FROM nA zu Gigahertz: THE WORLD ist eine Menge extreme OP AMPS

, um den Operationsverstärker oder Operationsverstärker, ist eines der wesentlichsten Bausteine in analogen Schaltungen verwendet. unter Berücksichtigung je, dass Single-Chip-Operationsverstärker in den 1960er Jahren eingeführt wurden, haben unzählige verschiedene Arten entwickelt, einige viel erfolgreicher als andere. Fragen Sie einen erfahrenen Analog Designer ein paar OP-Amps zu nennen, sowie sie wahrscheinlich den LM324 erwähnen werde, die TL072, die NE5534, die LM358, sowie Programm den Urvater aller, die uA741.

Wenn diese Teilnummern dir etwas nicht anzeigen, alles, was Sie Anforderung zu verstehen ist, dass diese generische Elemente, die man überall auch bekommen können, wie das ganz gut in den typischen Anwendungen tun. Sie können schicker Operationsverstärker zu erhalten, die um Größenordnungen auf einige spec oder eine andere, oft zu verbessern. aber genau, wie weit kann man wirklich schieben die Idee eines Operationsverstärkers? Heute zeigen wir Ihnen einige OP-Amps, die Methode, über diese normalen „Jellybean“ Komponenten gehen.

Bevor wir beginnen, lassen Sie uns definieren, was genau zeigen wir, wenn wir „Operationsverstärker“ angeben. Wir versuchen integrierte Operationsverstärker zu finden, eine einzige physische Komponente angibt, die einen Differenz hochohmigen Spannungseingang hat, ein Single-Ended-Spannungsausgang, DC-Kopplung sowie hohe get angegeben in einem Kommentar Konfiguration genutzt werden. Wir sind ohne irgendetwas aus diskreten Komponenten, zusätzlich zu weniger allgemeinen Schaltungen wie Festverstärker sowie transkonduktanzverstärker (OTAs).

Anzahl der Kanäle

Pinout eines TL084X2. Die Doppelversorgungsstifte lassen vermuten, dass dies wirklich nur zwei TL084-Chip ist in ein einziges Paket 30-Pin verbunden. Bildnachweis: Texas Instruments
Die extrem erster integrierten Operationsverstärkern, beginnend mit dem uA702 1963 eingebaut nur einen einzigen Verstärker in einem einzigen Chip. jedoch doppelt so gut aus den 1970er Jahren als quad op endete Amps ist beliebt, vor allem bei Designern der aktiven Filter gerichtet. Duals sowie Quads sind häufig heute angeboten werden; ein paar triple-Operationsverstärker-Chips werden als gut, so gut wie Sie die NJM2710, die ein Hex-Operationsverstärker ist bekommen können sogar erstellt: sechs Kanäle.

Allerdings Amps die größte Anzahl von op je in einem einzelnen Bündel integriert ist acht: bis vor ein paar Jahren haben Sie sichern könnten sich eine EL5811 bekommen, eine TL084x2, oder sogar eine LM324x2, von denen alle Oktal-Operationsverstärker waren. Die genaue gleiche Grundschaltung in jeder Situation wurde ebenfalls als Einzel-, Doppel- oder Quad-Version angeboten, so dass die Oktal-Operationsverstärker waren wirklich „Dual-Quads“.

Während eine solche Sache kann vorteilhaft erscheinen, wenn Sie Angebote von Ampere in einem kleinen Raum erfassen möchten, unter Verwendung von zwei separaten Quads werden Sie viel viel mehr Flexibilität bieten, wenn es so gut wie das Routing Ihrer Schaltung zu entwerfen, betrifft. Wir vermuten, dass ist der Grund, diese Chips nie viel Traktion auf dem Markt gewonnen.

Energieverbrauch

Die NJU7700x Serie sind ultra-Low-Power-Operationsverstärker, unter Verwendung von weniger als ein Mikro amp. Bildnachweis: New Japan Radio Co.
Die traditionellen uA741 verbraucht etwa 1,7 mA bei einer normalen Anwendung. viel mehr zeitgenössische Stile behandelt haben, dies zu minimieren: zum Beispiel ist die OPA171 kompatibel mit dem ‚741, auf fast allen Verfahren eine deutlich bessere Leistung hat (Bandbreite, Anstiegsgeschwindigkeit, Lärm, Offset) sowie nutzt knapp ein halbes mA. zeitgenössische Schaltung Stil Methoden zusätzlich zu Fortschritten in der Halbleiter-Herstellungsverfahren haben ein viel besseres Leistung / Leistungsverhältnis aktiviert als in den 1960er Jahren möglich war.

Mehrere Hersteller haben OPVs im Ultra-Low-Power-Kategorie eingeführt, die in weniger als ein Mikro amp nehmen. Ein Beispiel ist die LPV801, die nur 450 Nanoampere verwendet. aber der wirtschaftlichste Operationsverstärker auf dem Markt heute ist der NJU77000, die nicht zieht viel mehr als 290 nA. Um diese Zahl zu relativieren, eine normale CR2032-Knopfzelle hat eine Fähigkeit von etwa 220 mAh, was darauf hinweist, dass es theoretisch könnte einen NJU77000 für 86 Jahre versorgen – natürlich Selbstentladung vor, dass die Batterie lange ablaufen lassen. Die Spezifikationen dieser Operationsverstärker sind nicht stellaren, besonders wenn es um die Bandbreite betrifft: maximal 1 kHz Verfahren ist ebenfalls gering, etwas zu Verfahren wie Audio suchen, aber viel ist für langsam fahrende Schaltungen wie Gassensoren.

Ausgangsstrom

Der Apex PA52 ist ein ziemlich großer „Chip“, von etwa 36 x 40 mm2. beachten Sie die BeO Warnung: Das Bündel besteht aus Berylliumoxid hohe thermische Leitfähigkeit zu erreichen. Bildnachweis: Apex Microtechnology
Am anderen Ende des Spektrums sind Leistungsoperationsverstärkern, die großen Ströme in eine Last antreiben kann. Die traditionelle L272, die häufig als ein Motortreiber verwendet wird, kann eine vollständige amp auf jedem seiner beiden Kanäle bereitzustellen. jedoch Innovation hat sich weiterentwickelt, aber auch heute können Sie das bullige PA50 sowie PA52 von Apex Microtechnology zu bekommen. Diese riesigen Operationsverstärker ausgeben kann 40 A ständig sowie 80 A für kurze Zeiträume. sowie obwohl sie kommen als einzelnes (eher große) -Komponente, innerhalb sie jedoch nicht einzelne Chips sind hybridModule: eine Reihe von integrierten Schaltungen sowie diskrete Transistoren auf ein typisches Substrat direkt gebunden.

All diese Macht kommt zu einem Preis, obwohl; bei einer Reihe von hundert Dollar pro Pop, sind diese nicht Ihre Garten Bereich Operationsverstärker. In der Tat, wenn Sie Anforderung vieler präsenter als Ihre bevorzugten Verstärker liefern können, kann es ein viel besseres Konzept sein eine Ausgabe verbessern Schaltung verwendet diskrete Leistungstransistoren zu machen. Ein großer Text zu diesem Thema Application Note AN18 von Jim Williams, die verschiedenen Methoden zeigt einen Operationsverstärker des Ausgangsstrom, Spannungsschwankung zu erhöhen, oder beides.

Versorgungsspannung

Gefahr, Hochspannung: Der PA99 kann bei so viel wie 2,5 kV arbeiten. Bildnachweis: Apex Microtechnology
Die meisten Operationsverstärker aus den früheren Tagen könnten mit recht großen Versorgungsspannungen arbeiten: +/- 15 V war in den 1970er Jahren typisch zurück. Im heutigen Zeitalter von Arduinos sowie ESP32s scheint dies übertrieben, sowie zweifellos viele zeitgenössischen OPVs wird bei 3,3 V glücklich Arbeit oder sogar senken. Am anderen Ende der Skala jedoch OPAMPERE das kann Arbeit an viel mehr als 100 V sind ebenfalls weit verbreitet; der LTC6090 sowie die ADHV4702 sind Beispiele, die jeweils bei 140 V sowie 220 V arbeiten können. aber der echte Meister in dieser Klassifizierung ist die PA99 von Apex: Dieser Operationsverstärker glücklich mit 2500 V über seine Versorgungsstifte funktionieren. Es kann 50 mA an seinem Ausgang zur Verfügung stellen sowie ein Verstärkungs-Bandbreite-Produkt von 28 MHz hat. es ist ein teurer Chip, etwa tausend Dollar wie sein Hochstrom Geschwister, so sind Sie wahrscheinlich nicht in irgendeiner Art von Verbraucherprodukten zu entdecken. Der Hauptmarkt für spezialisierte Chips, wie dies wissenschaftliche Instrumente sowie industrielle Geräte Piezoaktoren oder elektrostatische Ablenkung verwendet.

Bandbreite

Sprechen über die Bandbreite, die Operationsverstärker ist der schnellste? Es gibt nicht wirklich eine einzige schlüssige Antwort darauf. Beginnt sich durch Prüfen der Open-Loop-Frequenz Wirkung eines Operationsverstärkers aus: Es ist hoch (mehr als 100 dB) bei niedrigeren Frequenzen, die alle das Verfahren bis auf DC. Zu einer bestimmten Frequenz beginnt die get fallen zu lassen, was wir Anruf des -3 dB-Punkt; das ist, wo die get 70% seines DC Wert erreicht hat. Die get dann um 20 dB pro Dekade weiter abnehmen Null dB bei der Unity-Gain-Frequenz zu erreichen – Null dB zeigt einen Aspekt von einem.

In Verfahren bedeutet dies, dass, wenn Sie die Kommentare Netzwerk, um sicherzustellen, konfigurieren, dass die Gesamtverstärker einen get von eins hat, wird die Bandbreite dieser Schaltung die Unity-Gain-Frequenz sein. Wenn Sie es zu einem Get von zwei gesetzt ist, wird es die halbe Bandbreite. Ein get von zehn wird die Bandbreite als auch so in einem Zehntel Folge auf. man bedenkt, dass das Produkt aus der get sowie die Bandbreite immer die gleiche ist, wird die Unity-Gain-Frequenz ebenfalls die Verstärkung-Bandbreite-Produkt genannt.

Die meisten Allzweck-Operationsverstärker kann bei jeder Art von Kreisverstärkung verwendet werden. jedoch kommt diese Vielseitigkeit zu einem Preis: die Unity-Gain-Frequenz muss ziemlich niedrig zu stoppen Schwingung gehalten werden. Für High-Speed-Anwendungen, die Sie als Ergebnis können Operationsverstärker erhalten, die dekompensierter wurden. Dies zeigt an, daß die inneren Schaltungen mit einer höheren Bandbreite, verändert wurden jedoch ebenfalls laufen, dass der Operationsverstärker nicht in der Einheitsverstärkungs-Konfiguration verwendet werden; das Datenblatt wird ein Minimum Closed-Loop-get angeben, an dem der Verstärker verwendet werden kann. Wenn Sie nicht über diese Grenze einhalten, dann können Sie Ihre Schaltung schwingen.

Die folgende Grafik zeigt die Leerlaufverstärkung-versus-Frequenzdarstellung eines vollständig kompensiert Operationsverstärker sowie eine dekompensierte ein. verwalten Theorie sagt uns, dass wir mit einem stetigen Closed-Loop-System werden am Ende, wenn wir die Schleife an einem Punkt in der Nähe, wo die Open-Loop-get um 20 dB pro Dekade abfällt. (Eigentlich ist es viel schwieriger als das, aber wir gehen nicht in dem jetzt.) Für die vollständig kompensierten Operationsverstärker dies bei jeder Art von Gewinn wahr ist. aber für den dekompensierter Operationsverstärker, fällt die get um 20 dB pro Dekade nur so viel wie ein Punkt; dies ist Gmin, oder das Minimum erhalten, bei dem der Verstärker stabil sein wird. Beachten Sie, dass an diesem Punkt die Bandbreite ist viel höher als es für die vollständig kompensierten Verstärker gewesen wäre.

Open-Loop-get Plot eines vollständig kompensiert Operationsverstärker (grün) sowie einem ansonsten ähnlichen dekompensierter Operationsverstärker (gelb). Beachten Sie, dass der dekompensierten amp erreicht nie wirklich sein Verstärkungs-Bandbreite-Produkt: GBW2 von 20 dB / dec Teil des Graphen hochgerechnet.
Der Operationsverstärker mit dem größten Verstärkung-Bandbreite-Produkt, das Sie heute bekommen können, ist der OPA855, auf einem satten 8 GHz. Da es jedoch ein dekompensierter Verstärker ist, haben Sie es zu einem get von mindestens sieben zu verwenden, in welcher Situation es „nur“ 2,5 GHz erreichen. Der schnellsten nicht dekompensierter Operationsverstärker ist der THS4304, die in jeder Art von Konfiguration, alle Verfahren so viel wie seine Einheit-Gain-Bandbreite von 3 GHz arbeiten. aber bevor Sie als auch bekommen diesen Chip ablaufen einen Multi-GHz-Verstärker zu entwickeln, bedenken Sie, dass geeignete Schaltungsdesign bei solchen Frequenzen entscheidend wird; jede Art von Streukapazität in thDer falsche Standort kann die Schleifenstabilität stören und den Verstärker in einen Oszillator drehen.

Wechselrate

Bandbreite ist nicht die einzige Bestimmung der Geschwindigkeit. Eine weitere Spezifikation, die Sie in jeder Art von OP-AMPs-Datenblatt entdecken, ist die SLEWW-Rate. Normalerweise ermittelt es in Volt pro Mikrosekunde (V / US), er sagt Ihnen genau genau, wie sich die Ausgangsspannung des Chips ändern kann. Eine grundlegende Methode zur Ermittlung einer Slew-Rate eines OP-Verstärkers besteht darin, eine quadratische Welle auszugeben: Die Steigung der steigenden Steigung des Ausgangs sowie fallende Kanten entspricht der SEWW-Rate.

Wenn Sie eine quadratische Welle an den Eingang eines OP-Verstärkers anwenden, steigt die Leistung sowie Herbst an der SLEW-Rate des OP AMP an.
Die SLEW-Rate ist hauptsächlich von der Inneneinrichtung, die an einem OP-Verstärker vorhanden ist, sowie dadurch, dass sie normalerweise proportional zum Versorgungsstrom proportional ist. Normalwerte Sorte von 0,5 V / US für die UA741 bis 20 V / US für die TL072. Einige OP-Verstärker haben eine kreative Technik, die im Inneren der kreativen Technik verstanden wird, wenn die vorübergehende Vorspannung vorübergehend verstärkt wird, wenn der OP-AMP erhebt, dass seine Ausgabe nicht mit seiner Eingabe mithalten kann.

Die größten Swings-Preise werden in den gegenwärtigen Kommentaren-Verstärkern (CFAs) angeboten, die den OP-AMPs in vielen Methoden ähnlich sind, jedoch unterschiedlich ausreichend, dass wir sie nicht als solche in diesem Artikel zählen. Im Vergleich zu regulären OP-Verstärkungen haben sie eine geringe Open-Loop-Verstärkung, die hohe Eingangsgleichspannungen sowie Vorspannungsströme sowie in allen Anwendungen nicht genutzt werden können. Sie werden häufig in Hochgeschwindigkeitsschaltungen verwendet, in denen eine hohe Ansteuerrate die wichtigste Anforderung ist.

Dann nicht ungewöhnlich, dass die OP-Verstärker mit der größten SLEW-Rate die Merkmale von CFAs sowie routinemäßige OP-Verstärker integrieren, die die Linie zwischen ihnen etwas verwischen. Zum Beispiel hat der EL5102 eine schlingige Rate eines Wurzeln von 3500 V / US, jedoch ist ein magerer 66 dB Open-Loop, wo viele grundlegende OP-Verstärker 100 bis 120 dB aufweisen. Seine vorhandene Eingangsvorspannung ist auch ziemlich groß, bei 2 ua typisch. Der MIC920 macht jedoch etwas besser, jedoch bei 85 dB ist es immer noch kein fantastischer OP-AMP. Der echte Champion in dieser Klassifizierung ist der PA107, der seine Leistung bei 3000 V / US stufen kann, jedoch erreicht jedoch noch 140 dB der Gain von Open Loop. Es zieht ebenfalls etwa 50 mA von seiner Versorgung, sodass es nicht etwas nutzen, wenn Sie für geringe Leistung erstellen.

Ungewöhnliche Materialien

Nahezu alle integrierten Schaltungen, die Sie heute erhalten können, verwenden Sie Silizium als Basismaterial. Einige Hochgeschwindigkeitsschaltungen, einschließlich einiger der oben erwähnten Hochgeschwindigkeits-OP-Verstärker, werden unter Verwendung von Silicium-Germanium (SiGe) hergestellt, obwohl dies nur die obere Schicht eines Chips ist, der sonst reines Silizium ist. Möglicherweise können andere Halbleiter wie Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GAN) oder sogar Siliziumkarbid (SIC) zur Herstellung von OP-Verstärker verwendet werden; Die beträchtliche Kostenunterschiede mit regelmäßigem Silizium sind jedoch im Allgemeinen für spezialisierte diskrete Transistoren sowie für integrierte Schaltkreise mit ultra-hoher Geschwindigkeit genutzt.

Der Würfel des Kths Siliciumcarbid-AMP. Bildkredit: Kth
Einige Forschungsstudienjobs haben faszinierende Ergebnisse gezeigt: Das Kth Royal Institute of Technology in Schweden hat einen OP-Verstärker in Siliciumcarbid-Innovation gezeigt, der bei ultra-hohen Temperaturen bis zu 500 ° C arbeiten kann. Seine Leistung ist weit weg von Stellar, aber seine Robustheit zeigt an, dass sie in der Lage sein muss, in Umgebungen in der feindseligen Oberfläche der Venus arbeiten zu können.

Hier auf der Erde ist Silizium fest etabliert als der Halbleiter der Wahl sowie die Änderung der Zeit nicht möglich. Wie wir gesehen haben, ist Silizium jedoch vielseitig ausreichend, um eine große Auswahl an OP-AMP-Styles für nahezu jede Art von möglichen Anwendungen zu ermöglichen.