Высоковольтный операционный усилитель – OPA454 – мощный и высоковольтный

OPA454 – мощный и высоковольтный

 

Краткое описание

OPA454 — новый недорогой высоковольтный операционный усилитель компании Texas Instruments с выходным током более 50 мА и полосой пропускания 2,5 МГц. Одно из преимуществ — высокая стабильность OPA454 при единичном коэффициенте усиления. Внутри ОУ организована защита от превышения температуры и перегрузки по току. Работоспособность ИС сохраняется в широком диапазоне напряжений питания от ±5 до ±50 В или, в случае однополярного питания, от 10 до 100 В (максимум 120 В). У OPA454 существует дополнительный вывод «Status Flag» — статусный выход ОУ с открытым стоком, — что позволяет работать с логикой любого уровня. Этот высоковольтный операционный усилитель обладает высокой точностью, широким диапазоном выходных напряжений, не вызывает проблем при инвертировании фазы, которые часто встречаются при работе с простыми усилителями.

Технические особенности OPA454:

  • Широкий диапазон питающих напряжений от ±5 В (10 В) до ±50 В (100 В)
  • (предельно до 120 В)
  • Большой максимальный выходной ток > ±50 мА
  • Широкий диапазон выходных напряжений от Uпит. до 1 В
  • Широкий диапазон рабочих температур от -40 до 85°С (предельно от -55 до 125°С)
  • Корпусное исполнение SOIC или HSOP (PowerPADTM)

Подключение и применение

На рисунке 1 показана базовая схема включения OPA454 в качестве неинвертирующего усилителя.

 

 

Рис. 1. Базовая неинвертирующая схема включения усилителя OPA454

Питание, как уже упоминалось, может быть выбрано любое в диапазоне от ±5 до ±50 В при сохранении всех характеристик. При этом выводы питания обязательно должны быть зашунтированы относительно общего провода конденсаторами емкостью более 0,1 мкФ. В некоторых приложениях положительное и отрицательное напряжения питания не равны, для этого ОУ OPA454 способен работать с большой разницей питающих напряжений — от 10 до 100 вольт. К примеру, положительное напряжение может быть выбрано +90 В, а отрицательное -10  В.

При необходимости выход ОУ может быть независимо отключен, для чего требуется соединить вход «Enable/Disable» c его собственным «общим» выводом «Enable/Disable Common», что упрощает «стыковку» с низковольтной логикой. При таком отключении сигнальная часть остается нетронутой, что в большей степени необходимо для защиты нагрузки.

Защита входных цепей

ОУ OPA454 имеет усиленную защиту от повышенного напряжения между прямым и инверсным входами. Защита также сработает, если напряжение на любом из входов превысит напряжение питания. Входные JFET-транзисторы во внештатной ситуации ограничивают входной ток на безопасном уровне 4 мА. Для дополнительной безопасности OPA454 имеет диэлектрическую изоляцию внешней металлической площадки, предназначенной для организации дополнительного охлаждения (стандартные корпуса SOIC и HSOP с модификацией PowerPADTM).

Увеличение максимального выходного тока

ОУ OPA454 позволяет без потерь в качественных параметрах работать с токами в нагрузке, превышающими 50 мА. Для увеличения выходного тока разрешается соединять от двух и более ОУ в параллель, как показано на рисунке 2а.

 

 

Рис. 2. Примеры схем включения OPA454 для увеличения максимального выходного тока

По такой схеме усилитель А1 является «ведущим» и может работать в любой схемной конфигурации. Усилитель А2 является «зависимым» и выполняет лишь роль буфера с единичным усилением. Как альтернативное решение для усиления тока может быть использована схема с дополнительными внешними выходными транзисторами, как показано на рисунке 2б. С применением указанных транзисторов схема способна работать с токами в нагрузке до 1 А.

Выводы «ENABLE» и «E/D Com»

Если вывод «E/D Com» оставить неподключенным, то он «подтянется» напрямую к «V-» (шине отрицательного питания) через внутренний источник тока 10 мкА. Если же не подключить вывод «ENABLE», то потенциал на нем удержится примерно на уровне 2 В относительно вывода «E/D Com» через дополнительный источник тока 1 мкА. Когда выводы «ENABLE» и «E/D Com» не подключены, даже умеренно быстрый сигнал отрицательной полярности через емкостную связь с выводом «ENABLE» может перевести ОУ в режим ожидания («shutdown»). Если функция и вывод «ENABLE» не будут использоваться, то рекомендуется шунтировать этот вывод конденсатором 30 пФ или через внешний источник тока подключить его к шине «V+» (к шине положительного питания). На рисунке 3 показаны варианты подключения выводов «ENABLE» и «E/D Com».

 

 

Рис. 3. Варианты схем подключения выводов «ENABLE» и «E/D Com»

Если резистор RP будет равен 1 МОм, то при положительном питании +50 В, ток IP будет равен 50 мкА.

Токовая защита

На рисунке 4 изображены графики работы токовой защиты OPA454.

 

 

Рис. 4. Зависимость тока срабатывания защиты от температуры (а) и задержка оповещения
о перегрузке (выход «Status Flag») (б)

На графике слева можно видеть зависимость уровней тока срабатывания защиты (по втекающему и вытекающему току отдельно) от температуры окружающей среды, справа отображена осциллограмма типовой задержки статусного выхода «Status Flag». Ток в OPA454 измеряется непосредственно на выходных транзисторах и линейно ограничивается схемой защиты. В состоянии токовой перегрузки ИС будет работать до тех пор, пока температура кристалла не поднимется до уровня 150°С, что приведет к срабатыванию защиты по температуре. С достаточным радиатором и при использовании минимально возможного напряжения питания, OPA454 может сколь угодно долго оставаться в режиме ограничения тока и без срабатывания температурной защиты.

Температурная защита

Как уже говорилось ранее, при повышении температуры кристалла до 150°С срабатывает встроенная температурная защита. При этом триггерная схема переключает ОУ в режим ожидания («shutdown»), переводя выход OPA454 в безопасное высокоимпедансное состояние. Когда температура кристалла снизится до 130°С, нормальный режим работы ОУ автоматически восстановится. Такая температурная защита необходима для предотвращения выхода ОУ из безопасной области работы, даже при длительном замыкании выхода на шину общего провода или шину любого из питающих напряжений.

Корпусное исполнение

OPA454 выпускается в двух корпусах SO-8 и HSOP-20 с современной модификацией PowerPAD, благодаря чему удалось получить крайне низкое тепловое сопротивление между кристаллом и внешней частью корпуса. Главная конструктивная особенность этих корпусов — наличие открытой металлической площадки для отвода тепла, которая находится в прямом термоконтакте с кристаллом (рисунок 5).

 

 

Рис. 5. Корпуса SO-8 и HSOP-20 с модификацией PowerPAD (вид в разрезе)

Типовые схемы применения

На рисунках 6 и 7 отображены схемы программируемого источника напряжения и мостового удвоителя напряжения соответственно.

 

 

Рис. 6. Программируемый источник напряжения

 

 

Рис. 7. Мостовая схема с удвоением максимального выходного напряжения (пример для пьезоэлектрической пластины)

Как показано на рисунке 8, используя три OPA454, можно создать высоковольтный инструментальный усилитель.

 

 

Рис. 8. Высоковольтный инструментальный усилитель

Сумма напряжений VСМ±VSIG должна находиться в пределах от (V-) +2,5 В до (V+) -2,5 В. Максимальное напряжение питания по такой схеме не может быть больше чем ±50 В.

Для того чтобы измерять ток при помощи резистивного шунта, расположенного на основной шине питания, можно воспользоваться схемой на рисунке 9 (за основу взята предыдущая схема).

 

 

Рис. 9. Усилитель сигнала токового шунта по основной шине питания

VSUPPLY (напряжение на источнике питания) по такой схеме может быть любой полярности. Для примера, если V+ = +50 В и V- = -50 В, то максимальное значение V1 может быть +47,5 В, а минимальное значение V2 составляет -47,5 В.

На рисунках 10 и 11 показаны варианты включения нескольких OPA454 для увеличения максимального выходного напряжения.

 

 

Рис. 10. Неинвертирующая (а) и инвертирующая (б) схемы удвоения максимального выходного напряжения с использованием трех OPA454

 

 

 

Рис. 11. Мостовой усилитель с максимальным выходным напряжением ±195 В

На сегодняшний день все существующие ОУ с рабочим напряжением около 100 В уступают по техническим характеристикам OPA454 или многократно проигрывают по стоимости. Функциональные особенности легко позволяют ОУ OPA454 быть комплементарно совместимым с широким диапазоном операционных усилителей, источников опорного напряжения, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей, микроконтроллеров и стандартной логики.

Компания Texas Instruments, следуя своим правилам, предлагает разработчикам электронной техники ознакомиться с работой OPA454, предоставив возможность воспользоваться услугой заказа бесплатных образцов.

Подробное техническое описание OPA454: http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/opa454.pdf .

 

 

Получение технической информации, заказ образцов, поставка —
e-mail: [email protected]  

Новые источники опорного напряжения

Компания Texas Instruments представила два новых семейства источников опорного напряжения REF50xx и REF33xx, которые предназначены для высокоточных промышленных приложений, а также для малопотребляющих портативных устройств. REF50xx имеет максимальный показатель нестабильность 3 ppm/°C, точность 0,05% и уровень шума 3 мкВpp/В. Сочетание этих параметров является оптимальным для работы с большинством промышленных АЦП высокого разрешения. REF33xx имеет низкий максимальный уровень тока покоя до 5 мкА, выходной ток до 5 мА и способен работать от напряжения питания 1,8 В, что делает его идеальным для работы в портативных приложениях.

Наши информационные каналы

Рубрики: статья

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon).



С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также …читать далее

www.compel.ru

Высоковольтные операционные усилители справочник — полная и подробная информация

Большинство аудиолюбителей достаточно категорично и не готово к компромиссам при выборе аппаратуры, справедливо полагая, что воспринимаемый звук обязан быть чистым, сильным и впечатляющим. Как этого добиться?

Поиск данных по Вашему запросу:

Высоковольтные операционные усилители справочник

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.
По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Пожалуй, основную роль в решении этого вопроса сыграет выбор усилителя.
Функция
Усилитель отвечает за качество и мощь воспроизведения звука. При этом при покупке стоит обратить внимание на следующие обозначения, знаменующие внедрение высоких технологий в производство аудио — аппаратуры:

     

  • Hi-fi. Обеспечивает максимальную чистоту и точность звука, освобождая его от посторонних шумов и искажений.
  • Hi-end. Выбор перфекциониста, готового немало заплатить за удовольствие различать мельчайшие нюансы любимых музыкальных композиций. Нередко к этой категории относят аппаратуру ручной сборки.

 

Технические характеристики, на которые следует обратить внимание:

  • Входная и выходная мощность. Решающее значение имеет номинальный показатель выходной мощности, т.к. краевые значения часто недостоверны.
  • Частотный диапазон. Варьируется от 20 до 20000 Гц.
  • Коэффициент нелинейных искажений. Здесь все просто — чем меньше, тем лучше. Идеальное значение, согласно мнению экспертов — 0,1%.
  • Соотношение сигнала и шума. Современная техника предполагает значение этого показателя свыше 100 дБ, что сводит к минимуму посторонние шумы при прослушивании.
  • Демпинг-фактор. Отражает выходное сопротивление усилителя в его соотношении с номинальным сопротивлением нагрузки. Иными словами, достаточный показатель демпинг-фактора (более 100) уменьшает возникновение ненужных вибраций аппаратуры и т.п.

Следует помнить: изготовление качественных усилителей — трудоемкий и высокотехнологичный процесс, соответственно, слишком низкая цена при достойных характеристиках должна Вас насторожить.

 
Классификация

Чтобы разобраться во всем многообразии предложений рынка, необходимо различать продукт по различным критериям. Усилители можно классифицировать:

  • По мощности. Предварительный — своеобразное промежуточное звено между источником звука и конечным усилителем мощности. Усилитель мощности, в свою очередь, отвечает за силу и громкость сигнала на выходе. Вместе они образуют полный усилитель.

Важно: первичное преобразование и обработка сигнала происходит именно в предварительных усилителях.

  • По элементной базе различают ламповые, транзисторные и интегральные УМ. Последние возникли с целью объединить достоинства и минимизировать недостатки первых двух, например, качество звука ламповых усилителей и компактность транзисторных.
  • По режиму работы усилители подразделяются на классы. Основные классы — А, В, АВ. Если усилители класса А используют много энергии, но выдают высококачественный звук, класса B с точностью до наоборот, класс AB представляется оптимальным выбором, представляя собой компромиссное соотношение качества сигнала и достаточно высокого КПД. Также различают классы C, D, H и G, возникшие с применением цифровых технологий. Также различают однотактные и двухтактные режимы работы выходного каскада.
  • По количеству каналов усилители могут быть одно-, двух- и многоканальными. Последние активно применяются в домашних кинотеатрах для формирования объемности и реалистичности звука. Чаще всего встречаются двухканальные соответственно для правой и левой аудиосистем.

Внимание: изучение технических составляющих покупки, конечно, необходимо, но зачастую решающим фактором является элементарное прослушивание аппаратуры по принципу звучит-не звучит.

 
Применение

Выбор усилителя в большей степени обоснован целями, для которых он приобретается. Перечислим основные сферы использования усилителей звуковой частоты:

  1. В составе домашнего аудиокомплекса. Очевидно, что лучшим выбором является ламповый двухканальный однотакт в классе А, также оптимальный выбор может составить трехканальный класса АВ, где один канал определен для сабвуфера, с функцией Hi — fi.
  2. Для акустической системы в автомобиле. Наиболее популярны четырехканальные усилители АВ или D класса, в соответствии с финансовыми возможностями покупателя. В автомобилях также востребована функция кроссовер для плавной регулировки частот, позволяющей по мере необходимости срезать частоты в высоком или низком диапазоне.
  3. В концертной аппаратуре. К качеству и возможностям профессиональной аппаратуры обоснованно предъявляются более высокие требования в силу большого пространства распространения звуковых сигналов, а также высокой потребности в интенсивности и длительности использования. Таким образом, рекомендуется приобретение усилителя классом не ниже D, способного работать почти на пределе своей мощности (70-80% от заявленной), желательно в корпусе из высокотехнологичных материалов, защищающем от негативных погодных условий и механических воздействий.
  4. В студийной аппаратуре. Все вышеизложенное справедливо и для студийной аппаратуры. Можно добавить о наибольшем диапазоне воспроизведения частот — от 10 Гц до 100 кГц в сравнении с таковым от 20 Гц до 20 кГц в бытовом усилителе. Примечательна также возможность раздельной регулировки громкости на различных каналах.

Таким образом, чтобы долгое время наслаждаться чистым и качественным звуком, целесообразно заранее изучить все многообразие предложений и подобрать вариант аудио аппаратуры, максимально отвечающий Вашим запросам.

 

all-audio.pro

Усилители

Автор: admin


10
Янв

F2480 объединяет в компактном корпусе аттенюатор с переменным коэффициентом ослабления (VVA) и уникальный фирменный радиочастотный усилитель серии Zero-Distortion™, обеспечивая низкие вносимые потери и высокую линейность для очень точной и плавной регулировки радиочастотного аттенюатора.

Блок VVA отличается чрезвычайно высокой линейностью характеристик ослабления и превосходную точку пересечения третьего порядка IP3 в полном диапазоне ослабления. Выходная точка пересечения третьего порядка усилителя OIP3 составляет +41.5 дБм на частоте 900 МГц при токе потребления 106 мА. Устройство содержит внутреннюю схему согласования и не нуждается во внешних согласующих элементах.

Читать далее »

  • Комментарии отключены
  • Рубрика: IDT

Автор: admin


10
Янв

ACNT-H87B/H87A/H870 представляют собой серию оптически изолированных усилителей, специально предназначенных для схем датчиков напряжения. Их диапазон входного напряжения 2 В и высокое входное сопротивление 1 ГОм полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым к изолированным датчикам напряжения в электронном оборудовании преобразователей мощности – схемах управления двигателями и системах с возобновляемыми источниками энергии.

В традиционных схемах датчиков напряжения используется резистивный делитель для получения необходимого уровня напряжения на датчике. Дифференциальное выходное напряжение, пропорциональное входному сигналу, формируется на противоположной стороне оптического изолирующего барьера.

Читать далее »

  • Комментарии отключены
  • Рубрика: Avago, Broadcom

Автор: admin


21
Сен

Новый операционный усилитель предназначен для приложений с аккумуляторным питанием, для которых характерны низкая частота аналоговых сигналов, например, измерение температуры и аудиопараметров

MAX40006 обладает максимальным отношением ширины полосы усиления к потребляемой мощности и идеально подходит для систем с питанием от аккумулятора, таких как: мобильные телефоны, планшетные компьютеры, ноутбуки и портативное медицинское оборудование. Устройство выполнено по КМОП-технологии, потому характеризуется сверхмалым входным током смещения – 1 пА, входным и выходным напряжением, равным напряжению питания, низким током потребления — 4.5 мкА и диапазоном напряжения питания от 1.7 В до 5.5 В.

Читать далее »

Автор: admin


28
Мар

Усилитель тока ADPD2210 позволяет использовать фотодиоды меньших размеров, так как способен увеличить выходной ток датчика в 24 раза при минимальном уровне собственных шумов. По своей чувствительности подобная схема сравнима с системами, построенными на больших фотодиодах, но при этом обладает компактными размерами. Минимальная линейность, составляющая 60 дБ, обеспечивает точную фиксацию кратковременных изменений сигнала при наличии большого постоянного или низкочастотного смещения.

ADPD2210 оптимизирован для приложений, работающих в импульсном режиме и для которых важными характеристиками являются низкое энергопотребление и высокий коэффициент подавления уровня окружающего освещения, таких как измерители сердечного ритма, носимые на запястье (HRM), и импульсный измеритель уровня насыщения крови кислородом, надеваемый на палец (SpO2).

Читать далее »

  • Комментарии отключены
  • Рубрика: Analog Devices

Автор: admin


23
Дек

Компания Analog Devices представляет новую серию малошумящих усилителей, предназначенных для широкого круга приложений, таких как системы радиоэлектронной борьбы (РЭБ), инструментальные средства и телекоммуникационные системы с несколькими рабочими полосами частот.

HMC8401, HMC8402 и HMC8410 — это монолитные сверхвысокочастотные интегральные схемы (MMIC) малошумящих усилителей (LNA), выполненные на основе арсенида галлия (GaAs) с применением псевдоморфных транзисторов с высокой подвижностью электронов (pHEMT). Рабочий диапазон частот устройств составляет от 0 до 28 ГГц (HMC8401), от 2 ГГц до 30 ГГц (HMC8402) и от 10 МГц до 10 ГГц (HMC8410).

Читать далее »

  • Комментарии отключены
  • Рубрика: Analog Devices

Автор: admin


19
Ноя

ADA4522-1, ADA4522-2 и ADA4522-4 — это одно-, двух- и четырех-канальные операционные усилители с нулевым дрейфом напряжения смещения, минимальным уровнем шумов и мощности потребления, входами, чувствительными к сигналам вплоть до 0 В, и выходным напряжением, равным всему диапазону напряжений питания (Rail-to-Rail), отличающиеся превосходной стабильностью по времени, температуре окружающей среды и рабочему напряжению.

Широкий диапазон рабочих напряжений и температур, высокий коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи и чрезвычайно низкий уровень искажений статических и динамических характеристик позволяют использовать устройства в схемах усиления слабых сигналов и точного воспроизведения сигналов большой мощности.

Читать далее »

  • Комментарии отключены
  • Рубрика: Analog Devices

Автор: admin


19
Окт

Компания Texas Instruments представляет надежный, высокопроизводительный операционный усилитель для высоковольтных промышленных приложений.

Новые операционные усилители серии OPAx197 (OPA197, OPA2197 и OPA4197), с рабочим напряжением 36 В, обладают выдающимися динамическими и статическими характеристиками: диапазоном входного и выходного напряжения, равному диапазону напряжения питания (Rail-to-Rail Input/Output), низким напряжением смещения ±25 мкВ, малым дрейфом напряжения смещения ±0.25 мкВ/°C и широкой полосой усиления 10 МГц.

Читать далее »

Автор: admin


17
Июл

Двухканальный операционный усилитель OPA1622 семейства SoundPlus™ с биполярным входным каскадом предназначен для аудио приложений с высокой точностью воспроизведения (Hi-Fi).

Устройство характеризуется очень низким уровнем шумов — 2.8 нВ/√Гц и гармонических искажений — –119.2 дБ на частоте 1 кГц при работе на нагрузку сопротивлением 32 Ом и выходной мощности 100 мВт. Кроме того, OPA1622 значительно ослабляет пульсаций напряжения источника питания и синфазные помехи, что идеально подходит для переносных аудиоприложений. Выходной ток усилителя, вытекающий и втекающий, достигает значений +145 мА и –130 мА, соответственно.

Читать далее »

Автор: admin


17
Июл

Усилитель мощности HMC1099 на основе нитрида (GaN) галлия обеспечивает полезную мощность на нагрузке свыше 10 Вт в диапазоне частот от 0.01 ГГц до 1.1 ГГц при КПД добавленной мощности (PAE) до 69% и неравномерности АЧХ не более ±0.5 дБ.

Устройство идеально подходит для приложений с импульсным и непрерывным режимом работы, таких как беспроводные инфраструктуры, радары, общественные мобильные радиостанции и усилители общего назначения. HMC1099 выпускается в компактном корпусе LFCSP. Режим его работы задается недорогими внешними компонентами, монтируемыми на поверхность печатной платы. Наименования многофункциональных выводов прибора могут соответствовать только выполняемым им функциям.

Читать далее »

  • Комментарии отключены
  • Рубрика: Analog Devices

Автор: admin


20
Июн

Серия операционных усилителей OPAx625 отлично подходит для схем драйверов 16- и 18-разрядных АЦП последовательного приближения благодаря высокой точности, малым гармоническим искажениям и уровню собственных шумов, позволяя строить системы с масштабированием мощности.

OPA625 и OPA2625 характеризуются малым временем установления – 280 нс, что соответствует эффективной разрядности 16 бит. Такие параметры, как малое напряжение смещения 100 мкВ, большая ширина полосы усиления 120 МГц и низкий уровень шума 2.5 нВ/√Гц, являются оптимальными для применения приборов совместно с быстродействующими АЦП последовательного приближения высокой разрядности, например, ADS9110 или серии ADS88xx.

Читать далее »

www.ebvnews.ru

Высоковольтный стабилизатор на ОУ | HomeElectronics

Всем доброго времени суток. В прошлой статье я рассматривал схемы стабилизаторов напряжения на операционных усилителях. Данные схемы обладают хорошими стабилизационными показателями и простотой исполнения, но существует небольшое ограничение их применения, которое заключается в том, что выходное напряжение таких источников питания ограничивается напряжением питания ОУ. В большинстве случаев ОУ имеют питание +/- 15 В или даже +/- 22 В. При использовании таких ОУ в стабилизаторах напряжения, даже с учётом однополярного питания, стабилизируемое напряжение не будет превышать 30…40 В, что в большинстве случаев вполне достаточно. Однако существуют такие устройства, где необходимо стабилизированное выходное напряжение превышающее напряжение питания ОУ. Такие схемы получили название стабилизаторов с «плавающим» ОУ.

Плавающее питание ОУ

Особенностью работы схемы данного типа является то, что питание ОУ не «заземляется» в целом, а находится между напряжением общего провода и напряжением источника питания, то есть как бы «плавает» между ними. Для пояснения работы схем данного типа изобразим принципиальную схему стабилизатора с «плавающим» питание ОУ


Принципиальная схема стабилизатора напряжения с «плавающим» питанием ОУ.

Данная схема является стандартной и описана во многих источниках и учебных пособиях. Операционный усилитель DA1 включен по схеме стабилизатора с умножением опорного напряжения. Опорное напряжение задаётся параметрическим стабилизатором VD1R1, коэффициент умножения – резисторами R4R5 включенными в цепь обратной связи ОУ. Транзистор VT1 включенный на выходе ОУ используется в качестве проходного и служит для увеличения выходной мощности стабилизатора. Данные элементы стандартны во всех стабилизаторах на остове ОУ.

Питание же ОУ осуществляется специальными элементами схемы. Параметрический стабилизатор VD3R3 ограничивает максимальное напряжение питания ОУ. Так как выходное напряжение стабилизатора UВЫХ должно быть меньше напряжения питания положительной полярности UПИТ+, то для его поднятия служит параметрический стабилизатор VD2R2.

Работает данная схема следующим образом. Допустим нам необходимо получить на выходе стабилизатора напряжение UВЫХ = 50 В UВЫХ, в тоже время на входе схемы имеется нестабилизированное напряжение порядка UВХ = 70 В. Напряжение питания ОУ DA1 составляет +/- 15 В, то есть сумма питающих напряжений составит  UПИТ = 30 В, данное напряжение должен обеспечить параметрический стабилизатор VD3R3. В качестве опорного напряжения примем величину равную UОП =10 В, которое обеспечивает стабилизатор VD1R1, а соответствующий коэффициент умножения К = 10 должна обеспечить цепь ООС R4R5, согласно следующему соотношению

Для обеспечения условия превышения напряжения питания над выходным напряжением стабилизатора применяется стабилизатор VD2R2, напряжение стабилизации которого обычно принимают равным 10 В.

Таким образом, независимо от величины входного напряжения разность потенциалов между инвертирующим входом и выходом ОУ ограничена стабилитроном VD1, а напряжение на неинвертирующем входе ненамного отличается от напряжения на инвертирующем входе.

Недостатками данной схемы является то, что при увеличении напряжения на выходе схемы при постоянных остальных параметрах уменьшается коэффициент стабилизации данной схемы. Ещё одним существенным недостатком схемы является то, что на резисторах R1 и R5 присутствует довольно большой потенциал.

Улучшение схемы стабилизатора с «плавающим» питание ОУ

Значительно улучшить характеристики схемы стабилизатора с «плавающим» питанием ОУ можно применив питание ОУ от отдельного источника, а также применив защиту входов ОУ, схема такого стабилизатора показана ниже


Улучшенная схема стабилизатора напряжения на ОУ с «плавающим» питанием.

Данная схема состоит из ОУ DA1, в цепь ООС которого  включена интегрирующая цепочка C1R4, источника опорного напряжения R1VD1, делитель R2R3 для установления коэффициента усиления интегратора и регулирующий элемент на транзисторе VT1 с токоограничительным резистором R5.

Работа данной схемы основана на тех же принципах, что и предыдущая, то есть общий провод (┴) ОУ подсоединен не к общему выводу стабилизатора (UВЫХ-), а к положительному выводу (UВЫХ+). В этом случае создаются условия для перехода транзистора в режим регулирования напряжения и тока.

Основными отличиями данной схемы является то, что для питания ОУ необходим двухполярный источник напряжения общий провод которого подсоединён к положительному выводу стабилизатора напряжения. Кроме этого источник опорного напряжения представляет собой параметрический стабилизатор R1VD1, который питается от положительного вывода двухполярного источника.

Коэффициент усиления данной схемы а следовательно и величина выходного напряжения зависит от опорного напряжения и некоторого коэффициента который задаётся делителем напряжения R2R3. Выходное напряжение определяется из следующего выражения

В отличие от предыдущей схемы в данном стабилизаторе применён интегратор, который служит для устранения самовозбуждения ОУ при резких изменениях нагрузки, в результате которых на входе ОУ возникают скачки напряжения. Величину сопротивления R4 выбирают порядка нескольких килом, а емкость конденсатора C1 – десятков нанофарад.

Защита входов ОУ от перегрузки

В результате работы схемы стабилизатора напряжения на ОУ с «плавающим» питанием на входах ОУ могут возникать всплески напряжения и переходные процессы с высокой амплитудой напряжения, которые могут привести к выходу их строя ОУ. Поэтому необходимо обеспечить защиту входов ОУ. Существует несколько схем, обеспечивающих защиту от высоких дифференциальных и синфазных напряжений на входах ОУ, в основе которых лежат ограничители напряжения на диодах. Данные схемы показаны ниже



Схемы защиты операционного усилителя от превышения входных напряжений.

Изображённые выше схемы защиты входов ОУ действуют по принципу ограничителей напряжения, то есть до тех пор пока входные напряжения ОУ не превышают нескольких сотен милливольт диоды не проводят ток и практически не оказывают никакого влияния на входные сигналы. Как только входное напряжение превысит величину прямого падения напряжения на диодах, то они откроются и перейдут в проводящее состояние, что приведёт к ограничению напряжения на входах ОУ.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Скажи спасибо автору нажми на кнопку социальной сети

www.electronicsblog.ru

Лабораторная работа №5 Исследование функциональных устройств на базе операционных усилителей

  1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ
    ЧАСТЬ

1.1Операционный усилитель (ОУ)– это многокаскадный усилитель
постоянного тока с большим коэффициентом
усиления. Для идеального операционного
усилителяKU,Rвх,Rвых0,f. ОУ имеет два или
три каскада. Первым каскадом является
дифференциальный усилитель, вторым –
усилитель напряжения и последним –
усилитель мощности. Питание ОУ производится
от двух разнополярных источников
питания. ОУ имеет два входа (прямой и
инверсный) и один выход, а также ряд
дополнительных выводов для балансировки
и для коррекции АЧХ. Условное графическое
изображение ОУ приведено на рис. 1.
Выходное напряжение связано с входным
напряжениемUвх1иUвх2соотношением:
где КU0
коэффициент усиления ОУ по напряжению.

Операционные
усилители в настоящее время выполняются
в виде интегральных схем.

1.2 Операционный усилитель характеризуют следующие параметры:

обычно
;

  • напряжение
    смещения
    Uсм. Численно
    напряжение смещения определяется как
    напряжение, которое необходимо приложить
    ко входу усилителя для того, чтобы его
    выходное напряжение было равно “0”.
    ОбычноUсм бывает от
    единиц микровольт до десятков милливольт;

Кроме
перечисленных выше параметров ОУ
характеризуются целым рядом предельно
допустимых основных эксплуатационных
параметров.

1.3
Применение и классификация ОУ.
Операционный
усилитель, по существу, является идеальным
усилительным элементом и составляет
основу всей аналоговой электроники.
Это стало возможным в результате
достижений современной микроэлектроники,
позволившей реализовать достаточно
сложную структуру ОУ в интегральном
исполнении на одном кристалле и наладить
массовый выпуск подобных устройств.
Поэтому ОУ можно рассматривать в качестве
простейшего элемента электронных схем
подобно диоду, транзистору и т.п.

В
качестве источника питания ОУ используют
двухполярный источник напряжения (+Un,
-Un). Средний вывод этого
источника, как правило, является общей
шиной для входных и выходных сигналов
и в большинстве случаев не подключается
к ОУ. В реальных ОУ напряжение питания
лежит в диапазоне ±3 В…±18 В. Использование
источника питания со средней точкой
предполагает возможность изменения не
только уровня, но и полярности как
входного, так и выходного напряжений
ОУ.

Все
операционные усилители имеют либо
внутреннюю коррекцию АЧХ, либо внешнюю.
В последнем случае к выводам ОУ
подключаются пассивные внешние элементы,
в качестве которых используются резисторы
и емкости. Некоторые ОУ имеют защиту от
короткого замыкания.

В
соответствии с ГОСТ 4.465-86 все ОУ делятся
на следующие группы по совокупности их
параметров и назначению:

Универсальные
(или ОУ общего применения)

используются для построения узлов
аппаратуры, имеющих суммарную приведенную
погрешность на уровне 1%. Характеризуются
относительно малой стоимостью и средним
уровнем параметров (напряжение смещения
Uсм – единицы милливольт, температурный
дрейфUсм/T
– десятки микровольт/0С, коэффициент
усиления Kv0– десятки тысяч,
скорость нарастания Vuвых – от
десятых долей до единиц вольт за
микросекунду).

Прецизионные
(высокоточные)
операционные усилители
используются для усиления малых сигналов
и характеризуются малыми значениями
напряжения смещения и его температурным
дрейфом, большими коэффициентами
усиления и высоким коэффициентом
подавления синфазного сигнала, большим
входным сопротивлением и низким уровнем
шумов. Их основные параметры: напряжения
смещения Uсм250 мкв; температурный дрейфUсм/T5 мкв/0C; коэффициент усиления
Кv0 ≥ 200 тыс. Прецизионные ОУ
строятся обычно на принципе модуляции
– демодуляции. Например, ОУ К140УД21,
К140У24 и др.

Мощные
и высоковольтные ОУ
– усилители с
выходными каскадами, построенными на
мощных высоковольтных элементах.
Выходной токIвых ≥ 100 мА,
выходное напряжение Uвых ≥ 15 В. К таким
ОУ относятся К157УД1, К1408УД1, К1422УД1 и др.

Быстродействующие
ОУ
используются для преобразования
высокочастотных сигналов. Они
характеризуются высокой скоростью
нарастания выходного сигнала, малым
временем установления, высокой частотой
единичного усиленияfед.
Для таких ОУ обычно:V≥
50 В/мкс,tуст ≤ 1мкс,fед ≥ 1 МГц.

Быстродействующие
усилители склонны к самовозбуждению,
поэтому для предотвращения генерации
в схеме необходимо уменьшить паразитную
емкость между выходом ОУ и его входами.
Для уменьшения указанной паразитной
емкости применяют специальные внешние
цепи коррекции, состав которых зависит
от задачи, которую решают ОУ. К
быстродействующим ОУ относятся ИС:
К140УД10, К140УД11, К544УД2, К574УД2.

Микромощные
ОУ
отличаются минимальными
потребляемыми мощностями. Потребляемый
ток иногда можно регулировать с помощью
внешнего резистора, поэтому такие ОУ
иногда называются программируемыми.
Микромощные ОУ широко используются в
автономной аппаратуре, где важнейшим
параметром является минимальная
потребляемая мощность. К таким ОУ
относятся ИС: К140УД12, К153УД4, К1401УД3.

Многоканальные
ОУ
представляют собой несколько
ОУ (обычно 2 или 4), размещенных в одном
корпусе. Применяются для снижения
массогабаритных показателей. Например,
К140УД20, К1401УД1, К1407УД2.

Особую
группу операционных усилителей составляют
ОУ с большим входным сопротивлением.
Их входное сопротивление превышает
десятки мегаОм, а входной ток Jвх не
превышает 100 нА. У таких ОУ в первом
каскаде используются полевые транзисторы,
например, ОУ К140УД8, К544УД2 и др. Для
получения малого значения входного
тока могут использоваться так называемые
супер-бета транзисторы, у которых
коэффициент усиления по току превышает
5000.

Операционные
усилители в настоящее время являются
основными элементами для построения
аналоговых и импульсных схем. Ниже
приведены основные функциональные
схемы, выполненные на базе ОУ.

1.4
Преобразователи аналоговых сигналов
на ОУ.
Обычно функции, выполняемые
ОУ, определяются элементами обратной
связи, в качестве которых используются
резисторы, емкости, индуктивности,
полупроводниковые приборы и т.д. На
основе ОУ могут быть построены масштабные
усилители, повторители, сумматоры,
интеграторы, стабилизаторы тока и
напряжения, активные фильтры, усилители
переменного тока, генераторы импульсных
сигналов, функциональные преобразователи,
схемы сравнения и т.д.

1.4.1
Повторитель напряжения
(рис. 2)
представляет собой усилитель, охваченный
100% ООС по выходному напряжениюBос=1.
Для повторителя Uвых=Uвх.

;

;

,

где
KU0 – коэффициент усиления без
ООС; Rвх0– входное сопротивление
ОУ без ООС.

1.4.2
Масштабный неинвертирующий усилитель
(рис. 3).

studfiles.net

Высоковольтный операционный усилитель — схема, обзор, статья, цена

Большинство аудиолюбителей достаточно категорично и не готово к компромиссам при выборе аппаратуры, справедливо полагая, что воспринимаемый звук обязан быть чистым, сильным и впечатляющим. Как этого добиться?

Поиск данных по Вашему запросу:

Высоковольтный операционный усилитель

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.
По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Пожалуй, основную роль в решении этого вопроса сыграет выбор усилителя.
Функция
Усилитель отвечает за качество и мощь воспроизведения звука. При этом при покупке стоит обратить внимание на следующие обозначения, знаменующие внедрение высоких технологий в производство аудио — аппаратуры:

     

  • Hi-fi. Обеспечивает максимальную чистоту и точность звука, освобождая его от посторонних шумов и искажений.
  • Hi-end. Выбор перфекциониста, готового немало заплатить за удовольствие различать мельчайшие нюансы любимых музыкальных композиций. Нередко к этой категории относят аппаратуру ручной сборки.

 

Технические характеристики, на которые следует обратить внимание:

  • Входная и выходная мощность. Решающее значение имеет номинальный показатель выходной мощности, т.к. краевые значения часто недостоверны.
  • Частотный диапазон. Варьируется от 20 до 20000 Гц.
  • Коэффициент нелинейных искажений. Здесь все просто — чем меньше, тем лучше. Идеальное значение, согласно мнению экспертов — 0,1%.
  • Соотношение сигнала и шума. Современная техника предполагает значение этого показателя свыше 100 дБ, что сводит к минимуму посторонние шумы при прослушивании.
  • Демпинг-фактор. Отражает выходное сопротивление усилителя в его соотношении с номинальным сопротивлением нагрузки. Иными словами, достаточный показатель демпинг-фактора (более 100) уменьшает возникновение ненужных вибраций аппаратуры и т.п.

Следует помнить: изготовление качественных усилителей — трудоемкий и высокотехнологичный процесс, соответственно, слишком низкая цена при достойных характеристиках должна Вас насторожить.

 
Классификация

Чтобы разобраться во всем многообразии предложений рынка, необходимо различать продукт по различным критериям. Усилители можно классифицировать:

  • По мощности. Предварительный — своеобразное промежуточное звено между источником звука и конечным усилителем мощности. Усилитель мощности, в свою очередь, отвечает за силу и громкость сигнала на выходе. Вместе они образуют полный усилитель.

Важно: первичное преобразование и обработка сигнала происходит именно в предварительных усилителях.

  • По элементной базе различают ламповые, транзисторные и интегральные УМ. Последние возникли с целью объединить достоинства и минимизировать недостатки первых двух, например, качество звука ламповых усилителей и компактность транзисторных.
  • По режиму работы усилители подразделяются на классы. Основные классы — А, В, АВ. Если усилители класса А используют много энергии, но выдают высококачественный звук, класса B с точностью до наоборот, класс AB представляется оптимальным выбором, представляя собой компромиссное соотношение качества сигнала и достаточно высокого КПД. Также различают классы C, D, H и G, возникшие с применением цифровых технологий. Также различают однотактные и двухтактные режимы работы выходного каскада.
  • По количеству каналов усилители могут быть одно-, двух- и многоканальными. Последние активно применяются в домашних кинотеатрах для формирования объемности и реалистичности звука. Чаще всего встречаются двухканальные соответственно для правой и левой аудиосистем.

Внимание: изучение технических составляющих покупки, конечно, необходимо, но зачастую решающим фактором является элементарное прослушивание аппаратуры по принципу звучит-не звучит.

 
Применение

Выбор усилителя в большей степени обоснован целями, для которых он приобретается. Перечислим основные сферы использования усилителей звуковой частоты:

  1. В составе домашнего аудиокомплекса. Очевидно, что лучшим выбором является ламповый двухканальный однотакт в классе А, также оптимальный выбор может составить трехканальный класса АВ, где один канал определен для сабвуфера, с функцией Hi — fi.
  2. Для акустической системы в автомобиле. Наиболее популярны четырехканальные усилители АВ или D класса, в соответствии с финансовыми возможностями покупателя. В автомобилях также востребована функция кроссовер для плавной регулировки частот, позволяющей по мере необходимости срезать частоты в высоком или низком диапазоне.
  3. В концертной аппаратуре. К качеству и возможностям профессиональной аппаратуры обоснованно предъявляются более высокие требования в силу большого пространства распространения звуковых сигналов, а также высокой потребности в интенсивности и длительности использования. Таким образом, рекомендуется приобретение усилителя классом не ниже D, способного работать почти на пределе своей мощности (70-80% от заявленной), желательно в корпусе из высокотехнологичных материалов, защищающем от негативных погодных условий и механических воздействий.
  4. В студийной аппаратуре. Все вышеизложенное справедливо и для студийной аппаратуры. Можно добавить о наибольшем диапазоне воспроизведения частот — от 10 Гц до 100 кГц в сравнении с таковым от 20 Гц до 20 кГц в бытовом усилителе. Примечательна также возможность раздельной регулировки громкости на различных каналах.

Таким образом, чтобы долгое время наслаждаться чистым и качественным звуком, целесообразно заранее изучить все многообразие предложений и подобрать вариант аудио аппаратуры, максимально отвечающий Вашим запросам.

 

all-audio.pro

Новые операционные усилители ST с нулевым дрейфом

Чопперные операционные усилители с близким к нулевому дрейфом идеальны для усиления маломощных низкочастотных сигналов в прецизионных приложениях, таких как датчики и измерительные устройства промышленной и автомобильной автоматики, портативные и высокоточные медицинские и лабораторные приборы, инструментальные усилители, системы сбора данных, системы контроля электродвигателей. Компания STMicroelectronics пополнила линейку этих изделий двумя новинками – широкополосным TSZ182 и TSU111 со сверхмалым энергопотреблением.

Характеристики операционных усилителей (ОУ) все больше приближаются к идеальным, однако создание ОУ, у которого все параметры находятся на одинаково высоком уровне, либо невозможно технически, либо очень дорого. Поэтому современные операционные усилители делятся на приборы общего назначения и специализированные, предназначенные для решения определенного круга задач. Специализированные ОУ имеют высокие значения одного или несколько параметров при сохранении остальных на среднем или низком уровне.

К специализированным ОУ относятся усилители с нулевым дрейфом, отличающиеся пониженным напряжением смещения, малым уровнем фликкер-шума (розового шума, шума 1/f), а также чрезвычайно малым дрейфом напряжения смещения в широком температурном диапазоне. Обычно эти ОУ используются для построения усилителей с высоким коэффициентом усиления (> 100), предназначенных для работы со слабыми сигналами с частотой не более 100 Гц. Благодаря крайне малой погрешности и высокой точности на протяжении всего срока эксплуатации их с успехом применяют в прецизионном метрологическом и медицинском оборудовании, рассчитанном на срок эксплуатации не менее 10 лет.

Особенности усиления маломощных низкочастотных сигналов

При усилении сигналов, содержащих постоянную составляющую, собственное напряжение смещения ОУ (Offset voltage – дифференциальное напряжение на входе, при котором выходное напряжение равно нулю) суммируется с полезным сигналом, приводя к появлению ошибки. На сегодняшний день типовое значение этого параметра для ОУ общего назначения составляет 5 мВ, для прецизионных – 0,4 мВ, что явно недостаточно для большинства высокоточных приложений.

Кроме этого, при прохождении сигнала через любой усилитель, в том числе и ОУ, к полезному сигналу из-за специфики внутренних физических процессов в приборе добавляется шум. Для полупроводниковых элементов спектральная плотность вносимого шума убывает с ростом частоты по закону 1/f, поэтому ее максимум находится в области низких частот. Высокий уровень шума ОУ общего назначения приводит к сложностям при усилении именно низкочастотных сигналов малой амплитуды, поскольку в этом диапазоне частот и входных напряжений отношение «сигнал/шум» на выходе ОУ катастрофически падает даже при полном отсутствии шумов на входе.

Но основной проблемой при усилении низкочастотных сигналов является дрейф напряжения смещения (Offset Voltage Drift). Если бы этот параметр зависел только от экземпляра микросхемы, то его можно было бы компенсировать на этапе производства в процессе калибровки прибора. Однако напряжение смещения постоянно меняется и зависит от множества факторов, основные из которых – температура и время работы. Постепенная деградация и колебания температуры кристалла приводят к изменениям параметров полупроводниковых элементов, из которых состоит ОУ. В результате этого происходит разбалансировка схемы и появление на выходе усилителя дополнительного напряжения, знак и величина которого являются случайными величинами. Это напряжение добавляется к выходному сигналу уже скомпенсированного усилителя и приводит к появлению ошибки, которую трудно обнаружить при производстве прибора.

Указанные проблемы ограничивают минимальный уровень низкочастотного сигнала, с которым могут работать операционные усилители общего назначения, и требуют поиска технологий, позволяющих избавиться от указанных выше недостатков.

Принцип работы чопперных операционных усилителей

Одной из технологий компенсации искажений низкочастотных сигналов, является стабилизация прерыванием. Принцип работы ОУ, использующего данную технологию (чопперного ОУ), показан на рисунке 1.

Рис. 1. Принцип работы чопперного ОУ

Напряжение входного сигнала Uвх подается на первый коммутатор (прерыватель, чоппер), коэффициент передачи которого определяется уровнем управляющего сигнала и может принимать значение либо 1, в этом случае выходное напряжение равно входному, либо -1, при котором входной сигнал инвертируется (рисунок 2). Коммутатор управляется тактовым генератором с частотой fком, которая намного превышает максимальную частоту входного сигнала (обычно fком > 100 кГц). Таким образом на выходе первого коммутатора формируется переменное напряжение прямоугольной формы с частотой fком.

Рис. 2. Принцип работы коммутатора

Поскольку первый усилитель, осуществляющий основное усиление сигнала, неидеален и имеет собственное напряжение смещения Uсм, то его выходной сигнал U1 является суммой переменной составляющей усиленного входного сигнала и постоянного напряжения смещения, одинакового для любого состояния коммутатора 1.

К выходу первого усилителя подключен коммутатор 2, работающий синхронно с коммутатором 1, основное назначение которого – устранение высокочастотной составляющей сигнала, внесенной первым коммутатором. Выходной сигнал второго усилителя U2 также является суммой постоянной и переменной составляющих. Только в этом случае постоянная составляющая пропорциональна усиленному входному сигналу, а переменная – усиленному напряжению смещения. Поскольку частота ненужной переменной компоненты много выше частоты полезного сигнала, то ее можно отсечь с помощью фильтра нижних частот, подключаемого к выходу усилителя 2.

Такая технология позволяет улучшить усиление низкочастотных сигналов и компенсировать дрейф напряжения смещения и фликкер-шум, что хорошо видно, если рассмотреть работу усилителя в частотной области (рисунок 3).

Рис. 3. Принцип работы ОУ в частотной области

При прохождении входного сигнала Uвх через первый коммутатор происходит его модуляция – перенос частот на нечетные гармоники частоты коммутации fком, а после прохождения второго – обратный перенос в низкочастотную область. Поскольку шум и напряжение смещения добавляются в уже модулированный сигнал, то после прохождения второго коммутатора вместо демодуляции, которая происходит с полезным сигналом, они, наоборот, подвергаются модуляции. В результате в спектре выходного сигнала второго коммутатора Uком2 дважды модулированные компоненты полезного сигнала оказываются на четных гармониках частоты fком, а однократно модулированные паразитные компоненты шума и смещения – на нечетных. Это позволяет выделить полезный сигнал с помощью фильтра нижних частот и удалить все ненужные составляющие, расположенные на высших гармониках.

Теоретически такая технология позволяет полностью очистить полезный сигнал от фликкер-шума и устранить дрейф напряжения смещения, независимо от их природы, однако на практике из-за неидеальности компонентов и технологии изготовления микросхем это не удается. Тем не менее, характеристики чопперных ОУ позволяют в 1000 раз повысить чувствительность и точность усилителей по сравнению с усилителями, построенными на ОУ общего назначения (таблица 1).

Таблица 1. Сравнение различных типов операционных усилителей

Тип ОУ Общего назначения Прецизионный Чопперный
Напряжение смещения 5 мВ 400 мкВ 5 мкВ
Дрейф напряжения смещения 30 мкВ/°С 1 мкВ/°С 30 нВ/°С
Уровень фликкер-шума Высокий Средний Низкий

Необходимо также отметить, что характеристики чопперных ОУ стабильны на протяжении всего времени работы. В любом ОУ, даже при его эксплуатации в легких условиях, из-за воздействия природной радиации в кристалле микросхемы происходят деструктивные процессы, приводящие к необратимым изменениям характеристик ее элементов. В результате через несколько лет смещение выходного напряжения ОУ общего назначения может значительно отличаться от величины, которая была в момент изготовления микросхемы (рисунок 4), в отличие от чопперных ОУ, в которых эти изменения компенсируются технологией усиления.

Рис. 4. Влияние времени на дрейф напряжения смещения

Особенности использования чопперных ОУ

Но, каким бы высококачественным ни был операционный усилитель, любой разработчик, не имеющий знаний специфики его использования, может свести на нет все старания производителей. Одной из таких особенностей чопперных ОУ является наличие токовых импульсов во входной цепи.

Учитывая специфику усиления слабых сигналов, чопперные усилители обычно изготовляются по КМОП-технологии, обеспечивающей минимально возможный входной ток. Это особенно актуально, если источник сигнала имеет большое внутреннее сопротивление. Но, поскольку на входе чопперного ОУ установлен коммутатор, МОП-транзисторы которого переключаются с частотой fком, то из-за особенностей его работы на входе чопперного ОУ присутствуют токовые импульсы (рисунок 5), которые, несмотря на небольшую амплитуду, могут преподнести неприятный сюрприз разработчику.

Рис. 5. Импульсы тока чопперного ОУ во входной цепи

Первой причиной появления токовых импульсов является рассасывание носителей заряда в каналах МОП-транзисторов коммутатора при закрытии. Когда полевой транзистор находится в проводящем состоянии, носители заряда могут беспрепятственно перемещаться между истоком и стоком. Но при закрытии транзистора, под действием электрического поля, создаваемого затвором, эти носители выталкиваются из канала в цепи истока и стока (рисунок 6), приводя к появлению импульсов тока на входе ОУ. Как для любых переключаемых КМОП-схем, амплитуда импульсов зависит от размера техпроцесса, по которому изготовлена микросхема ОУ, и напряжения питания. Поэтому одним из способов уменьшения амплитуды токовых импульсов является уменьшение напряжения питания (рисунок 7).

Рис. 6. Процессы при закрытии МОП-транзистора коммутатора

Рис. 7. Входной ток чопперного ОУ при различных напряжениях питания

Второй причиной появления импульсов входного тока является наличие несбалансированных паразитных емкостей Сп МОП-транзисторов коммутатора (рисунок 8) через которые переменное напряжение тактового сигнала проникает во входную цепь ОУ (clock feed through). Величина переменной составляющей тактового сигнала зависит от величины напряжения питания усилителя и уровня синфазного напряжения на его входах. При увеличении напряжения питания входной ток увеличивается, в то время как увеличение синфазного напряжения, наоборот, приводит к его уменьшению (рисунок 9).

Рис. 8. Паразитные емкости коммутатора

Рис. 9. Зависимости входного тока чопперного ОУ от напряжения питания и синфазного входного напряжения

Проникновение тактовой частоты и инжекция заряда во входную цепь приводят к тому, что входной ток чопперного ОУ оказывается больше, чем входной ток аналогичного КМОП ОУ общего назначения, и имеет импульсный характер. Несмотря на то, что частота коммутации fком много выше максимальной полосы пропускания и практически не проникает на выход ОУ, она может создать проблемы во входной цепи. Особую осторожность следует соблюдать при использовании чопперного ОУ с высокоомными датчиками, поскольку в этом случае ОУ, являясь генератором тока, потенциально может повредить источник сигнала.

Естественным способом уменьшения амплитуды токовых импульсов является увеличение сопротивления входной цепи усилителя. На рисунке 10 показан результат эмуляции влияния входного сопротивления Rin_Load на амплитуду токовых импульсов.

Рис. 10. Влияние сопротивления входной цепи на амплитуду токовых импульсов

Как показывают результаты моделирования (таблица 2) увеличение сопротивления входной цепи усилителя позволит значительно уменьшить амплитуду токовых импульсов. При этом следует понимать, что токовый импульс коммутатора фактически распределяется между входными и паразитными цепями схемы, протекая по пути наименьшего сопротивления. В любом случае увеличение входного сопротивления позволит уменьшить влияние токовых импульсов на источник сигнала и тем самым повысить точность работы схемы.

Таблица 2. Влияние сопротивления входной цепи на амплитуду токовых импульсов

Rin_Load 0 Ом 1 кОм 10 кОм 100 кОм 1 МОм
Амплитуда токового импульса 4,5 мкА 1,15 мкА 125 нА 13 нА 1,5 нА

Однако далеко не всегда внутреннее сопротивление источника сигнала может быть большим. При работе с низкоомными датчиками эффективным способом уменьшения влияния токовых импульсов является использование помехоподавляющего конденсатора, подключаемого между входами ОУ (рисунок 11).

Рис. 11. Чопперный ОУ с помехоподавляющим конденсатором на входе

Для высокочастотных импульсов тока фильтрующий конденсатор Cg имеет сопротивление меньше, чем внутреннее сопротивление Rg, поэтому токовые импульсы протекают через конденсатор Cg, не оказывая влияния на источник сигнала. На рисунке 12 показано, что с помощью конденсатора емкостью всего 10 пФ можно эффективно подавить импульсы тока на входе чопперного ОУ.

Рис. 12. Влияние конденсатора Сg на амплитуду токовых импульсов

Добавление конденсатора Сg позволяет также уменьшить уровень синфазной помехи на входе ОУ. Очевидно, что чем больше емкость конденсатора, тем лучше фильтрация. Однако необдуманное увеличение емкости конденсатора может привести к нестабильной работе усилителя, поэтому при использовании такого метода подавления импульсов следует обязательно проводить проверку устойчивости схемы.

Еще одной проблемой, которая может возникнуть при использовании чопперных ОУ, является термоэлектрическое напряжение. На любом соединении разнородных металлов, например, в месте пайки вывода микросхемы, под действием температуры возникает небольшая разность потенциалов. Если корпус микросхемы прогрет неравномерно (рисунок 13), то это напряжение подмешивается к входному сигналу, и, учитывая высокий коэффициент усиления ОУ, может создать серьезную проблему при эксплуатации устройства.

Рис. 13. Влияние температуры на напряжение смещения

Новые усилители производства STMicroelectronics

На сегодняшний день усилители с нулевым дрейфом выпускаются большинством мировых производителей электронных компонентов, в числе которых Analog Devices, Texas Instruments, Maxim Integrated и другие. Не является исключением и крупнейший европейский производитель – компания STMicroelectronics. Недавно она расширила линейку операционных усилителей с нулевым дрейфом двумя микросхемами: TSZ182 с широкой полосой пропускания, ориентированной на использование в инструментальном оборудовании, и крошечной TSU111, которая по причине сверхмалого энергопотребления идеально подходит для устройств с батарейным питанием.

Сдвоенный операционный усилитель TSZ182 (рисунок 14) обладает исключительной стабильностью характеристик в широком температурном диапазоне -40…125°C, что позволяет эксплуатировать микросхему в тяжелых условиях и устанавливать ее в промышленное оборудование, предназначенное для работы на открытом воздухе.

Рис. 14. Операционный усилитель TSZ182

Максимальное значение напряжения смещения ОУ TSZ182 составляет всего 25 мкВ и не требует внешних элементов для подстройки, что благоприятно сказывается на размерах конечного приложения, а также упрощает массовое производство за счет исключения процедуры регулировки. Высокая точность ОУ обеспечивается малой величиной дрейфа напряжения смещения, не превышающей 100 нВ/°C во всем температурном диапазоне. Это упрощает эксплуатацию измерительных приборов за счет увеличения длительности межповерочного интервала.

Благодаря высокой точности и малым габаритным размерам, составляющим всего 2х2 мм, ОУ TSZ182 может использоваться как в стандартных приложениях, например, датчиках и измерительных устройствах промышленной автоматики, так и в специфическом оборудовании, например, в медицинских приборах для контроля состояния организма или в глюкометрах. Автомобильная версия микросхемы TSZ182IYST ориентирована на высокоточное преобразование сигналов широкого спектра узлов современного автомобиля – от модулей управления стеклоочистителями и климат-контроля до систем автономного вождения.

Дополнительными преимуществами TSZ182 является широкая полоса пропускания, составляющая 3 МГц, и диапазон входных и выходных напряжений, составляющий 100% напряжения питания (rail-to-rail), которое может находиться в диапазоне 2,2…5,5 В. Кроме этого, микросхема является достаточно экономичной, потребляя всего 1 мА при напряжении питания 5 В, что увеличивает время работы приложений с батарейным питанием.

Одним из примеров применения TSZ182 является контроль тока электродвигателей, необходимый для обеспечения их надежной и безопасной работы (рисунок 15). Как известно, самым простым способом измерения тока является использование резистивных датчиков. Кроме простоты, этот способ отличается высокой точностью и надежностью, однако он имеет один серьезный недостаток – большое выделение мощности на токоизмерительном резисторе.

Рис. 15. ОУ TSZ182 в схеме управления бесколлекторным двигателем

Для уменьшения потерь сопротивление датчика тока необходимо уменьшать, однако это, согласно закону Ома, приводит к уменьшению уровня сигнала. При использовании ОУ общего назначения, имеющих напряжение смещения 2 мВ, для обеспечения точности измерений на уровне 1% требуется токоизмерительный резистор сопротивлением 40 мОм. При токе одной обмотки 5 А мощность, рассеиваемая на этом резисторе, составит 1 Вт. Если вместо ОУ общего назначения использовать прецизионный TSZ182 с напряжением смещения 25 мкВ, то сопротивление датчика тока можно уменьшить до 0,5 мОм, что позволить довести потери до уровня 12,5 мВт на каждую обмотку электродвигателя (таблица 3).

Таблица 3. Сравнение различных типов ОУ для измерения тока электродвигателя

Наименование Тип ОУ Напряжение смещения, мВ Сопротивление резистора датчика тока, мОм Мощность потерь, Вт
LM290x Общего назначения 2 40 1
TSV7xx, TSX7xx Прецизионный 0,2 4 0,1
TSZ18x Чопперный 0,025 0,5 0,0125

Еще одним примером эффективного применения быстродействующих чопперных ОУ является использование их в высокоскоростных инструментальных измерителях (рисунок 16). При использовании ОУ для усиления сигналов анизотропных магниторезистивных датчиков (AMR magnetic sensors) или тензодатчиков (strain gauges) обычно используется мост Уитстона с последующей оцифровкой результатов измерения с помощью АЦП. В этом случае величина смещения напрямую влияет на точность и разрешающую способность измерителя.

Рис. 16. ОУ TSZ182 в высокоскоростном инструментальном усилителе

Например, при использовании в инструментальном усилителе 12-разрядных АЦП, входящих в состав микроконтроллеров STM32 с напряжением питания 3,3 В, младшему значащему биту оцифрованного сигнала соответствует напряжение 805 мкВ. Если для усиления сигнала использовать ОУ общего назначения с напряжением смещения 2,5 мВ и коэффициентом усиления 100, то дрейф напряжения на входе АЦП с учетом использования в схеме трех ОУ(рисунок 16) составит 505 мВ. Это приведет к тому, что из 12 разрядов оцифрованного сигнала полезная информация об измеряемой величине будет содержаться только в трех старших разрядах, тогда как остальные 9 будут содержать информацию о величине напряжения смещения ОУ. Использование для усиления сигнала ОУ TSZ182 с напряжением смещения 25 мкВ позволит увеличить разрешающую способность измерителя до 10 разрядов (таблица 4), тем самым значительно повысив точность измерений.

Таблица 4. Сравнение различных типов ОУ в инструментальных усилителях

Наименование Напряжение смещения, мкВ Максимальное смещение на входе АЦП при коэффициенте усиления 100, мВ Количество эффективных разрядов АЦП, бит
TSZ182 25 5,05 ~10
TS507 100 20,2 ~8
TS512A 500 101 ~6
TS512 2500 505 ~3

В отличие от быстродействующих TSZ182, операционные усилители TSU111 (рисунок 17) имеют весьма скромную полосу пропускания, составляющую всего 11,5 кГц. Однако этой полосы вполне достаточно для использования в измерительных датчиках, газовых детекторах, датчиках рН, инфракрасных датчиках движения, медицинском оборудовании, радиометках, приборах экологического контроля, биологических датчиках и прочей носимой электронике.

Рис. 17. Операционный усилитель TSU111

Отличительной особенностью TSU111 являются крошечные размеры 1,2х1,3 мм и сверхмалый ток потребления, не превышающий 900 нА. Как утверждает производитель, если таким током разряжать батарейку CR2032 емкостью 220 мА·ч, то на ее разряд уйдет 25 лет. Поэтому основная сфера использования TSU111 – малогабаритные устройства с батарейным питанием, где вклад ОУ в энергопотребление устройства будет пренебрежимо малым.

Кроме компактных размеров и малого энергопотребления, микросхема TSU111 имеет напряжение смещения 150 мкВ, размах пульсации шума 3,6 мкВ (пик-пик) в полосе частот 0,1…10 Гц, что позволяет использовать ее в высокоточных схемах преобразования сигналов. Сверхмалый входной ток, не превышающий 10 пА, позволяет ощутимо повысить чувствительность газовых детекторов. Благодаря использованию КМОП-технологии выходное напряжение ОУ может достигать величины напряжения питания (rail-to-rail-выход).

Сохранение работоспособности микросхемы в широком диапазоне напряжений питания 1,5…5 В позволяет подключать ОУ к цифровым микросхемам напрямую без использования дополнительных буферных элементов. Кроме того, благодаря минимальному напряжению устройство может дольше сохранять работоспособность в конце разряда батареи, что позволяет использовать микросхему в оборудовании, питающемся от систем сбора энергии, например, от фотогальванических элементов.

Одним из вариантов применения TSU111 является контроль потребляемого тока для оценки уровня заряда батареи. (рисунок 18). Аналогично использованию ОУ в инструментальных усилителях, меньшее напряжение смещения приведет к повышению точности измерений. Однако кроме хорошей разрешающей способности TSU111 имеет еще и сверхнизкий ток потребления, что выгодно отличает ее от аналогичных ОУ даже с меньшим напряжением смещения (таблица 5). И пусть разница в относительном энергопотреблении TSU111 невелика, все равно это позволит продлить срок эксплуатации датчиков дыма или углекислого газа на несколько недель или даже месяцев.

Рис. 18. ОУ TSU111 в схеме контроля уровня заряда батареи

Таблица 5. Сравнение различных ОУ для контроля заряда батареи

Наименование Напряжение смещения, мкВ Потребляемый ток, мкА Относительное энергопотребление, %
TSU111 150 1 0,01
TSV711 200 14 0,14
TS507 100 1000 10

Заключение

Как известно, большинство оптимальных решений являются компромиссными. Для чопперных ОУ повышение точности усиления низкочастотных сигналов требует более тщательной проработки схемы прибора, ограничения диапазона рабочих частот, а порой и увеличения энергопотребления. Тем не менее, чопперные усилители уверенно занимают свою нишу в радиотехнике, позволяя создавать приборы, технико-экономические показатели которых гораздо выше, чем при использовании ОУ другого типа.

Наши информационные каналы

Рубрики: статья

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство …читать далее

www.compel.ru

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о