l’amplificatore operazionale, o op amp, è uno dei blocchi edili più fondamentali utilizzati nei circuiti analogici. MAI considerando che gli amplificatori OP singoli sono stati introdotti negli anni ’60, sono stati sviluppati innumerevoli tipi diversi, alcuni hanno un sacco di successo di altri. Chiedi a un designer analogico esperto di nominare alcuni amplificatori OP, così come probabilmente menzionerà la LM324, il TL072, il NE5534, la LM358, oltre a programmare il nonno di tutti, l’UA741.
Se quei numeri di parte non indicano nulla a te, tutto ciò che hai bisogno di capire è che questi sono elementi generici che puoi ottenere ovunque, nonché ciò che farà bene nelle applicazioni più tipiche. È possibile ottenere fangeri amps opp che migliorano su alcune specifiche o un altro, spesso per ordini di grandezza. Comunque esattamente quanto lontano puoi spingere veramente l’idea di un amplificatore operativo? Oggi ti mostreremo alcuni amplificatori OP che vanno metodo oltre questi normali componenti “jellybean”.
Prima di iniziare, definiamo cosa indichiamo esattamente quando dichiariamo “amplificatore operativo”. Stiamo cercando di trovare amplificatori OP integrati, indicando un singolo componente fisico, che dispongono di un ingresso di tensione di alta impedenza differenziale, un’uscita di tensione a controllo singolo, un accoppiamento DC, nonché l’altezza superiore indicata da utilizzare in una configurazione dei commenti. Stiamo escludendo qualsiasi cosa fatta di componenti discreti, oltre a circuiti meno generali come amplificatori a guadagno fisso e amplificatori transsconducenti operativi (OTAs).
Numero di canali
PINOUT di un TL084x2. I perni di doppio approvvigionamento suggeriscono che questo è veramente solo due chip TL084 incollati in un unico pacchetto da 30 pin. Credito dell’immagine: Texas Instruments
Gli amplificatori OP estremamente molto integrati, a partire dall’UA702 nel 1963, incorporavano solo un singolo amplificatore all’interno di un singolo chip. Dalle anni ’70, tuttavia, doppio e amplificatori Quad OP hanno finito per essere popolari, finalizzati principalmente a progettisti di filtri attivi. Duals e Quad sono comunemente offerti oggi; Sono state create anche alcuni chip Amp amplificati tripli, così come puoi anche ottenere il NJM2710, che è un amplificatore esagonale: sei canali.
Tuttavia, il maggior numero di amplificatori OP mai integrati in un unico bundle è otto: fino a quando non si può ottenere un EL5811, un TL084X2, o anche un LM324x2, tutti quelli che erano amplificatori op ottali. Lo stesso identico circuito fondamentale in ogni situazione è stato offerto come una versione singola, doppia o quadruplica, quindi gli amplificatori op ottali erano veramente “dual quads”.
Mentre una cosa del genere può sembrare vantaggiosa se vuoi catturare grandi offerte di amplificatori in un piccolo spazio, utilizzando due quadri separati ti fornirà molto più versatilità quando riguarda il design e il routing del circuito. Sospettiamo che sia la ragione per cui queste chips non hanno mai acquisito molta trazione nel mercato.
Consumo di energia
Le serie NJU7700X sono amplificatori OP ultra-low-power, utilizzando meno di un micro-amp. Credito dell’immagine: New Japan Radio Co.
Il tradizionale UA741 consuma circa 1,7 mA in una normale applicazione. Un sacco di stili contemporanei hanno gestito per minimizzare questo: ad esempio, l’OPA171 è compatibile con il ‘741, ha prestazioni molto migliori su quasi tutte le procedure (larghezza di banda, velocità di avvolgibile, rumore, offset), oltre a utilizzare poco meno di mezza ma. I metodi di stile del circuito contemporaneo oltre ai progressi nel produttore di semiconduttori hanno permesso a un metodo molto migliore performance / power ratio di quanto fosse possibile negli anni ’60.
Diversi produttori hanno introdotto gli amplificatori OP nella categoria di potenza ultra-bassa, che prendono meno di un micro-amp. Un esempio è il LPV801, che utilizza solo 450 nano-amplificatori. Tuttavia, l’AMP OP più economico sul mercato oggi è il NJU77000, che non disegna molto più di 290 na. Per mettere quel numero in prospettiva, una normale cella di moneta CR2032 ha una capacità di circa 220 mAh, indicando che potrebbe teoricamente poligere un NJU77000 per 86 anni – ovviamente, l’auto-scarica scaricherà la batteria molto prima. Le specifiche di questo amplificatore OP non sono stellari, in particolare quando riguarda la larghezza di banda: un massimo di 1 kHz è il metodo pulito per elaborare qualsiasi cosa che sembrasse audio, tuttavia è abbondante per i circuiti a movimento lento come i sensori del gas.
Uscita corrente
L’APEX PA52 è un “chip” piuttosto grande, misurando circa 36 x 40 mm2. Nota l’avvertimento Beo: il pacchetto è costituito da ossido di berillio per realizzare un’elevata conduttività termica. Picture Credito: Apex Microtechnology
Dall’altra parte dello spettro sono amplificatori power op che possono guidare grandi correnti in un carico. La tradizionale L272, che viene frequentemente utilizzata come driver del motore, può fornire un amplificatore completo su ciascuno dei suoi due canali. Tuttavia l’innovazione è andata avanti, così come oggi è possibile ottenere il Beefy PA50 e PA52 dalla microtecnologia Apex. Queste enormi ampere OP possono produrre 40 un costantemente e 80 A per brevi periodi. così come sebbene siano come un singolo componente (piuttosto grande), all’interno non sono single chip tuttavia ibridoModuli: un set di circuiti integrati e transistor discreti direttamente incollati su un tipico substrato.
Tutto questo potere arriva a un costo; Ad un certo numero di cento dollari un pop, questi non sono i tuoi amplificatori opp. Infatti, se requisito molto più presente del tuo amplificatore preferito può fornire, potrebbe essere un concetto molto migliore per creare un circuito di miglioramento dell’output utilizzando transistor di potenza discreti. Un grande testo su questo argomento è l’applicazione Nota AN18 da Jim Williams, che dimostra diversi metodi per aumentare la corrente di uscita dell’OP AMP, l’oscillazione della tensione o entrambi.
Tensione di alimentazione
Pericolo, alta tensione: la PA99 può funzionare fino a 2,5 kV. Picture Credito: Apex Microtechnology
La maggior parte degli amplificatori OP dei giorni precedenti potrebbe funzionare con tensioni di alimentazione piuttosto grandi: +/- 15 V è stato tipico negli anni ’70. Nell’età di oggi di Arduinos e ESP32S, questo sembra eccessivo, oltre che senza dubbio un sacco di amplificati opp contemporanei funzionerà felicemente a 3,3 V o addirittura più in basso. All’altro estremo, tuttavia, anche gli amplificatori OP che possono funzionare a molto più di 100 V sono abbastanza comuni; LTC6090 e ADHV4702 sono esempi che possono funzionare a 140 V e 220 V, rispettivamente. Tuttavia, il genuino campione in questa classificazione è la PA99 dall’APEX: questo Amp Amper funzionerà felicemente con 2500 V attraverso i suoi perni di approvvigionamento. Può fornire 50 mA sulla sua uscita e ha un prodotto di larghezza di banda di guadagno di 28 MHz. Come i suoi fratelli ad alta corrente è un chip costoso, a circa mille dollari, quindi non è probabile che non lo scopri in alcun tipo di prodotti di consumo. Il mercato primario per chip specializzati come questo è strumenti scientifici e dispositivi industriali che utilizzano attuatori di piezo o deflessione elettrostatica.
Larghezza di banda
Parlando di larghezza di banda, quale opm Amp è il più veloce? Non c’è davvero una singola risposta conclusiva a questo. Iniziamo controllando l’azione di frequenza ad anello aperto di un Amp Amp: è alto (più di 100 dB) a basse frequenze, tutto il metodo fino a DC. Ad alcune frequenze, l’inizio inizia a cadere, in ciò che telefoniamo a chiamare il punto DB -3; È qui che il ricevimento ha raggiunto il 70% del suo valore DC. L’ottimizzazione continua a diminuire di 20 dB per decennio per raggiungere zero dB alla frequenza di unità di unità – zero dB indica un aspetto di uno.
Nel metodo, questo indica che se si configura la rete Commenti per assicurarsi che l’amplificatore complessivo abbia un ottenimento di uno, la larghezza di banda di questo circuito sarà la frequenza di guadagno di unità. Se lo si imposta in un arrivo di due, avrà la metà della larghezza di banda. Un arrivo di dieci provocherà un decimo della larghezza di banda, così come così via. Considerando che il prodotto dell’ottimo e la larghezza di banda è sempre la stessa, la frequenza di unità di unità è anche chiamata il prodotto GAIN-BANDWICH.
La maggior parte degli amplificatori OP generici può essere utilizzata a qualsiasi tipo di guadagno a circuito chiuso. Tuttavia questa versatilità arriva ad un prezzo: la frequenza di acquisizione dell’unità deve essere tenuta abbastanza bassa per fermare l’oscillazione. Per le applicazioni ad alta velocità puoi conseguenza ottenere amp per gli amplificatori operati che sono stati decipenti. Ciò indica che i circuiti interni sono stati modificati per funzionare a una larghezza di banda più elevata, tuttavia anche che l’Amp non può essere utilizzato nella configurazione dell’unità-guadagno; La scheda tecnica specificherà un ciclo minimo di ciclo chiuso in cui è possibile utilizzare l’amplificatore. Se non rispetti questo limite, il circuito potrebbe oscillare.
Il grafico seguente mostra il grafico a loop-VERSUS-FREQUENCY Plot di un AMP OP completamente compensato e uno decompensato. Gestisci la teoria ci dice che finiremo con un sistema costante a ciclo chiuso se chiudiamo il ciclo in un punto in cui il loop aperto prende in giro per 20 dB per decennio. (In realtà, è molto più impegnativo di quello, tuttavia non andremo in questo ora.) Per l’amp dell amp completamente compensato, questo è vero a qualsiasi tipo di guadagno. Tuttavia per l’AMP OP decompesato, le gocce di arrivo di 20 dB per decennio solo fino a un punto; Questo è GMIN, o il minimo ottenere in cui l’amplificatore sarà stabile. Si noti che la larghezza di banda a questo punto è molto più alta di quanto sarebbe stato per l’amplificatore completamente compensato.
Open-loop Ottieni la trama di un amp amp (verde) completamente compensato, nonché un amp amplificatore oppure (giallo) decordato altrimenti simile. Si noti che l’amplificatore decompensato non raggiunge mai il suo prodotto di larghezza di banda di guadagno: GBW2 è estrapolato dalla parte di 20 dB / Dicembre del grafico.
L’AMP OP con il più grande prodotto di larghezza di banda di guadagno che puoi ottenere oggi è l’OPA855, ad un whoping 8 GHz. Tuttavia, poiché è un amplificatore decompeso, devi utilizzarlo ad un arrivo di almeno sette, in quale situazione “solo” raggiungerà 2,5 GHz. L’AMP OP più rapido non decompeso è la THS4304, che può funzionare in qualsiasi tipo di configurazione tutto il metodo quanto la sua larghezza di banda di guadagno di unità di 3 GHz. Tuttavia, prima di scappare e ottenere questo chip per sviluppare un amplificatore multi-GHz, tenere presente che il design del circuito appropriato diventa cruciale a tali frequenze; Qualsiasi tipo di capacità randagio in thLa posizione sbagliata può sconvolgere la stabilità del loop e trasformare il tuo amplificatore in un oscillatore.
Slew Rate.
La larghezza di banda non è l’unica determinazione della velocità però. Un’altra specifica che scopri in qualsiasi tipo di scheda tecnica dell’OP Amp è la sua velocità di rotazione. Normalmente determinato in volt per microsecondo (V / Stati Uniti), ti dice esattamente esattamente quanto è possibile modificare rapidamente la tensione di uscita del chip. Un metodo di base per determinare la velocità di rotazione dell’AMP Amp è quella di far emergere un’onda quadra: la pendenza dei bordi in aumento e dei bordi in caduta verrà uguale alla frequenza di rotazione.
Se si applica un’onda quadra all’ingresso di un Amp Amp, l’uscita aumenterà e aumenterà l’autunno alla velocità di rotazione dell’AMP Amp.
Il tasso di rotazione è principalmente capito dal pregiudizio interno Presente di un AMP OP, così come è un risultato normalmente proporzionale alla corrente di alimentazione. Varità normale Varietà da 0,5 V / Stati Uniti per l’UA741 a 20 V / US per il TL072. Alcune amplificatori OP hanno una tecnica creativa all’interno intesa come un aumento della rotazione, dove il pregiudizio presente viene aumentato temporaneamente quando l’AMP OP rileva che la sua output non può tenere il passo con il suo input.
Le più grandi tassi di rotazione sono offerte nelle commenti attuali Amplificatori (CFAS), che sono simili agli amplificatori OP in molti metodi comunque diversi sufficienti che non li contiamo come tali in questo articolo. Rispetto alle normali amplificazioni OP, hanno un guadagno basso anello aperto, alte tensioni di bilancio in ingresso e correnti di bias, nonché non possono essere utilizzate in tutte le applicazioni di commenti. Vengono frequentemente utilizzati nei circuiti ad alta velocità in cui una frequenza elevata è il requisito più cruciale.
Non insolito, quindi, che gli amplificatori OP con il più grande tasso di rotazione integrano le caratteristiche di CFAS e Amplificatori OP di routine, un po ‘offuscando la linea tra di loro. Ad esempio, l’EL5102 ha una velocità di rotazione di un enorme 3500 V / noi, tuttavia un magro 66 dB di anello aperto, dove un sacco di amplificatori oppimentali dispongono di 100 a 120 dB. Il suo pregiudizio di input presente è piuttosto grande anche a 2 uA tipico. Il MIC920 fa un po ‘meglio, tuttavia a 85 dB non è ancora un fantastico amp. Il genuino campione in questa classificazione è il PA107, che può calpestare la sua produzione a 3000 V / US, ma raggiunge ancora 140 dB di guadagno a loop aperto. Allo stesso modo disegna circa 50 mA dalla sua offerta, quindi non è qualcosa da utilizzare quando si crea una bassa potenza.
Materiali insoliti
Quasi tutti i circuiti integrati che puoi ottenere oggi utilizzano il silicio come materiale di base. Alcuni circuiti ad alta velocità, compresi alcuni degli amplificatori op ad alta velocità sottolineati sopra, sono resi utilizzando il silicio-germanio (Sige), anche se questo è solo lo strato superiore di un chip che è altrimenti puro silicio. Potenzialmente, altri semiconduttori come Gallio Arsenide (GAAS), nitruro di Gallium (GAN) o addirittura in carburo di silicio (SIC) potrebbero essere utilizzati per produrre amplificatori OP; Tuttavia, a condizione che la notevole differenza di spesa con silicio regolare questi materiali siano generalmente utilizzati per transistor discreti specializzati e circuiti integrati ultra-ad alta velocità.
The Die of Kth’s Silicon Carbide Op Amp. Credito dell’immagine: KTH
Alcuni lavori di studio di ricerca hanno mostrato risultati affascinanti però: il KTH Royal Institute of Technology, in Svezia, ha dimostrato un AMP OP realizzato in innovazione in carburo di silicio che può funzionare a temperature ultra-alte fino a 500 ° C. La sua performance è lontana da Stellar, tuttavia la sua robustezza indica che deve essere in grado di lavorare in ambienti come ostili come la superficie di Venere.
Qui sulla Terra, il silicio è fermamente consolidato come il semiconduttore di scelta, così come è improbabile che modifica la modifica in qualsiasi momento. Tuttavia, come abbiamo visto, il silicio è versatile sufficiente per consentire una vasta gamma di stili OP AMP per quasi tutti i tipi di possibili applicazioni.
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