ — заменены на AD823:

Усилителю сделан лёгкий мод — плёночными конденсаторами 0,22мкФ зашунтированы электролиты 10мкФ, через которые проходит аудио-сигнал:

Снова собираем «потрошки» в корпус, подключаем ЦАП и питание.

Вот теперь всё встало на свои места: чётко акцентированный бас, кристальные средние частоты и воздушные ВЧ в своей совокупности образовали волшебный сплав чистоты и аналитичности с музыкальностью и вовлечённостью…

Итог: новое поколение усилителей TPA325x выдают достойный звук, уровня Hi-Fi, и поднимают усилители класса D на новый уровень качества.

Меню

Большинство современных интегральных ОУ выполняются по схеме прямого усиления с дифференциальными входами и рассчитаны на симметричное двуполярное или однополярное питание. Кроме двух входов, выхода и выводов питания, ОУ может также иметь выводы для балансировки, коррекции, программирования (задания определенных параметров величиной управляющего тока) и др.

В идеальном случае ОУ должен иметь бесконечный коэффициент усиления по напряжению, бесконечно большое входное и бесконечно малое выходное сопротивления, бесконечно большую амплитуду выходного сигнала, бесконечно большой диапазон усиливаемых частот и отсутствие шумов. Параметры ОУ не должны зависеть от внешних факторов, напряжения питания и температуры. При соблюдении этих условий передаточная характеристика ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС), точно соответствует передаточной характеристике цепи ООС и не зависит от параметров самого усилителя.

Реальные ОУ имеют характеристики, отличающиеся от идеальных, что является поводом для их классификации по областям и особенностям применения. Реальный ОУ — это компромисс различных требований с достижением наилучших свойств по одному или нескольким параметрам, каковыми могут быть минимизация напряжения смещения и входных токов, достижение максимальной полосы усиливаемых частот и скорости нарастания выходного напряжения, уменьшение потребляемого тока и питающего напряжения и др. Параметры ОУ можно разделить на несколько групп — входные, выходные, усилительные, частотные, энергетические, шумовые и др. [].

Наряду с эксплуатационными параметрами, определяющими номинальный температурный режим работы ОУ, параметры входных и выходных цепей и требования к источникам питания, весьма важными являются предельно допустимые (Absolute Maximum Ratings, AMR) значения ряда параметров, превышение которых может привести к выходу микросхемы из строя. Ниже приведена сложившаяся в настоящее время классификация ОУ по сочетанию различных параметров, отражающая их предпочтительное использование в том или ином классе устройств.

Также выпускаются операционные усилители, параметры которых специально оптимизированы для применения в аппаратуре определенного назначения — медицинской, автомобильной, в звуковых устройствах и т. д. Отметим, что параметры ОУ в значительной степени определяются их схемотехникой и используемой полупроводниковой технологией — на биполярных транзисторах (bipolar), полевых транзисторах с p-n

-переходом (JFET), комплементарных МОП-структурах (CMOS) и сочетанием на одном кристалле комплементарных пар биполярных и полевых транзисторов (BICMOS).

1. Усилители общего применения: коэффициент усиления — до 100 дБ, напряжение смещения — более 1 мВ, частота единичного усиления — до 10 МГц.
2. Маломощные: ток потребления — менее 3,5 мА.
3. Микромощные: ток потребления — менее 50 мкА.
4. Низковольтные: напряжение питания — менее 3 В.
5. Прецизионные: коэффициент усиления — более 100 дБ, напряжение смещения — менее 1 мВ.
6. Быстродействующие: частота единичного усиления — более 50 МГц.
7. Малошумящие: напряжение шумов — менее 10 нВ/√Гц.
8. Мощные: выходной ток — более 100 мА.
9. С выходным/входным напряжением, близким к напряжению питания.

Это разделение, по понятным причинам, не является строгим: ОУ может быть одновременно низковольтным, быстродействующим, малошумящим, с выходным напряжением, близким к напряжению питания, и т. п. Кроме того, ОУ одного типа выпускаются в различных корпусах, по два, три или четыре усилителя в одном корпусе (многоканальные), а также в исполнениях, предназначенных для использования в определенном классе устройств: для общего применения (C), для промышленного применения (I, E) и для специального, читай — военного применения (M). Они отличаются по ряду параметров, в частности по диапазону рабочих температур:

• C — 0…+70 °C;
• I— -40…+85 °C;
• E— -40…+ 125 °C;
• М— -55…+ 125 °C.

Отметим также, что при разработке современных операционных усилителей, как и других интегральных микросхем, наблюдается тенденция к уменьшению габаритов и все большему использованию корпусов для поверхностного монтажа. Широко распространенные ранее корпуса DIP и TSSOP заменяются на значительно меньшие SOT-23, DFN, QFN и др.

Устройства на операционных усилителях можно условно разделить на два класса: линейные — собственно различные усилители, в том числе и измерительные, аналоговые вычислительные схемы, преобразователи импеданса, активные фильтры и т. п., и нелинейные — аналоговые компараторы, умножители напряжения, логарифмирующие усилители, прецизионные выпрямители, генераторы сигналов и др. При этом в зависимости от класса устройств и конкретной задачи определяющими при выборе типа микросхемы будут те или иные группы параметров, упомянутые в начале статьи.

В любом случае максимально (минимально) возможные значения напряжения и тока, действующих в разрабатываемом устройстве, не должны выходить за пределы соответствующих параметров используемого операционного усилителя. Это, прежде всего, напряжение питания Vcc

, а также синфазное
Vicm
и дифференциальное
Vid
входные напряжения. Как правило, современные ОУ имеют встроенную защиту от превышения максимального значения выходного тока, в связи с чем в документации приводится минимально допустимое значение сопротивления нагрузки
RL
и ток короткого замыкания выхода на общий провод питания
Io
.

В экстремальных условиях эксплуатации становятся важными диапазон рабочих температур Toper

, максимальная температура перехода
Tj
, превышение которой в длительных режимах эксплуатации не допускается в принципе, так как при этом полупроводниковый
p-n
-переход теряет свои свойства, и тепловое сопротивление переход — окружающая среда
Rthja
, измеряемое в °С/Вт и характеризующее степень теплоотдачи от полупроводникового кристалла микросхемы в окружающую среду.

В процессе монтажа и эксплуатации полупроводниковых приборов возникает проблема защиты ИМС от электростатического напряжения (Electrostatic Discharge, ESD). При наличии в ОУ схемы внутренней защиты от ESD нормируется его максимально допустимая величина в различных конфигурациях, обычно в пределах 2 кВ.

В классе линейных устройств наиболее распространены и востребованы различные масштабные усилители постоянного и переменного тока со сравнительно небольшим (единицы-десятки) коэффициентом усиления по напряжению. Все они строятся на основе типовой схемы, изображенной на рис. 1.

Рис. 1. Типовая схема масштабного усилителя на ОУ

В зависимости от выбора внешних элементов и способа подключения входного сигнала усилитель может быть неинвертирующим, инвертирующим, дифференциальным или буферным повторителем. В последнем случае (V1 — общий провод, V2 = Uвх

,
ZG
и Z2 отсутствуют, Z1 =
ZF
= 0) входное сопротивление определяется исключительно параметрами самого операционного усилителя. Рассмотрим это на примере широко распространенного четырехканального ОУ LM2902, выполненного по биполярной технологии, и TS27M4 — CMOS ОУ, специально предназначенного для применения в схемах с большим входным сопротивлением. При прочих сравнительно схожих параметрах, приведенных в таблице, типовое значение входного тока
Iib
, определяющее входное сопротивление усилителя, составляет 20 нА для ОУ LM2902 и всего 1 пА для TS27M4. В то же время следует отметить, что разброс величин входного тока и его температурная зависимость для ОУ, выполненных по технологии CMOS, обычно заметно больше, чем у аналогичных ОУ на биполярных транзисторах.

Таблица.

Основные параметры операционных усилителей STMicroelectronics

Тип	Корпус	Диапазон температур	Напряжение питания (размах) Vcc, В		Потребляемый ток на один канал Icc, мА	Выходной ток Icc, мA	Входной ток Iib, пA	Напряжение смещения Vio, мкВ	Температурный дрейф напряжения смещения ΔVio, мкВ/°С	Коэффициент усиления Av, дБ	Коэффициент ослабления синфазного сигнала CMR, дБ	Коэффициент подавления нестабильности напряжения питания SMR, дБ	Синфазное входное напряжение Vin, В		Частота единичного усиления. Fu, МГц	Скорость нарастания выходного напряжения SR, В/мкс	Спектральная плотность шума en, нВ/√Гц	Примечание
			min	max	max	max	тип.	тип.	тип.	тип.	тип.	тип.	min	max	тип.	тип.	тип.
LM2902/4	DIP, SO, TSSOP, QFN	E	3	33	0,35	40	20000	2000	7	100	80	110	-Vcc-0,3	+Vcc-1	1,3	4	40	Стандартный биполярный
TS27M2/4*	DIP, SO, TSSOP	E	3	18	0,15	30	0,001	1000	2	94	80	80	-Vcc-0,3	+Vcc	1,0	0,6	38	Стандартный CMOS
TS512/4	DIP, SO	I, E	6	36	0,50	24	50000	500	2	100	90	—	-Vcc	+Vcc	3	1,5	10	Прецизионный биполярный
TSV731/2/4	MiniSO, DFN, QFN, TSSOP	E	1,5	5,5	0,06	10	0,001	50	0,5	105	94	90	-Vcc-0,2	+Vcc+0,2	0,9	0	35	Прецизионный CMOS
TSZ121/2/4	SOT23, DFN, QFN, MiniSO	E	1,8	5,5	0,028	8	0,5	1	0,01	135	122	—	-Vcc-0,2	+Vcc+0,2	0,3	0,2	40	Ультрапрецизионный Zero Drift
TS971/2/4	SOT23, SO, DFN	E	2,7	10	2	100	200	1000	5	80	85	70	-Vcc-0,3	+Vcc+0,3	12	4	4	Ультрамалые шумы и искажения
TSX921	SOT23	E	4	16	3	21	0,01	5000**	2	110	80	—	-Vcc-0,2	+Vcc+0,2	9	17	15	CMOS RRIO
TSX9291	SOT23	E	4	16	2,9	21	0,01	5000**	2	110	80	—	-Vcc-0,2	+Vcc+0,2	15	27	15	То же, нескорректированный
TSH81/2/4	SOT23, SO, TSSOP	I	4,4	12	8,2	55	6000	1100	3	84	97	75	-Vcc	+Vcc-1	65	105	11	VFA, RRO, THD = 0,1%
TSH350	SOT23, SO	I	4,5	5,5	4,1	200	12/1***	1000	0,9	270****	60	80	-Vcc+1,5	+Vcc-1,5	550	940	1,5	CFA, THD = 0,1%
TSC101/A/B/C	SOT23	E	4	24	0,3	26	5000	700	3	26/34/40	105	105	-0,3	60	0,5	0,9	—	Токоизмерительный
TSC103	SO, TSSOP	E	2,7	5,5	0,3	26	10000	1000**	5	26-40 рег.	105	95	2,9	70	0,7	0,6	40	То же, с низковольтным питанием
TS881/2/4	MiniSO, DFN, QFN, TSSOP	E	1,1	5,5	0,0003	1,5	0,001	1000	3	—	78	80	-Vcc-0,2	+Vcc+0,2	—	5,0*****	—	RRI микромощный компаратор
TS331/2/4	MiniSO, DFN, QFN, TSSOP	E	1,6	5,5	0,022	22	25	500	4,5	—	75	79	-Vcc-0,3	+Vcc+0,3	—	0,21*****	—	RRI-компаратор
TS3011	SOT23, SC70	E	2,2	5,5	0,5	62	0,001	400	10	—	75	79	-Vcc-0,3	+Vcc+0,3	—	0 01*****	—	RRI скоростной компаратор

Примечания.

* Выпускается в трех модификациях, отличающихся токопотреблением и частотными параметрами. ** Максимальное значение. *** Неинвертирующий/инвертирующий, мкА. **** Трансимпеданс, кОм. ***** Время переключения, мкс.

Когда необходимо выделить и усилить слабый сигнал на фоне сильных помех, применяют дифференциальные (разностные) усилители (V1, V2 — входной сигнал, ZG

= Z1,
ZF
= Z2). В идеальном операционном усилителе при выполнении этих условий помеха создает на входах ОУ синфазные сигналы равной величины, которые успешно подавляются. В реальных условиях выбор ОУ для дифференциальных усилителей требует учета нескольких параметров, а именно величины напряжения смещения
Vio
, его температурного дрейфа Δ
Vio
, коэффициентов подавления синфазных сигналов (Common Mode Rejection Ratio, CMR) и ослабления влияния источника питания (Supply Voltage Rejection Ratio, SVR). Для примера рассмотрим соответствующие параметры для четырехканального ОУ TS514, позиционируемого фирмой как прецизионный вариант упомянутого выше ОУ LM2902. Очевидно, применение ОУ TS514 в схемах, где необходимо подавление синфазных сигналов, будет более эффективным, чем использование стандартных операционных усилителей.

При тензометрических измерениях для обеспечения высокой точности ОУ должен эффективно подавлять синфазные помехи и, кроме того, иметь высокое входное сопротивление, необходимое для согласования усилителя с высокоомными тензодатчиками. В этом случае применяются прецизионные усилители на полевых транзисторах, например TSV711/2/4 и TSV731/2/4 (последняя цифра в обозначении соответствует числу усилителей в одном корпусе), выполненные по технологии CMOS, с типовым значением входного тока и напряжения смещения 1 пА и 50 мкВ соответственно. Следует иметь в виду, что в таблице приведены усредненные параметры ОУ, в то время как в фирменной технической документации, как правило, подробно указываются условия их определения (напряжение питания, температура, входные сигналы, сопротивление нагрузки и пр.).

Новейшие операционные усилители STMicroelectronics TSZ121/2/4 с входным и выходным напряжением, близким к напряжению питания RRIO (Rail to Rail Input/Output), с автоматической компенсацией дрейфа нуля благодаря весьма малому значению напряжения смещения 1 мкВ и его температурного дрейфа 10 нВ/°С получили название «усилители с нулевым дрейфом». Эти усилители относятся к группе микромощных (ток потребления — 28 мкА) и отличаются от аналогичных изделий других производителей большим диапазоном усиливаемых частот (частота единичного усиления Fu

= 300 кГц). На рис. 2 приведены графики распределения величин напряжения смещения ОУ TSZ121/2/4 и зависимость напряжения смещения от температуры при напряжении питания 5 В и синфазном входном напряжении 2,5 В.

Рис. 2. Распределение величин напряжения смещения (а) и зависимость напряжения смещения от температуры (б) ОУ TSZ121/2/4 при напряжении питания 5 В и синфазном входном напряжении 2,5 В

Рассмотрим ситуацию, когда минимизация напряжения смещения может иметь решающее значение. Требуется спроектировать масштабный усилитель с коэффициентом усиления К = 10 для подачи сигнала на вход 12-разрядного АЦП с максимальным входным напряжением 4 В. Разрешение АЦП составляет 4/212 ≈ 1 мВ. Если применить в усилителе ранее рассмотренный прецизионный ОУ TSV7344 с максимальным значением напряжения смещения Vio

= 500 мкВ, ошибка, обусловленная сдвигом нуля, составит 5 мВ, или более пяти единиц младшего разряда АЦП, что совершенно неприемлемо. В то же время использование в этом усилителе ОУ TSZ121/2/4 с максимальным значением
Vio
= 5 мкВ дает сдвиг нуля не более 50 мкВ, что значительно меньше разрешения АЦП.

При разработке усилителей слабых сигналов, а также усилителей для аудиотехники становятся значимыми шумовые и динамические параметры ОУ — en

, спектральная плотность напряжения шума, приведенного к входу, измеряемая в нВ/√Гц; суммарный коэффициент нелинейных искажений (Total Harmonic Distortion, THD), измеряемый в процентах; скорость нарастания выходного напряжения (Slue Rate, SR) — В/мкс и частота единичного усиления
Fu
. (Используют также произведение коэффициента усиления на полосу пропускания — Gain Bandwidth Product (GBP)). Последние два параметра являются определяющими для высокочастотных усилителей, выбор ОУ для которых будет подробно рассмотрен далее.

Оптимальные параметры для построения предварительных каскадов усилителей для аудиотехники сочетает операционный усилитель TS971/2/4, отличающийся очень малыми уровнями шума (en

= 4 нВ/√Гц) и нелинейных искажений (THD = 0,003%). Зависимость спектральной плотности шумов и коэффициента нелинейных искажений от частоты для ОУ TS971/2/4 при напряжении питания 5 В приведена на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость спектральной плотности шумов (а) и коэффициента нелинейных искажений от частоты (б) ОУ TS971/2/4 при напряжении питания 5 В

Устойчивость работы схем на операционных усилителях с отрицательной обратной связью и, в частности, отсутствие паразитного самовозбуждения в широком диапазоне частот и коэффициентов усиления вплоть до единичного обычно обеспечивается встроенной в ОУ схемой полной частотной коррекции АЧХ со спадом 20 дБ на декаду. При этом произведение коэффициента усиления на полосу пропускания усилителя GBP будет постоянной величиной, в результате чего при больших коэффициентах усиления диапазон усиливаемых частот неизбежно сужается. Расширить полосу частот усилителя на ОУ при больших коэффициентах усиления можно путем применения операционных усилителей с внешней коррекцией, как показано на рис. 4.

Рис. 4. Амплитудно-частотные характеристики скорректированного и нескорректированного операционного усилителя

Последние разработки STMicroelectronics — семейства ОУ TSX5, TSX6 и TSX9 — включают как скорректированные, так и нескорректированные операционные усилители, предназначенные для применения в широком классе устройств, работающих в диапазоне частот до 20 МГц. Скорректированный ОУ TSX921 с Railto-Rail входом и выходом отличается низким уровнем шумов и нелинейных искажений в полосе частот 10 МГц. Его нескорректированная версия ОУ TSX9291 устойчиво работает при коэффициентах усиления больше +2 на частоте до 15 МГц.

Для усиления и обработки видеосигналов высокой четкости, а также для высокоскоростных линий связи и т. п. требуются быстродействующие операционные усилители со специфическими параметрами. Расчет показывает, что если для усилителя телевизионного видеосигнала с разрешением 640×480 и кадровой частотой 50 Гц необходима скорость нарастания выходного напряжения и частота единичного усиления 105 В/мкс и 25 МГц соответственно, то при разрешении 1600×1200 и частоте кадров 85 Гц эти параметры составляют уже 950 В/мкс и 240 МГц.

В последнее время в схемотехнике быстродействующих ОУ определились два направления. Первое из них — это операционные усилители с обратной связью по напряжению (Voltage Feedback Amplifier, VFA), построенные по традиционной структурной схеме, изображенной на рис. 5а. Она включает входной усилитель с дифференциальным входом, имеющий гигантское входное сопротивление и, соответственно, малые входные токи как неинвертирующего (+), так и инвертирующего (-) входа. Основной передаточный параметр этого ОУ — коэффициент усиления по напряжению:

где Vo

— выходное напряжение;
Vd
— дифференциальное входное напряжение.

Рис. 5. Структурные схемы операционных усилителей: а) с обратной связью по напряжению VFA; б) с токовой обратной связью CFA

Второе направление в схемотехнике быстродействующих ОУ — усилитель с токовой обратной связью (Current Feedback Amplifier, CFA) []. Структурная схема ОУ CFA приведена на рис. 5б и состоит из буферного усилителя 1 с единичным коэффициентом усиления и выходным током In

с большим входным и малым выходным сопротивлением, включенного между неинвертирующим и инвертирующим входами, и преобразователя «ток → напряжение» с коэффициентом передачи
Z = Vo/In
, имеющим размерность сопротивления и называемым трансимпеданс, в связи с чем такие ОУ называют трансимпедансными.

При включении трансимпедансных ОУ с отрицательной обратной связью по схеме неинвертирующего усилителя (на рис. 1: V1 — общий провод, V2 = Uвx

; Z1 = 0; Z2 отсутствует) через инвертирующий вход ОУ протекает ток ошибки
In
, пропорциональный входному напряжению на неинвертирующем входе. Через резистор обратной связи
ZF
, соединяющий выход усилителя и инвертирующий вход, происходит компенсация тока ошибки с тем, чтобы результирующий ток через инвертирующий вход стремился к нулю. Таким образом, в трансимпедансных ОУ, так же как и в обычных, отрицательная обратная связь компенсирует погрешность усилителя: для обычного ОУ это дифференциальное напряжение между входами
Vd
, а для трансимпедансного — ток ошибки
In
.

Главное отличие усилителей CFA по сравнению с усилителями VFA состоит в том, что подбором в определенных пределах сопротивлений резисторов обратной связи ZG

и
ZF
можно получить, как показано на рис. 6, весьма широкую полосу усиливаемых частот, практически не зависящую от коэффициента усиления. Таким образом, усилители с ООС на ОУ CFA при одинаковом коэффициенте усиления по напряжению получаются более широкополосными, чем усилители на ОУ VFA.

Рис. 6. АЧХ усилителей при разных коэффициентах усиления по напряжению на ОУ: а) VFA; б) CFA

Сравним параметры типовых высокоскоростных операционных усилителей STMicroelectronics VFA TSH81/2/4 и CFA TSH350 (таблица). Видно, что ОУ TSH350 по скорости нарастания выходного напряжения и полосе усиливаемых частот удовлетворяет требованиям к усилителям видеосигналов высокой четкости и может быть с успехом использован в современной видеотехнике. Оба операционных усилителя оптимизированы для работы с сопротивлением нагрузки 150 Ом и отличаются чрезвычайно малыми уровнями шумов и нелинейных искажений.

Широкое распространение светодиодных источников света потребовало от разработчиков создания эффективных источников питания с токовым выходом, одним из основных элементов которых являются резистивные датчики тока. Существуют два основных метода включения резистивных датчиков — в цепь общего провода или в высокопотенциальную цепь. В первом случае датчик включается между нагрузкой и отрицательным выводом источника питания, во втором — между положительным выводом источника питания и нагрузкой. Оба метода имеют свои преимущества и недостатки. Преимуществом первого является возможность использования для усиления сигнала датчика обычных прецизионных ОУ, однако из-за того, что включение датчика в цепь общего «земляного» провода вызывает появление напряжения между «землей» самого устройства и общим «земляным» проводником, в измеряемый сигнал вносятся значительные шумы, и точность измерений получается весьма низкой [].

Измерения по второму методу отвечают требованиям точности и безопасности, но при этом необходимы специализированные операционные усилители, отличающиеся большим значением максимально допустимого синфазного напряжения при минимальном напряжении смещения и его дрейфа и возможностью работы при низком однополярном напряжении питания. Параметры ОУ STMicroelectronics для усиления сигналов датчиков тока приведены в таблице. Усилители работают без отрицательной обратной связи и имеют фиксированный коэффициент усиления (для TSC101 — три значения для модификаций A/B/C соответственно, для TSC103 — регулируемый путем подачи управляющих напряжений на специальные выводы SEL1 и SEL2). Типовая схема включения ОУ TSC103 с однополярным питанием приведена на рис. 7. Следует отметить, что этот усилитель может работать и при двуполярном напряжении питания ±5 В в диапазоне синфазных входных напряжений от -2,1 до +65 В.

Рис. 7. Схема измерения тока при включении резистивного датчика в высокопотенциальную цепь использованием специализированного ОУ TSC103

Еще один распространенный тип специализированных ОУ — аналоговые компараторы. По сути, это высококачественные быстродействующие операционные усилители с логическим выходом, выполненным по двухтактной схеме на биполярных или полевых транзисторах либо по схеме с открытым коллектором (ОК) или открытым стоком (ОС). Компараторы, так же как и обычные ОУ, подразделяются на ИМС общего применения, микро- и маломощные, скоростные и т. д. Большинство компараторов рассчитаны на работу с однополярным питанием и легко сопрягаются с цифровыми устройствами ТТЛ и КМОП. Основным динамическим параметром компаратора является время переключения — временной интервал от момента подачи входного напряжения до момента, когда напряжение на выходе компаратора достигает противоположного логического уровня. Время переключения зависит от дифференциального входного напряжения и состоит из двух частей — времени задержки и времени нарастания (спада) напряжения на логическом выходе.

Важно понимать характерные особенности компараторов по сравнению с обычными операционными усилителями []:

• В схемах с компараторами почти никогда не используют отрицательную обратную связь из-за неизбежного самовозбуждения устройства.
• Значения напряжения на входах компаратора различаются.
• Входное сопротивление компаратора относительно невелико и зависит от уровней входных сигналов.
• Выходное сопротивление компаратора сравнительно велико и зависит от уровней выходного напряжения.

Компараторы нашли широкое применение в схемах детекторов нуля, различных генераторах сигналов, аналого-цифровых преобразователях, схемах широтно-импульсных модуляторов и т. п. В списке продукции компании STMicroelectronics есть несколько десятков компараторов различных типов, параметры некоторых из них приведены в таблице.

На рис. 8 представлена схема устройства контроля температуры на сдвоенном компараторе TS332. В качестве термочувствительного элемента используется микромощный трехвыводный термодатчик STLM20 производства STMicroelectronics. Резисторы задают параметры температурного «окна», выходы компараторов с открытым коллектором соединены по схеме «монтажное ИЛИ», выходное напряжение подается на схему управления нагревателем.

Широкая номенклатура и невысокая стоимость интегральных операционных усилителей и компараторов STMicroelectronics делают их весьма привлекательными для разработчиков РЭА. Более подробную техническую информацию можно найти на сайте [].

Рис. 8. Схема контроля температуры на сдвоенном компараторе TS332

Литература

1. Волович Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. М.: «Додэка-XXI», 2005.
2. Картер Б., Манчини Р. Операционные усилители для всех. М.: «Додэка-XXI», 2011.
3. Штрапенин Г. Л. Быстродействующие операционные усилители фирмы National Semiconductor // Chip News — Инженерная микроэлектроника. 2003. № 10.
4. Блэк Б. Усилители датчиков тока для разных приложений // Электронные компоненты. 2011. № 2.
5. www.st.com