Как подобрать операционный усилитель по питанию, смещению и полосе

Операционный усилитель подбирается по четырём группам параметров — питание, точность по постоянному току, динамика и нагрузочная способность. Ошибка чаще всего не в усилении, а в несовпадении схемы питания с входным и выходным диапазоном микросхемы: усилитель работает, но у границ диапазона сигнал искажается. Группа собрана в разделе усилители и компараторы, микросхемы общего применения — в разделе микросхемы общего назначения.

Ниже разобрано, какие параметры отсекают позиции на старте, когда точность по постоянному току важнее полосы, чем компаратор отличается от усилителя в режиме сравнения и какие специальные исполнения закрывают отдельные задачи. Примеры — позиции каталога от массовых MCP6001 и LM321 до инструментального AD623 и изолированного AMC1200.

С чего начинается подбор — схема питания

• Однополярное или двуполярное питание. Исполнения для двуполярного питания рассчитаны на симметричные ±5, ±12 и ±15 В; для однополярной платы берутся микросхемы с рабочим диапазоном от 1,8–2,5 В, например Microchip MCP6001 или Texas Instruments TSV912 и TSV914.
• Размах входного сигнала. Если сигнал подходит к шине питания, нужен вход с полным размахом. У обычных исполнений входной диапазон не доходит до шин на один-два вольта, и сигнал у границы срезается.
• Размах выхода. Выход с полным размахом нужен там, где усилитель работает на АЦП и должен выдать сигнал от нуля до опорного напряжения. Без этого теряется часть шкалы преобразователя.
• Максимальное напряжение питания. Для промышленных плат с шиной 24 В берутся исполнения с высоким допустимым питанием — ряд OPA2991 и подобные; микросхемы на 5,5 В в такой схеме потребуют отдельного стабилизатора из раздела управление питанием.
• Ток потребления на канал. Для устройств с питанием от батареи он становится отсечным параметром, и экономичное исполнение выбирается в ущерб полосе.

Точность по постоянному току

Эта группа параметров решает в измерительных каналах, где усиливается сигнал в единицы милливольт.

• Напряжение смещения и его температурный дрейф. Смещение усиливается вместе с сигналом: при коэффициенте 100 смещение в 1 мВ даёт на выходе 100 мВ погрешности. Прецизионные исполнения вида Analog Devices OP4177 и OP496 имеют смещение в десятки микровольт, массовые — единицы милливольт.
• Входные токи. У исполнений с биполярным входом входной ток выше, у исполнений с полевым входом — на порядки ниже. Для источников с высоким внутренним сопротивлением — пьезодатчиков, фотодиодов, электрохимических ячеек — берётся полевой вход, например Analog Devices AD8065 или Texas Instruments LMC6482.
• Шум на низких частотах. Для медленных измерительных каналов нормируется шум в полосе до десятков герц; полоса усилителя при этом второстепенна.
• Сопротивление и точность резисторов обратной связи. Погрешность делителя входит в результат наравне с параметрами микросхемы, поэтому в измерительных каналах применяются точные резисторы и резисторные сборки, у которых согласован температурный коэффициент.

Полоса и скорость нарастания

Для сигнальных и импульсных каналов решают динамические параметры.

• Произведение усиления на полосу. Полоса рабочего канала равна этому произведению, делённому на коэффициент усиления: усилитель с произведением 1 МГц при усилении 100 даёт полосу около 10 кГц. Отсюда правило — полоса проверяется не по паспортной цифре, а по фактическому усилению в схеме.
• Скорость нарастания. Определяет, успевает ли выход за фронтом сигнала. Для импульсных и видеосигналов берутся быстродействующие исполнения — Analog Devices AD8031 и AD8057.
• Устойчивость на ёмкостной нагрузке. Длинный кабель или вход АЦП с входной ёмкостью способны вывести каскад в самовозбуждение; в документации указывается допустимая ёмкость нагрузки и схема развязки.
• Число каналов в корпусе. Один, два или четыре канала: TLE2062 и TS912 — двухканальные, OP4177 — четырёхканальный. Четырёхканальный корпус экономит место, но связывает каналы по питанию и по тепловому режиму.

Когда нужен компаратор, а не усилитель

Если задача — определить, выше или ниже сигнал порога, ставится компаратор, а не усилитель в режиме сравнения. Компараторы вида STMicroelectronics TS391 и 3PEAK LMV331 имеют выход, рассчитанный на логический уровень, и нормированное время срабатывания. Усилитель в этом режиме входит в насыщение и выходит из него медленно, а его выход не нормирован как логический.

• Тип выхода. Исполнения с открытым коллектором требуют подтягивающего резистора и позволяют согласовать уровень с питанием логики; исполнения с двухтактным выходом подключаются напрямую к входу микроконтроллера.
• Гистерезис. Без гистерезиса на медленном сигнале около порога выход многократно переключается. Гистерезис либо встроен, либо задаётся резистивной обратной связью.
• Время срабатывания. Для схем защиты по току и по напряжению оно определяет, за какое время цепь успеет отключиться.

Специальные исполнения

Позиции этих групп распределены по брендам: разделы Analog Devices, Texas Instruments, Maxim, Microchip и Onsemi.

Что ставят вокруг усилителя

• Развязка по питанию. Керамические конденсаторы у выводов питания каждого корпуса; для многоканальных исполнений — на каждый корпус, а не на группу.
• Цепи обратной связи и смещения уровня. Точные резисторы и сборки с согласованным температурным коэффициентом.
• Защита входа. При работе с внешними линиями на вход ставятся ограничительные элементы — варисторы и терморезисторы на силовых линиях и диодная защита в сигнальных цепях.
• Источник сигнала. Каналы под промышленные датчики собираются вместе с позициями из раздела датчики среды, развязка сигнальных цепей — оптопарами.

Частые вопросы

Можно ли поставить вместо указанного усилителя любой с тем же числом выводов? Нет. Совпадение корпуса и цоколёвки не означает совпадения по питанию, смещению, входным токам и полосе. Замена проверяется по всем четырём группам параметров — это задача услуги подбора аналогов снятых с производства.

Нужен ли усилитель с полным размахом выхода, если сигнал небольшой? Если усиленный сигнал не подходит к шинам питания ближе чем на два вольта — не нужен. Требование появляется при однополярном питании и работе на полную шкалу преобразователя.

Чем инструментальный усилитель лучше схемы на обычном усилителе? В нём уже согласованы внутренние резисторы, поэтому подавление общей помехи выше и не зависит от разброса внешних элементов. Схема на одном усилителе и четырёх внешних резисторах даёт такое же подавление только при подборе резисторов с точностью десятых долей процента.

Что проверить, если выход усилителя самовозбуждается? Ёмкость нагрузки, наличие конденсаторов развязки у выводов питания, длину цепей обратной связи и устойчивость при фактическом коэффициенте усиления. В документации на микросхему указана предельная ёмкость нагрузки и схема последовательной развязки.

Что прислать для подбора? Схему каскада или описание канала, напряжение питания и его полярность, размах входного и выходного сигнала, требуемую полосу и коэффициент усиления, допустимую погрешность по постоянному току, диапазон температур, корпус и число каналов, количество на партию.

Что мы делаем

Подбираем усилитель и компаратор под питание, сигнал и требуемую точность, проверяем замену по параметрам, собираем канал вместе с резисторами обратной связи, развязкой и защитой входа. Разделы — усилители и компараторы, АЦП и ЦАП и микросхемы общего назначения, услуги — подбор компонентов по схеме, поставка компонентов под заказ и комплектация под сборку платы.

Пришлите схему канала или перечень позиций на micro@tkasiatorg.ru — подберём усилитель под питание и точность и посчитаем комплект на партию.