Оперативный усилитель

Оперативный усилитель

Μa741, популярный ранний интегрированный операционный усилитель
Тип	Дискретная схема Интегрированная схема
Изобретенный	Карл Д. Сварцель младший.
Конфигурация PIN	V + не инвертирующий вход V - инвертирующий вход V выход ​ V S+ положительный источник питания V S - отрицательный источник питания
Электронный символ
Символ схемы схемы для репрезентативного операционного усилителя. Контакты помечены, как указано выше.

( Оперативный усилитель часто op amp или opamp ) представляет собой , связанный с DC, электронный напряжения усилитель с дифференциальным входом , (обычно) односторонним выходом, и чрезвычайно высокий выигрыш . Его название происходит от первоначального использования выполнения математических операций в аналоговых компьютерах .

Используя отрицательную обратную связь , OP AMP характеристики схемы (например, его усиление, входное и выходное импеданс , пропускная способность и функциональность) могут быть определены внешними компонентами и практически не зависят от температурных коэффициентов или инженерной толерантности в самом OP AMP. Эта гибкость сделала OP AMP популярным строительным блоком в аналоговых схемах .

Сегодня операционные усилители широко используются в потребительской, промышленной и научной электронике. Многие стандартные интегрированные схемы OP Amps стоят всего несколько центов; Тем не менее, некоторые интегрированные или гибридные операционные усилители с специальными характеристиками производительности могут стоить более 100 долларов США . OP AMP могут быть упакованы в качестве компонентов или используются в качестве элементов более сложных интегрированных цепей .

OP AMP является одним из типов дифференциального усилителя . Другие типы дифференциальных усилителей включают в себя полностью дифференциальный усилитель (OP Amp с дифференциальным , а не односторонним выходом), усилитель инструментов (обычно строится из трех оперативных усилителей), усилитель изоляции (с гальванической изоляцией между входом и выводом), и и и и и и и и и и и и и и и и и усилитель отрицательной обратной связи (обычно создается из одного или нескольких операционных усилителей и сети резитивной обратной связи).

Операция

OP AMP без отрицательной обратной связи (компаратор)

Дифференциальные входы усилителя состоят из не инвертирующего входа ( +) с напряжением V ₊ и инвертирующего входа (-) с v- _{напряжением} ; В идеале OP AMP усиливает только разницу в напряжении между ними, которая называется дифференциальным входным напряжением . Выходное напряжение OP amp v _Out определяется уравнением

$V_{\text{out}}=A_{\text{OL}}(V_{+}-V_{-}),$

где OL _{(термин «открытая петля} является усилением усилителя с открытым контуром » относится к отсутствию внешней петли обратной связи с выхода на вход).

Усилитель открытой петли

Величина OL _{обычно очень большая (100 000 или более для интегрированных} операционных усилителей схемы, соответствующих +100 дБ ). Таким образом, даже небольшие микроволны различий между V ₊ и V _- могут привести усилитель в обрезку или насыщение . Величина OL _{не очень хорошо контролируется производственным процессом, и} поэтому нецелесообразно использовать усилитель с открытым контуром в качестве автономного дифференциального усилителя .

Без отрицательной обратной связи и, необязательно положительная обратная связь для регенерации , OP-усилитель с открытым контуром действует как компаратор , хотя компараторные ICS лучше подходят. Если инвертирующий вход удерживается на земле (0 В), а входное напряжение v _в применении к не инвертирующему входу положительно, выход будет максимально положительным; Если v _в отрицательном, выходной сигнал будет максимальным отрицательным.

Усилитель замкнутой петли

OP AMP с отрицательной обратной связью (не инвертирующий усилитель)

Если требуется предсказуемая работа, используется отрицательная обратная связь, применяя часть выходного напряжения к инвертирующему входу. Обратная связь с замкнутой петлей значительно уменьшает усиление цепи. Когда используется отрицательная обратная связь, общий усиление и отклик схемы определяются главным образом сетью обратной связи, а не характеристиками OP-AMP. Если сеть обратной связи состоит из компонентов со значениями, небольшими по сравнению с входным импедансом OP AMP, значение отклика OP AMP от открытого петли, который _OL не влияет на производительность цепи. В этом контексте высокий входной импеданс на входных терминалах и низкий выходной импеданс на выходной терминале (ы) являются особенно полезными функциями OP AMP.

Реакция схемы OP-AMP с его входными, выходными и обратными целями на вход характеризуется математически передаточной функцией ; Проектирование схемы OP-AMP для получения желаемой трансферной функции находится в сфере электротехники . Переносные функции важны в большинстве приложений OP AMP, например, в аналоговых компьютерах .

В не инвертирующем усилителе справа присутствие отрицательной обратной связи через делитель напряжения R _F , R _G определяет усиление замкнутого цикла A _CL = V _Out / V _в . Равновесие будет установлено, когда V _Out достаточно, чтобы вытянуть инвертирующий вход в то же напряжение, V. _и что Усиление напряжения всей схемы, таким образом, составляет 1 + r _f / r _g . В качестве простого примера, если v _in = 1 V и r _f = r _G , v _Out будет 2 В, именно сумма, необходимая для сохранения v _- при 1 В. Из -за обратной связи, предоставленной R _F , R _g сетью , Это закрытая схема.

Другой способ проанализировать эту схему продолжается, делая следующие (обычно действительные) предположения:

1. Когда OP AMP работает в линейном (т.е., не насыщенном) режиме, разница в напряжении между не инвертирующими (+) и инвертирующими (-) штифтами незначительно мала.
2. Входной импеданс (+) и ( -) штифтов намного больше, чем другие сопротивления в цепи.

Входной сигнал v _{в in} отображается как на (+), так и на ( -) выводах на предположение 1, что приводит к тому, что ток I до r _g, равный v _in / r _g : $$i={\frac {V_{\text{in}}}{R_{\text{g}}}}$$

и, поскольку импеданс в ( -) штифт находится вблизи его оставить узел, который вводит Поскольку текущий закон Кирххоффа гласит, что тот же ток должен _, бесконечно выходное напряжение $$V_{\text{out}}=V_{\text{in}}+iR_{\text{f}}=V_{\text{in}}+\left({\frac {V_{\text{in}}}{R_{\text{g}}}}R_{\text{f}}\right)=V_{\text{in}}+{\frac {V_{\text{in}}R_{\text{f}}}{R_{\text{g}}}}=V_{\text{in}}\left(1+{\frac {R_{\text{f}}}{R_{\text{g}}}}\right)$$

Объединив термины, мы определяем закрытую петлю, CL _{получение} : $$A_{\text{CL}}={\frac {V_{\text{out}}}{V_{\text{in}}}}=1+{\frac {R_{\text{f}}}{R_{\text{g}}}}$$

Характеристики OP-AMP

Идеальные операционные усилители

Эквивалентная схема эксплуатационного усилителя, которая моделирует некоторые резистивные недейские параметры.

Обычно считается идеальным операционным усилителем, который имеет следующие характеристики:

• Бесконечное усиление открытого петли g = v _Out / v _в
• Бесконечный входной импеданс r _в и поэтому нулевой входной ток
• Нулевое напряжение входного смещения
• Бесконечный выходной диапазон напряжения
• Бесконечная полоса пропускания с нулевой фазовой сдвигом и бесконечным
• Нулевой импеданс r _{выходной} , и поэтому бесконечный диапазон выходного тока
• Нулевой шум
• Бесконечное отношение отторжения общего режима (CMRR)
• Бесконечный коэффициент отклонения питания .

Эти идеалы могут быть обобщены двумя золотыми правилами :

1. В замкнутом цикле выход делает все необходимое, чтобы изменить разницу напряжения между входами нулю.
2. Входы рисуют нулевой ток.

Первое правило применяется только в обычном случае, когда OP-AMP используется в конструкции с закрытой контуром (отрицательная обратная связь, где существует сигнальный путь какого-либо подачи обратно от выхода к инвертирующему входу). Эти правила обычно используются в качестве хорошего первого приближения для анализа или проектирования цепей OP-AMP.

Ни один из этих идеалов не может быть идеально реализован. Реальный OP AMP может быть смоделирован с неинфинитными или ненулевыми параметрами с использованием эквивалентных резисторов и конденсаторов в модели OP-AMP. Затем дизайнер может включить эти эффекты в общую производительность окончательной цепи. Некоторые параметры могут оказывать незначительное влияние на окончательный дизайн, в то время как другие представляют фактические ограничения окончательной производительности.

Настоящие операционные усилители

Настоящие операционные усилители отличаются от идеальной модели в различных аспектах.

Конечная выгода

Усиление открытой петли конечна в реальных операционных усилителях. Типичные устройства демонстрируют прирост постоянного тока с открытым контуром, превышающий 100 000. До тех пор, пока усиление петли (то есть продукт открытой петли и прирост обратной связи) очень велик, усиление замкнутого цикла будет полностью определено по количеству отрицательной обратной связи (т.е. он будет не зависел от усиления открытой петли ) В приложениях, где усиление замкнутого контя должно быть очень высоким (приближаясь к усилению открытой петли), усиление обратной связи будет очень низким, а более низкое усиление петли в этих случаях вызывает неидеальное поведение от схемы.

Ненулевой выходной импеданс

Низкий выходной импеданс важен для нагрузок с низким импедансом; Для этих нагрузок падение напряжения на выходном импедансе эффективно снижает усиление открытой петли. В конфигурациях с отрицательной обратной связью, чувствительным к напряжению выходной импеданс усилителя эффективно снижается; Таким образом, в линейных приложениях цепей OP-AMP обычно демонстрируют очень низкий выходной импеданс.

Низко-импедансные выходы обычно требуют высокого покоя (т. Е. Ие, IDLE) на выходной стадии и рассеивают большую мощность, поэтому конструкции с низким энергопотреблением могут намеренно жертвовать низким выходным импедансом.

Конечные входные импедансы

Дифференциальный входной импеданс эксплуатационного усилителя определяется как импеданс между его двумя входами; Входной импеданс общего режима -это импеданс от каждого входа в землю. Операционные усилители MOSFET -INPUT часто имеют защитные цепи, которые эффективно коротко загрязняют любые входные различия, превышающие небольшой порог, поэтому входной импеданс может показаться очень низким в некоторых тестах. Однако до тех пор, пока эти оперативные усилители используются в типичном применении с отрицательной обратной связью с высоким содержанием, эти цепи защиты будут неактивными. Входные и утечки токи, описанные ниже, являются более важным параметром проектирования для типичных приложений для рабочих усилителей.

Входная емкость

Дополнительный входной импеданс из-за паразитической емкости может быть критической проблемой для высокочастотной работы, где она снижает входной импеданс и может вызвать сдвиги фазы.

Входной ток

Из -за смещения требований или утечки небольшого количества тока течет в входы. Когда в цепи используются высокие сопротивления или источники с высокими выходными импедансами, эти небольшие токи могут привести к значительным падениям напряжения. Если входные токи сопоставлены, а импеданс, выходящий из обоих входов , сопоставлен, то эти напряжения на каждом входе будут равны. Поскольку оперативный усилитель работает на разнице между его входами, эти соответствующие напряжения не будут иметь никакого эффекта. Чаще всего входные токи слегка несоответствуют. Разница называется током входного смещения, и даже с соответствующими сопротивлениями может быть получено небольшое напряжение смещения (отличное от напряжения входного смещения ниже). Это напряжение смещения может создавать смещения или дрейфы в эксплуатационном усилителе.

Входное напряжение

Напряжение входного смещения - это напряжение, требуемое на входных клеммах OP AMP, чтобы привести выходное напряжение до нуля. В идеальном усилителе не было бы входного напряжения смещения. Тем не менее, он существует из -за недостатков на входной стадии дифференциального усилителя OP Amps. Напряжение ввода на смещение создает две задачи: во -первых, из -за усиления высокого напряжения усилителя он фактически гарантирует, что выход усилителя будет переходить в насыщение, если он будет работать без отрицательной обратной связи, даже когда входные клеммы соединяются вместе. Во -вторых, в замкнутой контуре, конфигурации отрицательной обратной связи, напряжение входного смещения усиливается вместе с сигналом, и это может создать проблему, если требуется высокая точность постоянного усилия или если входной сигнал очень мал.

Общее усиление режима

Идеальный операционный усилитель усиливает только разницу напряжений между двумя его входами, полностью отклоняя все напряжения, которые являются общими для обоих. Тем не менее, дифференциальный входной стадия оперативного усилителя никогда не бывает идеальной, что в некоторой степени приводит к усилению этих общих напряжений. Стандартная мера этого дефекта называется коэффициентом отторжения общего режима (CMRR). Минимизация усиления общего режима важна для не инвертирующих усилителей , которые работают с высоким усилением.

Отклонение подачи власти

Выход идеального операционного усилителя будет не зависеть от колебаний напряжения питания. Каждый реальный оперативный усилитель имеет конечный коэффициент отклонений питания (PSRR), который отражает, насколько хорошо OP AMP может отклонить шум в своем источнике питания от распространения до выхода. С увеличением частоты отторжение подачи электроэнергии обычно ухудшается.

Температурные эффекты

Производительность и свойства усилителя обычно изменяются в некоторой степени, с изменениями температуры. Температурная дрейф входного напряжения смещения особенно важна.

Дрейф

Реальные параметры Op-AMP подлежат медленному изменению с течением времени и с изменениями температуры, условий ввода и т. Д.

Конечная полоса пропускания

Все усилители имеют конечную пропускную способность. В первое приближение OP AMP имеет частотную характеристику интегратора с усилением. То есть усиление типичного операционного усилителя обратно пропорционально частоте и характеризуется его продуктом усиления -полосы пропускания (GBWP). Например, OP AMP с GBWP 1 МГц будет иметь усиление 5 при 200 кГц, а прирост 1 при 1 МГц. Этот динамический отклик в сочетании с очень высоким усилением постоянного тока OP AMP дает ему характеристики низкочастотного фильтра первого порядка с очень высоким усилением постоянного тока и низкой частотой отсечения, заданной GBWP, разделенным на усиление постоянного тока.

Конечная полоса пропускания OP AMP может быть источником нескольких проблем, включая:

Стабильность

С ограничением полосы пропускания связана разность фазы между входным сигналом и выходным сигналом, который может привести к колебаниям в некоторых цепях обратной связи. Например, синусоидальный выходной сигнал, предназначенный для разрушительного вмешательства с входным сигналом той же частоты, будет конструктивно мешать при задержке на 180 градусов, образуя положительную обратную связь . В этих случаях схема обратной связи может быть стабилизирована посредством компенсации частоты , которая увеличивает усиление или фазовую маржу схемы открытой петли. Проект схемы может реализовать эту компенсацию внешне с помощью отдельного компонента цепи. Альтернативно, компенсация может быть реализована в рамках оперативного усилителя с добавлением доминирующего полюса , который достаточно ослабляет высокочастотный усиление оперативного усилителя. Расположение этого полюса может быть зафиксировано внутренне производителем или настроено разработчиком цепи, используя методы, специфичные для OP AMP. В целом, доминирующая частота компенсация полюсов еще больше снижает полосу пропускания OP AMP. Когда желаемое усиление в закрытом контуле высокое, компенсация по частоте OP-AMP часто не требуется, поскольку необходимое усиление открытого петли достаточно низкое; Следовательно, приложения с высоким усилением замкнутой контуры могут использовать операционные усилители с более высокой пропускной способностью.

Искажение и другие эффекты

Ограниченная полоса пропускания также приводит к более низким количествам обратной связи на более высоких частотах, создавающих более высокие искажения и выходной импеданс при увеличении частоты.

Типичные недорогие, общепринятые операционные усилители демонстрируют GBWP из нескольких мегахерц. Существуют специальные и высокоскоростные операционные усилители, которые могут достичь GBWP из сотен мегахерц. Для очень высокочастотных цепей оперативный усилитель обратной связи часто используется .

Шум

Усилители по своей природе выводят шум, даже если сигнал не применяется. Это может быть связано с внутренним тепловым шумом и мерцающим шумом устройства. Для применений с высоким усилением или высокой пропускной способностью шум становится важным фактором, и усилитель с низким шумом , который специально предназначен для минимального внутреннего шума, может потребоваться для удовлетворения требований к производительности.

Нелинейные недостатки

Вход (желтый) и выход (зеленый) насыщенного операционного усилителя в инвертирующем усилителе

Насыщенность

Выходное напряжение ограничено минимальным и максимальным значением, близким к напряжениям источника питания . Выход более старых операционных усилителей может достигать в пределах одного или двух вольт промышленных рельсов. Вывод так называемого с железной дорогой Операционные усилители могут достигать в пределах милливолта рельсов подачи при обеспечении низких выходных токов.

Нажмите ограничение скорости

Выходное напряжение усилителя достигает своего максимальной скорости изменения, скорость нажатия , обычно указывающая в вольт на микросекунду (V/мкс). Когда происходит ограничение скорости нажатия, дальнейшее увеличение входного сигнала не влияет на скорость изменения выхода. Ограничение скоростей Результатом является постоянный ток I, стимулирующий емкость C в усилителе (особенно те емкости, используемые для реализации его частоты ); Скорость вывода ограничена d v / d t = i / c .

Sweping связан с большим сигналом операции OP AMP. Рассмотрим, например, OP AMP, настроенный для усиления 10. Пусть вход будет 1   В, 100 кГц пилопроводной волны. То есть амплитуда составляет 1   В, а период составляет 10 микросекунд. Соответственно, скорость изменения (то есть наклон) входного входа составляет 0,1 В на микросекунду. После 10 × усиление выходной сигнал должен составлять 10   В, 100 кГц пилотух, с соответствующей скоростью переключения 1   В на микросекунду. Тем не менее, классический 741 OP AMP   имеет спецификацию скорости сдвига в микросекунде, так что его выходные данные могут расти до более чем 5   В в 10-микросекундном периоде пилотушки. Таким образом, если бы кто -то измерял выход, он был бы 5   В, 100 кГц пилотул, а не   пилотурный пилот 10 В, 100 кГц.

Затем рассмотрим тот же усилитель и пилотурную пилотую 100 кГц, но теперь входная амплитуда составляет 100   мВ, а не 1   В. После 10 × амплификация выходной сигнал составляет 1   В, 100 кГц пилот -пилот с соответствующей скоростью перевода 0,1   В на микросекунду. В этом случае 741 с его 0,5   В на микросекундную скорость нажимает должным образом.

Современные высокоскоростные операционные усилители могли бы увеличить ставки, превышающие 5000   В на микросекунду. Тем не менее, чаще, что OP AMPS увеличивает скорости в диапазоне 5–100   В на микросекунду. Например, OP -усилитель TL081 общего назначения имеет скорость размера 13   В на микросекунду. Как правило, с низкой мощностью и небольшой полосой пропускной способности OP AMP имеют низкие показатели. В качестве примера, Micro-Amp LT1494 OP AMP потребляет 1,5 микроамки, но имеет продукт увеличения пропускания 2,7 кГц и 0,001   В на микросекундную скорость.

Не линейные отношения ввода-вывода

Выходное напряжение может не быть точно пропорциональным разнице между входными напряжениями, вызывающими искажение. Этот эффект будет очень маленьким в практической схеме, где используется существенная отрицательная обратная связь.

Изменение фазы

В некоторых интегрированных операционных усилителях, когда опубликованное напряжение общего режима нарушается (например, одним из входов, приведенных в одно из напряжений питания), выход может быть направлен на противоположную полярность от того, что ожидается в нормальной работе. В таких условиях отрицательная обратная связь становится положительной, что, вероятно, заставляет цепь блокировать в этом состоянии.

Властные соображения

Ограниченный выходной ток

Выходной ток должен быть конечным. На практике большинство операционных усилителей предназначены для ограничения выходного тока, чтобы предотвратить повреждение устройства, как правило, около 25 мА для IC AMP типа 741. Современные дизайны в электронном виде более надежны, чем более ранние реализации, а некоторые могут поддерживать прямые короткие цирки на своих результатах без повреждений.

Ограниченное выходное напряжение

Выходное напряжение не может превышать напряжение питания, поставляемое для OP AMP. Максимальный выход большинства операционных усилителей дополнительно уменьшается на некоторую сумму из -за ограничений в выходной схеме. Операционные усилители железнодорожного рельса предназначены для максимальных выходных уровней.

Выходной ток раковины

Ток выходного раковины - это максимальный ток, допустимый для погружения в выходной стадию. Некоторые производители обеспечивают выходное напряжение по сравнению с графиком тока выходного раковины, который дает представление о выходном напряжении, когда оно протолкнет ток из другого источника в выходной штифт.

Ограниченная рассеянная мощность

Выходной ток протекает через внутренний выходной импеданс OP AMP, генерируя тепло, которое необходимо рассеиваться. Если OP AMP рассеивает слишком много мощности, то его температура увеличится выше некоторого безопасного предела. OP AMP должен закрыться или рискнуть поврежден.

Современные интегрированные FET или MOSFET OP AMPS более близко приближаются к идеальному OP AMP, чем биполярные ICS, когда речь идет о входных импедансах и токах входного смещения. Биполяры, как правило, лучше, когда речь заходит о смещении входного напряжения , и часто имеют более низкий шум. Как правило, при комнатной температуре, с довольно большим сигналом и ограниченной полосой пропускной способности, FET и MOSFET OP AMP теперь обеспечивают лучшую производительность.

Внутренняя схема 741 -тип OP AMP

Диаграмма на уровне компонента общего 741 OP Amp. Указанные линии контур:   текущие зеркала ;   дифференциальный усилитель ;    класса А ; Стадия усиления   переключатель уровня напряжения;   Выходная стадия.

Поиск многих производителей, и в нескольких аналогичных продуктах, примером операционного усилителя биполярного транзистора, является 741 интегрированная схема, разработанная в 1968 году Дэвидом Фуллагаром в полупроводнике Fairchild после Bob Widlar LM301. интегрированной конструкции схемы В этом обсуждении мы используем параметры модели гибридной PI для характеристики малых сигналов, обоснованных характеристик эмиттера транзистора. В этой модели текущее усиление транзистора обозначено H _Fe , чаще называемое β.

Архитектура

Небольшая интегрированная схема , 741 OP AMP-акции с большинством OP AMP. Внутренняя структура, состоящая из трех стадий усиления:

1. Дифференциальный усилитель (изложено темно-синий)-обеспечивает высокую дифференциальную амплификацию (усиление) с отклонением сигнала общего режима , низким шумом, высоким входным импедансом и приводом
2. Усилитель напряжения (изложенная пурпурная )-обеспечивает высокое усиление напряжения, однополюсную частоту и, в свою очередь , водит
3. Выходной усилитель (изложенные голубые и зеленые )-обеспечивает высокое усиление тока (низкий выходной импеданс ), а также ограничение выходного тока и выходной защитой от короткого замыкания.

Кроме того, он содержит текущее зеркальное (изложенное красное) схема смещения и конденсации компенсации (30 пФ).

Дифференциальный усилитель

Входная стадия состоит из каскадного дифференциального усилителя с токовым MIRROR (изложенного в темно-синем цвете), за которой следует активная нагрузка . Это представляет собой усилитель трансконденции , превращая дифференциальный сигнал напряжения на основаниях Q1, Q2 в сигнал тока в основание Q15.

Это влечет за собой две каскадные пары транзисторов, удовлетворяющие противоречивые требования. Первый этап состоит из согласованной пары последователей излучателя NPN Q1, Q2, которая обеспечивает высокий входной импеданс. Вторым является подходящая пара PNP Common-Base Q3, Q4, которая устраняет нежелательный эффект Miller ; Он управляет активной нагрузкой Q7 плюс согласованная пара Q5, Q6.

Эта активная нагрузка реализована как модифицированное зеркало тока Уилсона ; Его роль состоит в том, чтобы преобразовать (дифференциальный) сигнал входного тока в односторонний сигнал без сопутствующих потерь на 50% (увеличивая усиление OP AMP с открытым контуром на 3 дБ). Таким образом, ток дифференциала небольшого сигнала в Q3 против Q4 появляется (удвоился) в основании Q15, ввод стадии усиления напряжения.

Усилитель напряжения

(Класс-А) стадия усиления напряжения (изложенная в пурпурной ) состоит из двух транзисторов NPN Q15 и Q19, подключенных в конфигурации Дарлингтона и использует выходную сторону тока зеркала, образованного Q12 и Q13 в качестве коллекционера (динамической) нагрузки для достижения его высокое усиление напряжения. Выходной транзистор Q20 получает свой базовый привод от общих коллекционеров Q15 и Q19; Уровень Q16 обеспечивает базовый привод для транзистора источника выходного сигнала Q14. Transistor Q22 предотвращает доставку этой стадии избыточного тока до Q20 и, таким образом, ограничивает ток выходного канала.

Выходной усилитель

Выходная стадия (Q14, Q20, изложенная в Cyan) является усилителем класса AB . Он обеспечивает выходной диск с импедансом ~ 50   Ом, по сути, усиление тока. Transistor Q16 (описанный в зеленом) обеспечивает покоящий ток для выходных транзисторов, а Q17 ограничивает ток выходного источника.

Смешивающие цепи

Схемы смещения обеспечивают соответствующий ток покоя для каждой стадии операционного усилителя.

Резистор (39 кОм), соединяющий (подключенные к диоду) Q11 и Q12, и данное напряжение питания ( ) _{, определите} ток в _{V S +-V S- токовых} зеркалах , (сопоставленные пары) Q10/Q11 и Q12// Q13. Ток коллекционера Q11, I ₁₁ кОм = S _{+ -} V S _{- -} 2 В. _V × 39 Для типичного V _S = ± 20 В ток стояния в Q11 и Q12 (а также в Q13) будет ~ 1 мА. Ток снабжения для типичного 741 из 2 мА соглашается с мнением, что эти два тока смещения доминируют в покоящемся токе снабжения.

Транзисторы Q11 и Q10 образуют зеркало тока видлара , с покоящимся током в Q10 I ₁₀ , так что LN ( I ₁₁ / I ₁₀ ) = I ₁₀ × 5 кОм / 28 мВ, где 5 кОм представляет резистор излучателя Q10 и 28 MV v t _{при комнатной} , тепловое напряжение температуре. В этом случае I ₁₀ ≈ 20 мкА.

Дифференциальный усилитель

Схема смещения этого этапа установлена ​​контуром обратной связи, которая заставляет коллекционеровские токи Q10 и Q9 (почти) совпадать. Любая небольшая разница в этих токах обеспечивает диск для общей базы Q3 и Q4. Суммированные покоящие токи через Q1 и Q3 Plus Q2 и Q4 отражаются из Q8 до Q9, где суммируется с током коллекционера в Q10, результат применяется к основаниям Q3 и Q4.

Таким образом, покоящие токи через Q1 и Q3 (также Q2 и Q4) I ₁ будут половины I ₁₀ , порядка ~ 10 мкА. Ток входного смещения для основания Q1 (также Q2) будет составлять I ₁ / β; обычно ~ 50 Na, подразумевая ток -усиление H _Fe ≈ 200 для Q1 (также Q2).

Эта схема обратной связи имеет тенденцию рисовать общий базовый узел Q3/Q4 к напряжению V _Com -2 V _. , где v _Com -входное напряжение общего режима В то же время величина покоящегося тока относительно нечувствителен к характеристикам компонентов Q1-Q4, таких как H _Fe , которые в противном случае вызывали бы температурную зависимость или частично вариации.

Транзистор Q7 приводит Q5 и Q6 в проводимость до тех пор, пока их (равные) токи коллектора не совпадают с таковыми Q1/Q3 и Q2/Q4. Постоянный ток в Q7 составляет v _Be / 50 кОм, около 35 мкА, как и покоящий ток в Q15, с соответствующей рабочей точкой. Таким образом, покоящиеся токи пары сочетаются в Q1/Q2, Q3/Q4, Q5/Q6 и Q7/Q15.

Усилитель напряжения

Постоянные токи в Q16 и Q19 устанавливаются текущим зеркалом Q12/Q13, которое работает при ~ 1 мА. Ток коллекционера в Q19 отслеживает этот постоянный ток.

Выходной усилитель

В схеме с участием Q16 (по -разному называемому резиновому диоду или v _{является} множитель), резистор 4,5 кОм должен провести около 100 мкА, с Q16 V _{примерно} 700 мВ. Тогда V _CB должен составлять около 0,45 В и V _CE примерно на 1,0 В. Поскольку коллекционер Q16 управляется источником тока, а излучатели Q16 приезжают в раковину тока коллектора Q19, транзистор Q16 устанавливает разность напряжений между базой Q14 и и основание Q20 ~ 1 В, независимо от общего режима напряжения баз Q14/Q20. Постоянный ток в Q14/ Q20 будет фактором EXP (100 мВ мм/ V _T ) ≈ 36 меньше, чем в 1 млн. М. Этот (небольшой) постоянный ток в выходных транзисторах устанавливает выходную стадию в работе класса AB и уменьшает кроссоверное искажение этой стадии.

Режим дифференциала малого сигнала

Небольшой дифференциальный сигнал входного напряжения дает повышение через несколько стадий усиления тока, гораздо большего сигнала напряжения на выходе.

Входной импеданс

Входная стадия с Q1 и Q3 аналогична паре, связанной с эмиттером (длиннохвосторонняя пара), при этом Q2 и Q4 добавляют некоторый дегенеративный импеданс. Входной импеданс относительно высок из-за небольшого тока через Q1-Q4. Типичный 741 OP AMP имеет дифференциальный входной импеданс около 2 МОм. Импеданс ввода общего режима еще выше, так как входная стадия работает на по существу постоянного тока.

Дифференциальный усилитель

Дифференциальное напряжение v _на входах op amp (контакты 3 и 2 соответственно) приводит к небольшому дифференциальному току в основаниях Q1 и Q2 I _в ≈ V _в / (2 H _IE H _Fe ). Этот дифференциальный базовый ток вызывает изменение тока дифференциального коллекционера в каждой ноге на I _в H _Fe . Внедрение транскундукции Q1, G _M = H _Fe / H _IE , (малого сигнального) тока у основания Q15 (вход стадии усиления напряжения) составляет V _в G _M / 2.

Эта часть OP AMP умно изменяет дифференциальный сигнал на входе OP AMP на односторонний сигнал у основания Q15 и, чтобы избежать расточительного отброса сигнала в обеих ногах. Чтобы увидеть, как, обратите внимание, что небольшое отрицательное изменение напряжения на инвертирующем входе (основание Q2) вытесняет его из проводимости, и это постепенное снижение тока переходит непосредственно от коллектора Q4 к его излучанию, что приводит к уменьшению базового диска для Q15 Q15. Полем С другой стороны, небольшое положительное изменение напряжения на не инвертирующем входе (основание Q1) приводит этот транзистор в проводимость, отражается в увеличении тока в коллекторе Q3. Этот ток движет Q7 дальше в проводимость, которая поворачивается на зеркало тока Q5/Q6. Таким образом, увеличение тока излучателя Q3 отражается в увеличении тока коллектора Q6; Повышенные токи коллекционера больше вытекают из узла коллекционера и приводят к снижению тока базового привода для Q15. Помимо избегания тратить 3 дБ усиливания здесь, этот метод уменьшает усиление общего мода и подачу шума питания.

Усилитель напряжения

Сигнал тока I на базе Q15 приводит к току в Q19 Ордена I β ² (Продукт H _Fe каждого из Q15 и Q19, которые связаны в паре Дарлингтона ). Этот ток сигнал развивает напряжение на основаниях выходных транзисторов Q14 и Q20 пропорционально H _IE соответствующего транзистора.

Выходной усилитель

Выходные транзисторы Q14 и Q20 настраиваются в виде последователя излучателя, поэтому там нет усиления напряжения; Вместо этого этот этап обеспечивает прирост тока, равный H _Fe Q14 и Q20.

Усиление тока снижает выходной импеданс, и, хотя выходной импеданс не равен нулю, так как он будет в идеальном операционном усилительном усилителе, с отрицательной обратной связью он приближается к нулю на низких частотах.

Другие линейные характеристики

Общий прирост открытой петли

Чистый усиление напряжения малого сигнала открытой петли OP AMP определяется произведением текущего усиления H _Fe около 4 транзисторов. На практике увеличение напряжения для типичного операционного усилителя в стиле 741 составляет 200 000, и усиление тока, отношение входного импеданса (~ 2–6   МОм) к выходному импедансу (~ 50   Ом) обеспечивает еще больше (мощность) усиления.

Общий усиление режима малого сигнала

Идеальный OP AMP имеет бесконечное коэффициент отторжения с общим режимом или нулевое усиление общего режима.

В настоящей цепи, если входные напряжения изменяются в одном и том же направлении, отрицательная обратная связь заставляет базовое напряжение Q3/Q4 следующим образом (с 2 В _ниже ) изменения входного напряжения. Теперь выходная часть (Q10) зеркала тока Q10-Q11 сохраняет общий ток через постоянную Q9/Q8, несмотря на различное напряжение. Коллекционерные токи Q3/Q4, и, соответственно, выходной ток в базе Q15, остаются неизменными.

В типичном 741 OP-усилитель подразумевая усиление напряжения общего мода с открытым контуром около 6.

Частотная компенсация

Инновацией Fairchild μA741 было внедрением компенсации частоты с помощью конденсатора на чипе (монолитный), упрощая применение OP AMP путем устранения необходимости внешних компонентов для этой функции. Конденсатор 30 PF стабилизирует усилитель посредством компенсации Миллера и функционирует способом, аналогичным схеме интегратора Op-AMP . Также известный как доминирующая полюсов компенсация , потому что он вводит полюс, который маскирует (доминирует) эффекты других полюсов в частотный характер открытого цикла; В 741 OP -усилитель этот полюс может составлять всего 10 Гц (где он вызывает потерю увеличения напряжения напряжения открытого петля).

Эта внутренняя компенсация предоставляется для достижения безусловной стабильности усилителя в конфигурациях отрицательной обратной связи, где сеть обратной связи нереактивна, а усиление цикла является единицей или выше. Напротив, усилители, требующие внешней компенсации, такие как μA748, могут потребовать внешней компенсации или увеличения замкнутой петли значительно выше, чем единство.

Входное напряжение

Смещенные нулевые контакты могут использоваться для размещения внешних резисторов (обычно в виде двух концов потенциометра, причем ползунок соединен с V _{S -} ) параллельно с резисторами излучателя Q5 и Q6, чтобы регулировать баланс Q5/Q6 тока зеркала. Потенциометр регулируется таким образом, чтобы выходной выход был нулевым (средним диапазоном), когда входы закрыты вместе.

Нелинейные характеристики

Входное напряжение

Транзисторы Q3, Q4 помогает повысить обратного V _{рейтинг} ; Соединения базовых эмиттер транзисторов NPN Q1 и Q2 разрушаются примерно на 7   В, но PNP-транзисторы Q3 и Q4 имеют разбивки _{напряжения} около 50   В.

Выходная стадия колебания напряжения и ограничения тока

Изменения в покоящемся токе с температурой или из -за изменений в производстве являются общими, поэтому кроссовер может быть подвержено значительным изменениям.

Выходной диапазон усилителя примерно на один вольт меньше, чем напряжение питания, отчасти из -за того, что из _v выходных транзисторов Q14 и Q20.

Резистор 25 Ом в излучателе Q14, наряду с Q17, ограничивает ток Q14 примерно 25 мА ; В противном случае Q17 не проводит тока. Ограничение тока для Q20 выполняется на стадии усиления напряжения: Q22 ощущает напряжение на резисторе эмиттера Q19 ( 50 Ом ); Когда он включается, он уменьшает ток привода до базы Q15. Более поздние версии этой схемы усилителя могут показать несколько иного метода ограничения выходного тока.

Применимость соображения

В то время как 741 исторически использовался в аудио и другом чувствительном оборудовании, такое использование теперь редко из -за улучшенных характеристик шума более современных операционных усилителей. Помимо генерирования заметных HIS, 741S и других более старых OP-ампер могут иметь плохие общие коэффициенты отторжения и, таким образом, часто будут вводить кабельные сетевые гули и другие помехи общего режима, такие как клики переключателей , в чувствительное оборудование.

741 . часто стал означать общий Op-AMP (например, μA741, LM301, 558, LM324, TBA221-или более современная замена, такая как TL071) Описание выходного этапа 741 качественно схоже для многих других конструкций (которые могут иметь совершенно разные этапы ввода), за исключением:

• Некоторые устройства (μA748, LM301, LM308) не являются внутренне компенсируемыми (требуют внешнего конденсатора от выхода до какой-то точки в рамках рабочего усилителя, если они используются в приложениях с низким содержанием замкнутого усиления).
• Некоторые современные устройства имеют возможность выходного сигнала с железной дорогой , что означает, что выход может варьироваться от нескольких милливолт от положительного напряжения питания до нескольких милливолт от негативного напряжения питания.

Классификация

Op усилители могут быть классифицированы по их строительству:

• дискретный, построенный из отдельных транзисторов или трубок/клапанов ,
• гибридный, состоящий из дискретных и интегрированных компонентов,
• Полные интегрированные цепи - наиболее распространенные, с перемещением первых двух из -за низкой стоимости.

Op op amps могут быть классифицированы во многих отношениях, в том числе:

• Оценка устройства, включая приемлемые диапазоны рабочей температуры и другие экологические или качественные факторы. Например: LM101, LM201 и LM301 относятся к военным, промышленным и коммерческим версиям того же компонента. Компоненты военного и промышленного уровня обеспечивают лучшие результаты в суровых условиях, чем их коммерческие коллеги, но продаются по более высоким ценам.
• Классификация по типу пакета также может повлиять на выносливость окружающей среды, а также варианты производства; DIP , а другие пакеты с сквозными отверстиями имеют тенденцию заменяться на поверхностные устройства .
• Классификация по внутренней компенсации: ОПС -ампер могут страдать от высокой частоты нестабильности в некоторых схемах отрицательной обратной связи , если не небольшой компенсационный конденсатор не изменяет фазовые и частотные ответы. Оп-ампер со встроенным конденсатором называют компенсированными и позволяют схемам выше определенного усиления с замкнутым контуром, чтобы быть стабильными без внешнего конденсатора. В частности, операционные усилители, которые являются стабильными, даже с замкнутым контуром 1, называются усилием единицы .
• Одиночные, двойные и квадратные версии многих коммерческих Op-AMP доступны, что означает 1, 2 или 4 операционные усилители включены в один и тот же пакет.
• Входные усилители ввода (и/или выходных сигналов могут работать с сигналами входных (и/или выходных), очень близких к рельсам источника питания.
• CMOS OP AMP (такие как CA3140E) обеспечивают чрезвычайно высокие входные сопротивления, выше, чем OP -ампер JFET -INPUT, которые обычно выше, чем биполярные операционные усилители.
• Программируемые операционные усилители позволяют регулировать ток в состоянии покоя, полосу и т. Д.
• Производители часто продают свои операционные усилители в соответствии с целью, такими как предварительные усилители с низким шумом, усилители широких полосой пропускания и так далее.

Приложения

для приготовления Расписка для операционного усилителя 741 типа

Основная статья: приложения для оперативного усилителя

Использование в проектировании системы электроники

Использование операционных усилителей в качестве блоков схемы намного проще и проще, чем указание всех их отдельных элементов цепи (транзисторы, резисторы и т. Д.), Независимо от того, являются ли используемыми усилителями интегрированными или отдельными цепями. В первом аппроксимации OP AMP можно использовать так, как если бы они были идеальными блоками дифференциального усиления; На более позднем этапе ограничения могут быть установлены в приемлемом диапазоне параметров для каждого операционного усилителя.

Конструкция цепи следует те же линии для всех электронных цепей . Спецификация состоит из того, что нужно сделать, что требуется для схемы, с допустимыми ограничениями. Например, усиление может потребоваться в 100 раз, с допуском 5%, но дрейфовать менее 1% в указанном диапазоне температур; входной импеданс не менее одного мегохма ; и т. д.

Основная схема разработана, часто с помощью моделирования электронных цепи . Затем выбираются специфические коммерчески доступные операционные усилители и другие компоненты, которые соответствуют критериям проектирования в пределах указанных допусков при приемлемых затратах. Если не все критерии можно соответствовать, спецификация может быть изменена.

Затем прототип построен и протестирован; Могут быть внесены дополнительные изменения для удовлетворения или улучшения спецификации, изменения функциональности или снижения стоимости.

Приложения без использования обратной связи

То есть OP AMP используется в качестве компаратора напряжения . Обратите внимание, что устройство, разработанное главным образом как компаратор, может быть лучше, если, например, скорость важна или может быть найден широкий диапазон входных напряжений, поскольку такие устройства могут быстро восстанавливаться после или полным («насыщенным») состояниями.

Детектор уровня напряжения опорное напряжение V _REF может быть получен, если к одному из входов OP AMP применяется . Это означает, что OP AMP настроен в качестве компаратора для обнаружения положительного напряжения. Если для определения напряжения, E _I , применяется к входу OP AMP ( +), результатом является неинвертирующий детектор положительного уровня: когда E _I выше V _Ref , V _o равно + V _SAT ; Когда E _I ниже V _ref , V _o равно V _Sat. - Если E _I применяется к инвертирующему входу, схема представляет собой инвертирующий детектор положительного уровня: когда I _выше V ref _, V O _равно - V _Sat. E

Детектор уровня нулевого напряжения ( e _i = 0) может преобразовать, например, выходную волну синусоидации из генератора функций в квадратную волну частота с переменной частотой. Если E _I -синусоидальная волна, треугольная волна или волна любой другой формы, которая является симметричной около нуля, выход с нулевым перекручиванием будет квадратным. Обнаружение нулевого пересечения также может быть полезным для запуска Triacs в лучшее время для уменьшения сетевых помех и тока.

Положительные приложения

Schmitt Trigger реализован не инвертирующим компаратором

Другая типичная конфигурация OP Amps-с положительной обратной связью, которая возвращает часть выходного сигнала обратно на не инвертирующий вход. Важным применением является компаратор с гистерезисом, триггером Schmitt . Некоторые схемы могут использовать положительную обратную связь и отрицательную обратную связь вокруг того же усилителя, например, треугольника генераторы и активные фильтры .

Из-за широкого диапазона множества и отсутствия положительной обратной связи реакция всех детекторов на уровне открытых петлей, описанных выше, будет относительно медленной. Внешняя общая положительная обратная связь может быть применена, но (в отличие от внутренней положительной обратной связи, которая может быть применена на последних этапах специально разработанного компаратора), это заметно влияет на точность точки обнаружения нулевого пересечения. Использование общего назначения OP AMP, например, частота E _I для преобразователя с синусом в квадратную волну, вероятно, должна быть ниже 100 Гц.

Приложения с негативной обратной связью

Не инвертирующий усилитель

OP AMP, подключенный в конфигурации не инвертирующего усилителя

В не инвертирующем усилителе выходное напряжение изменяется в том же направлении, что и входное напряжение.

Уравнение усиления для OP AMP

$V_{\text{out}}=A_{\text{OL}}(V_{+}-V_{-}).$

Однако в этой схеме V _- функция V _Out из -за отрицательной обратной связи через сеть R ₁ R ₂ . R ₁ и R ₂ образуют разделитель напряжения , и как V _- является высокоимпедансным входом, он не загружает его заметно. Следовательно

$V_{-}=\beta V_{\text{out}},$

где

$\beta ={\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}.$

Заменив это в уравнение усиления, мы получаем

$V_{\text{out}}=A_{\text{OL}}(V_{\text{in}}-\beta V_{\text{out}}).$

Решение для $V_{\text{out}}$:

$V_{\text{out}}=V_{\text{in}}\left({\frac {1}{\beta +{\frac {1}{A_{\text{OL}}}}}}\right).$

Если $A_{\text{OL}}$ очень большой, это упрощает

$V_{\text{out}}\approx {\frac {V_{\text{in}}}{\beta }}={\frac {V_{\text{in}}}{\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}}=V_{\text{in}}\left(1+{\frac {R_{2}}{R_{1}}}\right).$

Не инвертирующий ввод оперативного усилителя нуждается в пути для DC к земле; Если источник сигнала не предоставляет путь постоянного тока, или если этот источник требует заданного импеданса нагрузки, то цепь потребует другого резистора от не инвертирующего входа на землю. Когда входные токи ввода усилителя являются значительными, то сопротивление источника постоянного тока, движущие входные данные, должны быть сбалансированы. Идеальное значение для резисторов обратной связи (для получения минимального напряжения смещения) будет таким, что две сопротивления параллельно примерно равны сопротивлению земли на не инвертирующем входном выводе. Это идеальное ценность предполагает, что токи смещения хорошо сопоставлены, что может быть не правдой для всех операционных усилителей.

Инвертирующий усилитель

OP AMP, подключенный в конфигурации инвертирующего усилителя

В инвертирующем усилителе выходное напряжение изменяется в противоположном направлении на входное напряжение.

Как и в случае не инвертирующего усилителя, мы начинаем с уравнения усиления OP Amp:

$V_{\text{out}}=A_{\text{OL}}(V_{+}-V_{-}).$

На этот раз V _- является функцией как V _Out, так и V _в результате разделителя напряжения, образованного R _F и R _в . Опять же, вход Op-AMP не применяет заметную нагрузку, поэтому

$V_{-}={\frac {1}{R_{\text{f}}+R_{\text{in}}}}\left(R_{\text{f}}V_{\text{in}}+R_{\text{in}}V_{\text{out}}\right).$

Заменить это в уравнение усиления и решение для $V_{\text{out}}$:

$V_{\text{out}}=-V_{\text{in}}{\frac {A_{\text{OL}}R_{\text{f}}}{R_{\text{f}}+R_{\text{in}}+A_{\text{OL}}R_{\text{in}}}}.$

Если $A_{\text{OL}}$ очень большой, это упрощает

$V_{\text{out}}\approx -V_{\text{in}}{\frac {R_{\text{f}}}{R_{\text{in}}}}.$

Резистор часто вводится между не инвертирующим входом и заземлением (поэтому оба входа «см.« Подобные сопротивления), уменьшая напряжение входного смещения из-за различных падений напряжения из-за тока смещения , и может уменьшить искажение в некоторых операционных усилителях.

Конденсатор блокировки DC до постоянного тока не требуется, и любое напряжение постоянного тока может быть вставлен последовательно с входным резистором, когда частотный характер на вход нежелательно. То есть емкостный компонент входного импеданса вводит DC Zero и низкочастотный полюс , который придает цепи полосовой или высокой частотной характеристики.

Потенциалы на входах усилителя в эксплуатации остаются практически постоянными (ближняя земля) в инвертирующей конфигурации. Постоянный рабочее потенциал обычно приводит к уровням искажений, которые ниже, чем те, что достижимы с не инвертирующей топологией.

Другие приложения

• Аудио- и видеозависимые преодолетели и буферы
• дифференциальные усилители
• Дифференциаторы и интеграторы
• фильтры
• точные выпрямители
• точные пиковые детекторы
• напряжения и тока регуляторы
• аналоговые калькуляторы
• Аналог-цифровые преобразователи
• Цифровые в аналоговые конвертеры
• напряжение зажим
• осцилляторов и формы волны генераторы
• Клиппер
• CROMPER (DC вставка или реставратор)
• Бревенчатые и антилогарные усилители

Большинство доступных однократных и четырехместных усилителей имеют стандартизированный пин-аут, который позволяет заменить один тип на другой без изменений проводки. Конкретный OP AMP может быть выбран для его открытого усиления петли, пропускной способности, шумового характеристик, входного импеданса, энергопотребления или компромисса между любым из этих факторов.

Историческая временная шкала

1941: вакуумная трубка Op Amp. OP AMP, определяемый как общепринятый, связанный с DC, высокий прирост, инвертирующий усилитель обратной связи , впервые обнаружен в патенте США 2,401,779 «Суммирование усилителя», поданное Карлом Д. Шварцелем-младшим из Bell Labs в 1941 году. Этот дизайн. Три вакуумных труб для достижения увеличения 90 дБ и эксплуатируются на рельсах напряжения ± 350 В. Он имел единый инвертирующий вход, а не дифференциальный инвертирующий и не инвертирующий входы, как это обычные в современных операционных усилителях. На протяжении всей мировой войны дизайн Swartzel доказал свою ценность, будучи либерально использованным в артиллерийском режиссере M9 , разработанном в Bell Labs. Этот артиллерийский режиссер работал с радиолокационной системой SCR584, чтобы достичь необычайных показателей попадания (около 90%), что было бы невозможно в противном случае.

Gap/R K2-W: вакуумный op amp (1953)

1947: OP AMP с явным не инвертирующим входом. В 1947 году оперативный усилитель был впервые официально определен и назван в статье из Джон Р. Рагаззини Колумбийского университета. В этой же статье сноска упомянула дизайн OP-AMP студента, который оказался бы довольно значительным. Этот операционный усилитель, разработанный Лобе Джули , был превосходным разным способом. У него было два основных инновация. В его входной стадии использовалась длиннохвостовая пара триод с нагрузками, соответствующими снижению дрейфа на выходе, и, что более важно, это была первая конструкция Op-AMP, имеющая два входа (один инвертинг, другой не инвертинг). Дифференциальный ввод сделал возможным целый ряд новых функциональности, но он не будет использоваться в течение длительного времени из-за роста стабилизированного усилителя.

1949: стабилизированный вертолетом OP Amp. В 1949 году Эдвин А. Голдберг спроектировал операционный оператор, стабилизированный вертолом . В этой настройке используется обычный OP-усилитель с дополнительным усилителем переменного тока , который идет рядом с OP AMP. Чоппер получает сигнал переменного тока от постоянного тока путем переключения между напряжением постоянного тока и заземляющимся скоростью (60 Гц или 400 Гц). Этот сигнал затем усиливается, исправляет, отфильтрован и подается на не инвертирующий вход OP AMP. Это значительно улучшило усиление операционного усилителя, значительно снижая выходной дрейф и смещение постоянного тока. К сожалению, любой дизайн, который использовал вертолет, не мог использовать свой не инвертирующий вход для любых других целей. Тем не менее, значительно улучшенные характеристики стабилизированного Чоппером OP AMP сделали его доминирующим способом использовать OP AMP. Методы, которые регулярно использовали не инвертирующий вход, не были бы очень популярны до 1960-х годов, когда Op-AMP ICS начал появляться в этой области.

1953: Коммерчески доступный OP Amp. В 1953 году вакуумные трубки OP AMP стали коммерчески доступны с выпуском модели K2-W из исследований Джорджа А. Филбрика , включенных. Обозначение на показанных устройствах, Gap/R, является аббревиатурой для полного названия компании. Две вакуумные пробирки с девятьючинками 12AX7 были установлены в восьмиуровне и имели доступную дополнительную подачу модели K2-P, которое эффективно «использовать» не инвертирующий вход. Этот OP AMP был основан на потомке дизайна Loebe Julie 1947 года и, наряду с его преемниками, начнет широкое использование OP AMP в промышленности.

Gap/R Model P45: твердотельный, дискретный OP Amp (1961).

1961: дискретный IC Op Amp. С рождением транзистора в 1947 году и кремниевым транзистором в 1954 году концепция ICS стала реальностью. Внедрение плоского процесса в 1959 году сделало транзисторы и ICS достаточно стабильными, чтобы быть коммерчески полезными. К 1961 году производились твердые, дискретные операционные усилители. Эти операционные усилители были фактически небольшими пласками с цепь с такими пакетами, как краевые разъемы . У них обычно были выбранные вручную резисторы, чтобы улучшить такие вещи, как смещение напряжения и дрейф. P45 (1961) имел прирост 94 дБ и работал на рельсах ± 15 В. Он был предназначен для работы с сигналами в диапазоне ± 10 В.

1961: op amp. Было много разных направлений, представленных в дизайне Op-AMP. Op amps op varactor Bridge начал производиться в начале 1960 -х годов. Они были разработаны, чтобы иметь чрезвычайно небольшой ток входного тока и все еще являются одними из лучших операционных усилителей, доступных с точки зрения отклонений общего мода с возможностью правильно справляться с сотнями вольт на своих входах.

Model PP65 GAP/R: твердотельный OP AMP в модуле в горшках (1962)

1962: OP AMP в модуле в горшках. К 1962 году несколько компаний производили модульные пакеты с горшками, которые можно подключить к печатным платам . Эти пакеты были крайне важны, поскольку они превратили оперативный усилитель в одну черную коробку , которую можно легко рассматривать как компонент в более крупной цепи.

1963: монолитный IC op amp. В 1963 году был выпущен первый монолитный IC OP AMP, μA702, разработанный Бобом Видларом в полупроводнике Fairchild. Монолитные ICS состоят из одного чипа, в отличие от чипа и дискретных частей (дискретный IC) или несколько чипов, связанных и подключенных на плате (гибридный IC). Почти все современные операционные усилители - это монолитные ICS; Однако этот первый IC не достиг большого успеха. Такие проблемы, как неравномерное напряжение питания, низкое усиление и небольшой динамический диапазон, удерживались от доминирования монолитных операционных усилителей до 1965 года, когда μA709 (также разработан Бобом Видларом) был выпущен.

1968: высвобождение μA741. Популярность монолитных операционных усилителей была дополнительно улучшена после высвобождения LM101 в 1967 году, который решил различные проблемы, и последующее высвобождение μA741 в 1968 году. Включите конденсатор компенсации 30 ПФ в чип, а не требует внешней компенсации. Это простое отличие сделало 741 канонический операционный усилитель, и многие современные усилители основывали свою распину на 741. ΜA741 все еще находится в производстве и стал вездесущим в электронике - многие производители производят версию этого классического чипа, узнаваемую по номерам деталей, содержащих 741 . Та же самая часть изготовлена ​​несколькими компаниями.

1970: Первый высокоскоростный, низкопринятый ток FET Design. В 1970-х годах высокоскоростные конструкции тока с низким содержанием входа начали создаваться с использованием FET . Они будут в значительной степени заменены OP AMP, изготовленными из MOSFET в 1980 -х годах.

LH0033CG: высокоскоростный гибридный IC op amp

1972: производится односторонние операционные усилители. Оп -усилитель с одним боковым питанием - это тот, где входные и выходные напряжения могут быть такими же низкими, как отрицательное напряжение питания, вместо того, чтобы быть не менее чем на два вольт над ним. Результатом является то, что он может работать во многих приложениях с отрицательным выводом снабжения на OP AMP, подключенном к заземлению сигнала, что устраняет необходимость отдельного отрицательного источника питания.

LM324 (выпущенный в 1972 году) был одним из таких операционных усилителей, который поступил в Quad Package (четыре отдельных операционных усилителя в одном пакете) и стал отраслевым стандартом. В дополнение к упаковке нескольких операционных усилителей в одном пакете, 1970 -е годы также увидели рождение операционных усилителей в гибридных пакетах. Эти операционные усилители, как правило, были улучшенными версиями существующих монолитных операционных усилителей. По мере улучшения свойств монолитных операционных усилителей более сложные гибридные ICs были быстро отнесены к системам, которые необходимы для чрезвычайно длительных жизней обслуживания или других специальных систем.

Op amp в пакете Mini Dip

Недавние тенденции. Недавно Напряжения питания в аналоговых схемах уменьшились (как они имеют в цифровой логике), и были введены низковольтные операционные усилители, отражающие это. Поставки 5 В и все чаще 3,3 В (иногда всего 1,8 В) являются общими. Чтобы максимизировать диапазон сигналов, современные операционные усилители обычно имеют выходной сигнал (выходной сигнал может варьироваться от самого низкого напряжения питания до самого высокого), а иногда и входов на рельс.

Смотрите также

• Активный фильтр
• Аналоговый компьютер
• Бобд
• Текущий конвейер
• Оперативный усилитель текущего обратного отслеживания
• Дифференциальный усилитель
• Джордж А. Филбрик
• Усилитель инструментов
• Список интегрированных цепей серии LM
• Усилитель отрицательного обратной связи
• Оп-аспект обмен
• Приложения операционного усилителя
• Оперативный усилитель трансдуктивности
• Топология Саллен -Кей

Дальнейшее чтение

Книги

• Op усилители для всех ; 5 -е изд; Брюс Картер, Рон Манчини; Ньюнес; 484 страницы; 2017; ISBN   978-0-12-811648-7 . (2 МБ PDF - 1 -е издание)
• Оперативные усилители - теория и дизайн ; 3 -е изд; Йохан Хуйсинг; Спрингер; 423 страницы; 2017; ISBN   978-3-319-28126-1 .
• Операционные усилители и линейные интегрированные цепи - теория и применение ; 3 -е изд; Джеймс Фиоре; Творческое общество; 589 страниц; 2016. МБ. ( 13
• Анализ и дизайн линейных схем ; 8 -е изд; Роланд Томас, Альберт Роза, Грегори Туссен; Уайли; 912 страниц; 2016; ISBN   978-1-119-23538-5 .
• Дизайн с оперативными усилителями и аналоговыми интегрированными цепями ; 4 -е изд; Серхио Франко; МакГроу Хилл; 672 страницы; 2015; ISBN   978-07-802816-8 .
• Маленький сигнальный аудио дизайн ; 2 -е изд; Дуглас себя ; Фокусная пресса; 780 страниц; 2014; ISBN   978-0-415-70973-6 .
• Справочник по дизайну линейной цепи ; 1 -е изд; Хэнк Зумбахлен; Ньюнес; 960 страниц; 2008; ISBN   978-0-7506–8703–4 . (35 МБ PDF)
• Справочник по приложениям OP AMP ; 1 -е изд; Уолт Юнг ; Аналоговые устройства и Newnes; 896 страниц; 2005; 978-0-7506–7844-5   . (17 МБ PDF)
• Операционные усилители и линейные интегрированные схемы ; 6 -е изд; Роберт Кофлин, Фредерик Дрисколл; Prentice Hall; 529 страниц; 2001; ISBN   978-0-13-019991-6 .
• Поваренная книга с активным фильтром ; 2 -е изд; Дон Ланкастер ; SAMS; 240 страниц; 1996; ISBN   978-0-7506-2986-7 . (28 МБ PDF - 1 -е издание)
• Ic op-amp Cookbook ; 3 -е изд; Уолт Юнг ; Prentice Hall; 433 страницы; 1986; ISBN   978-0-13-889601-0 . (18 МБ PDF - 1 -е издание)
• Инженерный мини-нот-книг-схемы opamp IC ; 1 -е изд; Форрест Мимс III; Радио -лачуг; 49 страниц; 1985; ASIN B000DZG196. (4 МБ PDF)
• Фредериксен, Томас (1984). Интуитивно понятные IC OP Amps - от оснований до полезных приложений (1 -е изд.). Национальный полупроводник .
• Проектирование с помощью оперативных усилителей - приложения альтернативы ; 1 -е изд; Джеральд Грэм; Burr-Brown & McGraw Hill; 269 ​​страниц; 1976; ISBN   978-07-078891-6 .
• Применение операционных усилителей - методы третьего поколения ; 1 -е изд; Джеральд Грэм; Burr-Brown & McGraw Hill; 233 страницы; 1973; ISBN   978-07-07-023890-9 . (37 МБ PDF)
• Понимание операционных усилителей IC ; 1 -е изд; Роджер Мелен и Гарри Гарланд ; Sams Publishing; 128 страниц; 1971; ISBN   978-0-672-20855-3 . (архив)
• Операционные усилители - проектирование и приложения ; 1 -е изд; Джеральд Грэм, Джин Тоби, Лоуренс Хуэлсман; Burr-Brown & McGraw Hill; 473 страницы; 1971; ISBN   978-07-074917-0 .

Книги с главами Opamp

• Изучение искусства электроники - практического лабораторного курса ; 1 -е изд; Томас Хейс, Пол Горовиц ; Кембридж; 1150 страниц; 2016; ISBN   978-0-521-17723-8 . (Часть 3 - 268 страниц)
• Искусство электроники ; 3 -е изд; Пол Горовиц , Уинфилд Хилл; Кембридж; 1220 страниц; 2015; ISBN   978-0-521-80926-9 . (Глава 4 - 69 страниц)
• Уроки в электрических цепях - том III - полупроводники ; 5 -е изд; Тони Куфальдт; Проект открытой книги; 528 страница; 2009. (Глава 8 - 59 страниц) (4 МБ PDF)
• Устранение неполадок аналоговых цепей ; 1 -е изд; Боб Пиз ; Ньюнес; 217 страниц; 1991; ISBN   978-0-7506-9499-5 . (Глава 8 - 19 страниц)

Исторические справочники применения

• Руководство по аналоговым приложениям (1979, 418 страниц) , Signetics. (Opamps в разделе 3)

Исторические базы базы

• Линейная база базы 1 (1988, 1262 страницы) , Национальный полупроводник. (Opamps в разделе 2)
• Линейная и интерфейсная база (1990, 1658 страниц) , Motorola. (Opamps в разделе 2)
• Линейная база базы (1986, 568 страниц) , RCA.

Исторические таблицы данных

• LM301, Single BJT Opamp, Texas Instruments
• LM324, Quad BJT Opamp, Texas Instruments
• LM741, Single BJT Opamp, Texas Instruments
• NE5532, Dual BJT Opamp, Texas Instruments (NE5534 аналогичный сингл)
• TL072, Dual JFET Opamp, Texas Instruments (TL074 - Quad)

Внешние ссылки

• Коллекция COURE AMP - Национальная полупроводниковая корпорация
• Оперативные усилители - Глава обо всех схемах
• Усиление цикла и его влияние на производительность аналоговой схемы - Введение в усиление петли, усиление и фазовое поле, стабильность петли
• Простые измерения OP AMP Архивировали 2012-03-20 на машине Wayback Как измерить напряжение смещения, смещение и ток смещения, усиление, CMRR и PSRR.
• Операционные усилители . Вводной онлайн-текст EJ Mastascusa ( Университет Бакнелла ).
• Введение в стадии схемы OP-AMP, фильтры второго порядка, отдельные полосовые фильтры AMP и простой интерком
• MOS OP AMP Design: обзор учебного пособия
• Прогнозирование шума эксплуатационного усилителя (все усилители OP) с использованием Spot Noise
• Основы операционного усилителя архивировали 2009-06-02 на машине Wayback
• OP-AMP История архивирования 2012-10-07 на машине Wayback , от вакуумных трубок до примерно 2002 года
• Loebe Julie Историческое интервью Opamp от Боба Пиза
• www.philbrickarcharive.org - бесплатное хранилище материалов от Джорджа А. Филбрик / Исследования - Пионер операционного усилителя
• В чем разница между оперативными усилителями и усилителями инструментов? Архивированный 2013-03-15 в The Wayback Machine , журнал Electronic Design Magazine