Operační zesilovač, nebo op amp, je jedním z nejvíce základních stavebních kamenů používaných v analogových obvodech. někdy za to, že jednočipové operační zesilovače byly zavedeny v roce 1960, mají nespočet různých typů byly vyvinuty některé mnohem úspěšnější než ostatní. Zeptejte se zkušený analogové designér abychom jmenovali alespoň některé operačními zesilovači, stejně jako oni budou pravděpodobně zmínit LM324, na TL072, je NE5534, na LM358, jakož i programu Dědeček ze všeho uA741.
Pokud tyto výrobní čísla nejsou pro vás něco naznačují, vše, co požadavek pochopit, že se jedná o obecné prvky, které můžete získat kdekoliv, stejně jako to bude stačit na většinu typických aplikací. Můžete získat pokročilejších operačními zesilovači, které zvyšují na nějaký spec nebo jiný, často řádů. ale přesně, jak daleko můžete opravdu tlačit myšlenka operačního zesilovače? Dnes vám ukážu některé operačními zesilovači, které jdou nad rámec těchto metodu normálních „Jellybean“ komponent.
Než začneme, pojďme se definovat, co přesně bychom uvést, kdy uvedeme „operační zesilovač“. Snažíme se najít integrované operačními zesilovači, což ukazuje na jeden fyzický komponenty, které mají diferenciální vstup high-impedance napětí, výstup single-skončil napětí, DC propojení, stejně jako high get uvedeno, že jsou využívány v konfiguraci komentáře. Jsme s výjimkou nic vyrobenou z diskrétních součástek, kromě méně obecných okruhů, jako jsou pevné zesílení zesilovače, stejně jako operační transconductance zesilovače (OTA).
Počet kanálů
Pinů na TL084X2. Dvojité napájecí kolíky naznačují, že je skutečně jen dva TL084 čipy vázány do jednoho balíku 30-pin. Obrázek úvěr: Texas Instruments
Extrémně první integrované operační zesilovače, počínaje uA702 v roce 1963, zahrnut pouze jeden zesilovač uvnitř jediného čipu. Od 1970 však double stejně jako quad op zesilovačů skončil být populární, zaměřený především na designéry účinných filtrů. Duals stejně jako čtyřkolky jsou běžně nabízeny dnes; několik triple operační zesilovač čipy jsou vytvořeny stejně, stejně jako můžete dokonce získat NJM2710, což je hex op amp: šest kanálů.
Nicméně, největší počet operačních zesilovačů někdy integrovány do jediného svazku je osm: až do několika lety byste pořiďte si EL5811, centrum TL084x2, nebo dokonce LM324x2, z nichž všechny byly osmičkové operační zesilovače. Ten samý základní okruh v každé situaci byla také nabídnuta jako jedno-, dvou- nebo Quad verzí, takže osmičkové operační zesilovače byly opravdu „duální čtyřkolky“.
I když taková věc se může zdát výhodné, pokud chcete zachytit společností zesilovačů velké v malém prostoru, použitím dvou oddělených čtyřkolky vám poskytne mnohem mnohem více univerzálnost, když to se týká designu, stejně jako směrování svého obvodu. Máme podezření, že je důvod, proč tyto čipy nikdy získal hodně tahu na trhu.
Spotřeba energie
Řady NJU7700x jsou ultra-low-power operační zesilovače, za použití méně než mikro-amp. Obrázek úvěr: nový Japan Radio Co.
Tradiční uA741 spotřebuje asi 1,7 mA v normálním použití. mnohem více současných styly zacházet, aby se minimalizovalo toto: například, OPA171 je kompatibilní s ‚741, má mnohem lepší výkon na téměř všech postupů (šířka pásma, rychlost přeběhu, hluk, ofset), stejně jako využívá těsně pod půl mA. současných metod styl okruh navíc k pokrokům v polovodiči vyrábějící umožnily metodu mnohem lepší poměr výkon / výkon, než bylo možné v roce 1960.
Několik tvůrci zavedli operačními zesilovači v kategorii ultra-nízkou spotřebou, které berou v době kratší než jedna micro-amp. Příkladem je LPV801, který využívá pouze 450 nano-zesilovače. avšak nejhospodárnější op amp na dnešním trhu je NJU77000, který čerpá ne víc než 290 nA. K tomu, aby toto číslo do souvislostí, normální CR2032 knoflíková má kapacitu kolem 220 mAh, což naznačuje, že by to mohlo teoreticky pohánět NJU77000 po 86 letech – samozřejmě, bude samovybíjení vybíjet baterie dlouho před tím. Specifikace tohoto operačního zesilovače nejsou hvězdné, a to zejména pokud se týká šířky pásma: maximálně 1 kHz je metoda stejně nízké, aby procesní něco vypadá jako audio, ale je dost pro pomalých okruzích, jako jsou senzory plynů.
výstupní proud
Apex PA52 je poměrně velký „chip“, o rozměrech asi 36 x 40 mm2. vědomí varování Beo: svazek se skládá z oxidu berylia dosáhnout vysokou tepelnou vodivost. Obrázek úvěr: Apex Mikrotechnologie
Na druhém konci spektra jsou moc operační zesilovače, které mohou řídit velké proudy do zátěže. Tradiční L272, který je často používán jako řidič motorového, může poskytnout úplnou amp na každé ze svých dvou kanálech. Nicméně inovace dál, stejně jako dnes se můžete dostat svalnatý PA50 stejně jako PA52 od Apex mikrotechnologií. Tyto obrovské op zesilovače může být na výstupu 40 A neustále, stejně jako 80 A na krátkou dobu. stejně jako i když přicházejí jako jeden (spíše velké složky A), uvnitř nejsou jednotlivé čipy však hybridnímoduly: sada integrovaných obvodů, stejně jako diskrétní tranzistory přímo vázán na typický substrát.
To vše síla přichází za cenu ačkoli; na několika set dolarů pop, tito nejsou vaši zahradu rozsah operační zesilovače. Ve skutečnosti, pokud jste požadavek mnohem více přítomný než váš zvýhodněné zesilovač může přinést, může to být mnohem lepší koncept, aby výstupní zlepšit obvod s využitím diskrétní výkonové tranzistory. Jeden velký text na toto téma je aplikační poznámka AN18 Jim Williams, který demonstruje různé metody ke zvýšení OP AMP výstupní proud, napětí houpačka, nebo obojí.
Napájení
Nebezpečí, vysoké napětí: PA99 může pracovat stejně jako 2,5 kV. Obrázek úvěr: Apex Mikrotechnologie
Většina operační zesilovače od dřívějších dobách by mohlo fungovat s poměrně velkými napájecí napětí: +/- 15 V byla typická zpět v roce 1970. V dnešním věku Arduinos stejně jako ESP32s se to zdá přehnané, stejně jako nesporně mnoho současných operačních zesilovačů se šťastně práce při 3,3 V, nebo dokonce nižší. Na druhém konci však, operačních zesilovačů, které mohou pracovat na mnohem více než 100 V jsou také docela běžné; LTC6090 i ADHV4702 jsou příklady, které mohou pracovat při 140 V, jakož i 220 V, v tomto pořadí. Nicméně skutečné mistr v této klasifikaci je PA99 z Apex: to op amp bude šťastně pracovat s 2500 V celé oblasti zásobování kolíky. To může poskytnout 50 mA, na jeho výstupu, jak je stejně jako produkt, zisk šířky pásma 28 MHz. stejně jako jeho vysoce aktuální sourozenců je to nákladné čip, na zhruba tisíc dolarů, takže jste pravděpodobně objevit v jakémkoliv typu spotřebních výrobků. Primární trh pro specializované čipy, jako je vědecké nástroje, jakož i průmyslových zařízení využívající piezoelektrické akční členy nebo elektrostatické vychylování.
Bandwidth
Hovoříme-li o šířku pásma, což op amp je nejrychlejší? Tam opravdu není jediný, definitivní odpověď na to. Začněme mimo kontrolu frekvence akci open-smyčky operačním zesilovačem: Je to vysoká (více než 100 dB) při nízkých frekvencích, celý postup až do DC. V určitém frekvence, get začne klesat, co u nás telefon nazýváme bod -3 dB; toto je místo, kde get dosáhl 70% své hodnoty DC. GET pak pokračuje ke snížení o 20 dB na dekádu k dosažení nulové úrovně v dB na frekvenci jednoty-gain – nula dB označuje aspekt jednoho.
V metodě to znamená, že pokud jste konfiguraci sítě komentáře, aby zajistily, že celkový zesilovač má dostat do jednoho, je šířka pásma tohoto okruhu bude jednota-získat frekvence. Pokud ji nastavíte na dostat do dvou, bude mít poloviční šířku pásma. Get z deseti bude mít za následek jednu desetinu šířky pásma, stejně jako tak dále. za to, že produkt get stejně jako šířka pásma je vždy stejný, jednota-gain frekvence se rovněž nazývá zisk-šířka pásma produkt.
Většina univerzální operační zesilovače mohou být použity v jakémkoliv typu zisk uzavřené smyčky. nicméně tato univerzálnost má svou cenu: jednota-gain frekvence musí být poměrně nízká, aby zastavení kmitání. Pro vysokorychlostní aplikace můžete jako výsledek získat operačními zesilovači, které byly decompensated. To znamená, že vnitřní obvody byly změněny běžet na vyšší šířku pásma, ale také, že operačního zesilovače nelze použít v konfiguraci jednota-získat; datový list bude specifikovat minimální uzavřené smyčky get, při které může být zesilovač použit. Pokud nechcete respektovat tento limit, pak váš obvod může kmitat.
Níže uvedený graf ukazuje otevřenou smyčkou zisk versus frekvenci děj zcela kompenzovány operačního zesilovače, stejně jako dekompenzované jeden. Teorie řídit nám říká, že skončí s ustáleným systémem s uzavřeným okruhem, kdybychom uzavřít smyčku na místě, kde open-loop get klesá o 20 dB na dekádu. (Ve skutečnosti je to mnohem náročnější než to, ale nepůjdeme do teď.) Pokud jde o zcela kompenzován op amp je to pravda, v každém typu zisk. Nicméně pro decompensated operačního zesilovače je get poklesne o 20 dB na dekádu jen tolik, kolik bodu; To je Gmin, nebo minimální get, při které se zesilovač bude stabilní. Všimněte si, že šířka pásma v tomto bodě je mnohem vyšší, než by byly za úplně kompenzované zesilovače.
Otevřená smyčka get děj zcela kompenzovány operačního zesilovače (zelená), jakož i jinak podobným dekompenzované operačního zesilovače (žlutá). Všimněte si, že dekompenzované amp nikdy nedosáhne zisk-šířka pásma produkt: GBW2 je extrapolovat z 20 dB / dec části grafu.
Op amp s největší zisk-šířka pásma produkt můžete získat dnes je OPA855 na neuvěřitelných 8 GHz. Nicméně, protože se jedná o dekompenzované zesilovač, musíte ji využít na dostat alespoň sedm, v jaké situaci se bude „jen“ dosáhnout 2,5 GHz. Nejrychlejší non-dekompenzované op amp je THS4304, který může pracovat v jakémkoliv typu konfigurace celého postupu, stejně jako její jednota-gain pásma 3 GHz. Nicméně, před spuštěním off, stejně jako dostat tento čip vyvinout multi-GHz zesilovač, mějte na paměti, že příslušný návrh obvodů se stává velmi důležité v těchto frekvencích; jakýkoliv druh parazitní kapacitu v thE Špatné umístění může rozrušit stabilitu smyčky a otočte svůj zesilovač do oscilátoru.
Rychlost přeběhu
Šířka pásma však není jediná rychlost. Jeho další spec, který zjistíte v jakémkoli typu datového listu OP Amp, je jeho síly. Normálně určuje ve voltech na mikrosekundu (v / USA), řekne vám přesně přesně, jak rychle se může měnit výstupní napětí čipu. Základní metodou pro stanovení rychlosti vypnutí OP AMP je mít výstup čtvercové vlny: sklon rostoucího výstupu, jakož i klesající hrany bude roven rychlostí SLEW.
Pokud použijete čtvercovou vlnu na vstup OP AMP, pak se výstup zvýší stejně jako podzim na OP AMP SLEW RATE.
Silná sazba je hlavně přišla především vnitřním zkreslením přítomným OP AMP, stejně jako je v důsledku toho, že je to důsledně úměrný přívodnímu proudu. Normální hodnoty odrůdy od 0,5 v / USA pro UA741 až 20 V / USA pro TL072. Některé OP zesilovače mají kreativní techniku uvnitř chápou jako Slew posílení, kde je přítomnost zkreslení dočasně posílena, když OP AMP detekuje, že jeho výstup nemůže držet krok s jeho vstupem.
Největší míry SLEW jsou nabízeny v současných komentářech zesilovače (CFA), které jsou podobné OP AMPS v mnoha metodách, jak se liší dostatečné, že je nepočítáme jako takové v tomto článku. Ve srovnání s normou OP zesilovače mají nízký zisk s otevřeným smyčkou, vysokou vstupní zůstatku vyrovnávací napětí, jakož i předpětí proudy, stejně jako nelze využít ve všech aplikacích komentářů. Často jsou využívány ve vysokorychlostních obvodech, kde je nejdůležitějším požadavkem vysoké sazby soly.
Není to neobvyklé, že OP zesilovače s největším silným rychlostem integrovat funkce CFA, stejně jako rutinní OP zesilovače, poněkud rozmazání linie mezi nimi. Například EL5102 má SLEW rychlost whoppingu 3500 V / USA, avšak Meager 66 dB otevřené smyčky dostat tam, kde mnoho fundamentálních OP zesilovačů má 100 až 120 dB. Jeho přítomnost vstupního zkreslení je spíše velký i na 2 UA typické. MIC920 dělá o něco lepší, avšak na 85 dB není ještě fantastický op amp. Skutečný šampion v této klasifikaci je PA107, který může vystoupit svůj výstup na 3000 V / USA, ale stále dosahuje 140 dB zisku otevřené smyčky. Stejně tak kreslí asi 50 mA od jeho dodávky, takže to není něco, co by mohlo využít při nízké výkonu.
Neobvyklé materiály
Téměř všechny integrované obvody, které můžete dnes získat, využít silikon jako jejich základní materiál. Několik vysokorychlostních obvodů, včetně několika vysokorychlostních OP Amps ukázal výše, se využívají silicon-germanium (SIGE), i když je to jen horní vrstva čipu, který je jinak čistý křemík. Potenciálně, další polovodiče, jako je arzenid gallium (GAAS), nitrid gallium (GAN) nebo dokonce karbid křemíku (SIC), mohou být využity k výrobě OP zesilovače; Za předpokladu, že značný rozdíl nákladového výdajů s pravidelným křemíkem jsou tyto materiály obecně využívány pro specializované diskrétní tranzistory, stejně jako ultra vysokorychlostní integrované obvody.
Die o Kth’s Silicon Carbide op amp. Obrázek Zápočet: Kth
Několik výzkumných pracovních míst ukázala fascinující výsledky, i když: Kth Royal Institute of Technology, ve Švédsku, prokázal OP AMP vyrobený v inovaci karbidu křemíku, která může pracovat na ultra-vysokých teplotách až o 500 ° C. Jeho výkon je daleko od Stellar, avšak jeho robustnost označuje, že musí být schopen pracovat v prostředích jako nepřátelské jako povrch Venuše.
Zde na Zemi je silikon pevně dobře zavedený jako polovodič výběru, stejně jako to je nepravděpodobné, že by se kdykoliv modifikace kdykoliv. Nicméně, jak jsme viděli, křemík je univerzální dostatečný, aby umožnil velký rozsah OP AMP stylů pro téměř jakýkoliv typ možného použití.