Операционный усилитель

Неинвертирующий сумматор

В продолжение темы неинвертрующих усилителей расскажу о неинвертирующем сумматоре, который выполняет функцию сложения входных сигналов и находит своё применение в качестве линейных смесителей сигналов (микшеров), например, когда сигналы из нескольких источников необходимо скомбинировать и подать на вход усилителя мощности. Схема неинвертирующего сумматора представлена ниже


Схема двухвходового неинвертирующего сумматора.

Данная схема представляет собой неинвертирующий усилитель с двумя входами и состоит из ОУ DA1, токоограничительных входных резисторов R1 и R2, резистора смещения R3 и резистора обратной связи R4.

Для данной схемы основные соотношения соответствуют схеме простого неинвертирующего усилителя, с учётом того что входное напряжение в схеме соответствует среднему напряжению входных выводов

А сопротивление резисторов должны соответствовать следующему условию

Коэффициенты усиления по разным каналам определяются следующим выражением

RN – сопротивление входного резистора,

KN – коэффициент усиления соответствующего канала усиления.

Основным недостатком схемы неинвертирующего сумматора является отсутствие точки нулевого потенциала, поэтому коэффициент усиления по различным входам не являются независимыми. Данный недостаток проявляет себя в тех случаях, когда внутреннее сопротивление источников входных напряжений или только одного из них известно приблизительно или изменяется в процессе работы.

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

Операционный усилитель или компаратор?

Операционные усилители и компараторы являются родственными компонентами, но между ними есть важные принципиальные отличия, которые во многом определяют их области применения.

Тип выхода. По сути, компаратор представляет собой ОУ с очень большим коэффициентом усиления, выход которого может находиться только в двух устойчивых насыщенных состояниях: низком (логический «0») или высоком (логическая «1»). Таким образом, несмотря на свою аналоговую природу, компаратор оказывается цифровым компонентом. Его выход можно напрямую подключать к цифровым схемам. В то же время ОУ является чисто аналоговым компонентом, и для его взаимодействия с управляющим контроллером понадобится АЦП.

Потребление. Разумеется, можно заставить обычный ОУ работать в режиме компаратора, задав большой коэффициент усиления. Однако его выход будет постоянно находиться в режиме насыщения, из-за чего потребление существенно возрастет, а динамические характеристики окажутся неудовлетворительными. Компараторы имеют упрощенный выходной каскад и оптимизированы для работы напряжениями, близкими к границам диапазона рабочих напряжений. Более того, как уже было отмечено выше, для работы с ОУ понадобится АЦП, который является весьма прожорливым компонентом, а компаратор по умолчанию работает как простейший однобитный АЦП.

Габариты. Работа с ОУ предполагает использование внешних резисторов и конденсаторов, а компараторы обычно обходятся одним подтягивающим резистором на выходе (если речь идет о выходе с открытым стоком/коллектором). В результате компараторы занимают на плате меньше места.

Стоимость. Стоимость является критичным фактором для современной портативной электроники, поэтому во многих приложениях использование компаратора будет более предпочтительным:

  • для работы с компаратором можно использовать бюджетный микроконтроллер без встроенного АЦП;
  • компаратор требует минимум обвязки;
  • компаратор занимает меньше места на печатной плате, что также способствует снижению стоимости.

Таким образом, можно сделать некоторые выводы по использованию ОУ и компараторов. Если требуется усилить аналоговый сигнал для дальнейшей аналоговой или цифровой обработки, то потребуется ОУ. Если же система работает с дискретными сигналами или ей необходимо обнаруживать только граничные состояния, то лучшим вариантом будет компаратор. В таких случаях компараторы обеспечат меньшее потребление, меньшие габариты и меньшую стоимость.

Рассмотрим конкретные примеры малопотребляющих ОУ и компараторов.

Что такое операционный усилитель ?

Операционные усилители представляют собой микросхемы которые могут выглядеть по-разному.

Например на этой картинке изображены два операционных усилителя российского производства. Слева операционный усилитель К544УД2АР в  пластмассовом DIP корпусе а справа изображен операционник в металлическом  корпусе.

По началу, до знакомства с операционниками,     микросхемы в таких металлических корпусах я постоянно путал с транзисторами.  Думал что это такие хитромудрые  многоэмиттерные транзисторы

Условное графическое обозначение (УГО)

Условное обозначение операционного усилителя выглядит следующим образом.

Итак  операционный усилитель (ОУ) имеет два входа и один выход. Также имеются выводы для подключения питания но на условных графических обозначениях их обычно не указывают.

Для такого усилителя есть два правила которые помогут понять принцип работы:

  1. Выход операционника стремится к тому, чтобы разность напряжений на его входах была равна нулю
  2. Входы операционного усилителя ток не потребляют

Вход 1  обозначается знаком «+»  и называется неинвертирующим а вход 2 обозначается как «-» и является инвертирующим.

Входы операционника обладают высоким входным сопротивлением или иначе говорят высоким импедансом.

Это говорит о том, что  входы операционного усилителя ток почти не потребляют (буквально какие-то наноамперы). Усилитель просто оценивает величину напряжений на входах и в зависимости от этого выдает сигнал на выходе усиливая его.

Коэффициент усиления операционного усилителя имеет просто огромное значение,  может достигать миллиона, а это очень большое значение!  Значит это то, что если мы ко входу приложим небольшое напряжение, хотябы 1 мВ, то на выходе  получим сразу максимум,  напряжение почти равное напряжению источника питания ОУ. Из-за этого свойства операционники практически никогда не используют без обратной связи (ОС). Действительно какой смысл во входном сигнале если на выходе мы всегда получим максимальное напряжение, но об этом поговорим чуть позже.

Входы ОУ работают так, что если величина на неинвертирующем входе окажется больше чем на инвертирующем, то на выходе будет  максимальное положительное значение +15В. Если на инвертирующем входе величина напряжения  окажется более положительной то  на выходе будем наблюдать максимум отрицательной величины, где-то -15В.

Действительно операционный усилитель может выдавать значения напряжений как положительной так и отрицательной полярности. У новичка может возникнуть вопрос о том как же такое возможно? Но такое действительно возможно и это связано с применением источника питания с расщепленным  напряжением, так называемым двуполярным питанием. Давайте рассмотрим питание операционника чуток подробнее.

Меры предосторожности

При использовании углекислотного огнетушителя следует быть осторожным, дабы не навредить себе и окружающим. Поэтому нужно соблюдать ряд мер:

  • не использовать прибор на расстоянии ближе одного метра;
  • не наводить ОУ-1 на живых существ;
  • во время применения не касаться руками металлической части раструба;
  • при использовании огнетушителя в помещении желательно защищать органы дыхания от чрезмерного воздействия СО2;
  • нельзя хранить баллон в теплых или слабо проветриваемых местах;
  • следует избегать постоянного воздействия на огнетушитель прямых солнечных лучей;
  • нельзя бросать в огонь ни полный, ни пустой баллон;
  • все процедуры, связанные с ремонтом механики или перезаправкой содержимого аппарата, должны осуществляться только работниками специальных служб.

Инвертирующий усилитель на ОУ. Принцип работы

Инвертирующий усилитель является одним из самых простых и наиболее часто используемых аналоговых схем. С помощью всего двух резисторов, мы можем выставить необходимый нам коэффициент усиления. Ничего не мешает нам сделать коэффициент менее 1, тем самым ослабив входной сигнал.

Часто к схеме добавляют еще один резистор R3, сопротивление которого равно сумме R1 и R2.

Чтобы понять, как работает инвертирующий усилитель, смоделируем простую схему. У нас на входе напряжение 4В, сопротивление резисторов составляет R1=1к и R2=2к. Можно было бы, конечно, подставить все это в формулу и сразу вычислить результат, но давайте посмотрим, как именно работает эта схема.

Начнем с напоминания основных принципов работы операционного усилителя:

Обратите внимание, что неинвертирующий вход (+) соединен с массой, то есть на нем напряжение равное 0В. В соответствии с правилом №1 на инвертирующем входе (-) так же должно быть 0В

Итак, мы знаем напряжение, находящееся на выводах резистора R1 и его сопротивление 1к. Таким образом, с помощью закона Ома мы можем выполнить расчет, и рассчитать, какой ток течет через резистор R1:

Чтобы знать, куда дальше течет этот ток, мы должны знать еще принцип действия усилителя:

Таким образом, ток, протекающий через R1, течет далее через R2!

Снова воспользуемся законом Ома и вычислим, какое падение напряжения происходит на резисторе R2. Мы знаем его сопротивление и знаем какой ток через него, следовательно:

Получается, что на выходе мы имеем 8В? Не совсем так. Напомню, что это инвертирующий усилитель, т. е. если на вход мы подаем положительное напряжение, а на выходе снимаем отрицательное. Как же это происходит?

Это происходит вследствие того, что обратная связь установлена на инвертирующем входе (-), и для уравнивания напряжений на входе усилитель снижает потенциал на выходе. Соединения резисторов можно рассмотреть как простой делитель напряжения, поэтому чтобы потенциал в точке их соединения был равен нулю, на выходе должно быть минус 8 вольт: Uвых. = -(R2/R1)*Uвх.

Есть еще один подвох, связанный с 3 правилом:

То есть нужно проверить, что рассчитанные нами напряжения можно реально получить через усилитель. Часто начинающие думают, что усилитель работает как источник свободной энергии и вырабатывает напряжение из ничего. Но надо помнить, что для работы усилителя также нужно питание. Классические усилители работают от напряжения -15В и +15В. В такой ситуации наши -8В, которые мы рассчитали, являются реальным напряжением, так как находится в этом диапазоне.

Однако современные усилители часто работают с напряжением 5В и ниже. В такой ситуации нет никаких шансов, чтобы усилитель выдал нам минус 8В на выходе. Поэтому, при проектировании схем всегда помните, что теоретические расчеты всегда нужно подкреплять реальностью и физическими возможностями.

Необходимо отметить, что инвертирующий усилитель имеет один недостаток. Мы уже знаем, что повторитель напряжения не нагружает источник сигнала, поскольку входы усилителя имеют очень большое сопротивление, и потребляют ток так мало, что в большинстве случаев его можно игнорировать (правило №2).

Инвертирующий же усилитель имеет входное сопротивление равное сопротивлению резистора R1, на практике оно составляет от 1к…1М. Для сравнения, усилитель с входами на полевых транзисторах имеет сопротивление порядка сотен мегаом и даже гигаом! Поэтому иногда может быть целесообразно перед усилителем установить повторитель напряжения.

Читайте далее:

Принцип действия операционного усилителя

Генератор тока на операционном усилителе

Принцип работы усилителя звука

Биполярный транзистор принцип работы для чайников

Полевой транзистор принцип работы для чайников

Простейшие схемы с обратной связью

Из рассмотрения принципа работы идеального ОУ следует очень простая методика проектирования схем:

Таким образом, требуемое состояние системы будет устойчивым состоянием равновесия, и система будет в нем находиться неограниченно долго. Пользуясь этим упрощённым подходом, несложно получить простейшую схему неинвертирующего усилителя.

От усилителя требуется наличие на выходе напряжения, отличающегося от входного в K{\displaystyle K} раз, то есть Uout=Uin⋅K{\displaystyle U_{out}=U_{in}\cdot K}. В соответствии с приведённой выше методикой подадим на неинвертирующий вход ОУ сам входной сигнал, а на инвертирующий — часть выходного сигнала с резистивного делителя.

Неинвертирующий усилитель

Расчёт реального коэффициента усиления для идеального (или реального, но который можно с определёнными допущениями считать идеальным) усилителя очень прост. Заметим, что в том случае, когда усилитель находится в состоянии равновесия, напряжения на его входах можно считать одинаковыми. Исходя из этого следует, что падение напряжения на резисторе R1{\displaystyle R_{1}} равно Vin{\displaystyle V_{in}}, а на всём делителе сопротивлением R1+R2{\displaystyle R_{1}+R_{2}}, падает Vout{\displaystyle V_{out}}. Заметим, что, поскольку входное сопротивление операционного усилителя очень велико, то током, поступающим на инвертирующий (−) вход усилителя можно пренебречь, и ток, протекающий через резисторы делителя, можно принять одинаковым. Ток через R1{\displaystyle R_{1}} равен IR1=VinR1{\displaystyle I_{R_{1}}={\frac {V_{in}}{R_{1}}}}, а через весь делитель IR1+R2=VoutR1+R2{\displaystyle I_{R_{1}+R_{2}}={\frac {V_{out}}{R_{1}+R_{2}}}}.

Таким образом:

IR1=IR1+R2{\displaystyle I_{R_{1}}=I_{R_{1}+R_{2}}}

Откуда:

VinR1=VoutR1+R2{\displaystyle {\frac {V_{in}}{R_{1}}}={\frac {V_{out}}{R_{1}+R_{2}}}}

Vout=Vin⋅R1+R2R1=Vin⋅(1+R2R1){\displaystyle V_{out}=V_{in}\cdot {\frac {R_{1}+R_{2}}{R_{1}}}=V_{in}\cdot \left(1+{\frac {R_{2}}{R_{1}}}\right)}

Можно рассуждать немного проще, сразу заметив, что VoutVin=R1+R2R1{\displaystyle {\frac {V_{out}}{V_{in}}}={\frac {R_{1}+R_{2}}{R_{1}}}}.

Следует обратить внимание, что в неинвертирующей схеме включения коэффициент усиления напряжения всегда больше или равен 1, вне зависимости от номиналов используемых резисторов. Если сопротивление R2{\displaystyle R_{2}} равно нулю, то мы получаем неинвертирующий повторитель напряжения имеющий коэффициент усиления напряжения 1.. А поскольку:

А поскольку:

∀n∈R+limn→∞n={\displaystyle \forall n\in \mathbb {R} ^{+}\lim _{n\to \infty }{\frac {0}{n}}=0},

то сопротивление R1{\displaystyle R_{1}} можно попросту убрать, приняв его равным бесконечности.

Таким образом, коэффициент передачи усилителя, построенного на ОУ с достаточно большим усилением, практически зависит только от параметров обратной связи. Это полезное свойство позволяет проектировать системы с очень стабильным коэффициентом передачи, необходимые, например, при измерениях и обработке сигналов.

Инвертирующий усилитель

Для операционного усилителя, включенного по инвертирующей схеме, расчёт при принятых допущениях тоже не представляет сложности. Для этого следует заметить, что напряжение в средней точке делителя, а именно на инвертирующем входе (−) усилителя равно 0 (так называемая виртуальная земля). Отсюда падения напряжения на резисторах равны, соответственно, входному и выходному напряжениям. Ток через резисторы тоже можно принять одинаковым, поскольку через инвертирующий вход (−) ток практически отсутствует, как было указано выше.

Отсюда:

VinRin=−VoutRf{\displaystyle {\frac {V_{in}}{R_{in}}}=-{\frac {V_{out}}{R_{f}}}}

Vout=−Vin⋅RfRin{\displaystyle V_{out}=-V_{in}\cdot {\frac {R_{f}}{R_{in}}}}

Следует обратить внимание, что в инвертирующей схеме включения коэффициент усиления может быть как больше, так и меньше единицы и зависит от номиналов резисторов делителя. То есть усилитель может использоваться как активный аттенюатор (ослабитель) входного напряжения

Преимуществом этого решения над пассивным аттенюатором заключается в том, что с точки зрения источника сигнала аттенюатор выглядит как обычный резистор нагрузки, подключенный между сигналом и землёй (в данном случае так называемой «виртуальной»), то есть является обычной активной нагрузкой (разумеется, без учёта паразитных ёмкостей и индуктивностей). Это значительно упрощает расчёт влияния нагрузки на источник сигнала и их взаимное согласование.

Подводные камни проектирования схем с ОУ

В этой части руководства перечислены типичные проблемы, связанные с работой операционных усилителей, установленных на печатную плату. Эти проблемы разбиты на четыре категории:

  • общие советы;
  • входные каскады;
  • ширина полосы пропускания ОУ;
  • ОУ класса «rail-to-rail» при однополярном питании.

Общие советы

Соблюдайте осторожность при выборе напряжений, подаваемых на выводы питания ОУ. Не превышайте значений, указанных в спецификации на операционный усилитель, и, в то же время, не делайте их слишком маленькими

Высокие значения напряжений приведут к повреждению компонента, а низкие не смогут обеспечить требуемое смещение транзисторов на кристалле ОУ, необходимое для нормальной работы усилителя.
Убедитесь, что отрицательный вывод питания (обычно – земля) действительно подключен к шине с низким потенциалом. Кроме того, убедитесь, что источник положительного напряжения действительно обеспечивает требуемое напряжение относительно отрицательного вывода питания ОУ. Для проверки подключите вольтметр между отрицательным и положительным выводами питания ОУ.
Тщательно проверьте земляную шину, особенно при наличии на плате цифровых узлов. Хорошо продумайте трассировку земляной шины. Если схема содержит много цифровых цепей, подумайте над использованием отдельных слоев земли и питания. Очень сложно, а зачастую просто невозможно убрать из аналогового сигнала помехи, вызванные работой цифровых компонентов.
Развязывайте цепи питания операционных усилителей с помощью блокировочных конденсаторов, располагая их как можно ближе к ОУ. Для КМОП-усилителей обычно рекомендуется использовать конденсаторы емкостью 0,1 мкФ. Также выполните развязку самого источника питания с помощью конденсатора емкостью 10 мкФ.
Используйте короткие проводники на входах ОУ. Если вы применяете для макетирования беспаечные макетные платы, то имейте в виду, что они могут стать причиной появления в схеме паразитных шумов и колебаний. Можно надеяться, что эти проблемы не возникнут при реализации схемы на печатной плате.
Операционные усилители чувствительны к статическому электричеству. Если микросхема будет повреждена, то ОУ либо просто перестанет работать, либо возникнут непонятные погрешности (например, изменится напряжение смещения или входной ток смещения), которые со временем будут только увеличиваться.

Входные каскады

  • Учитывайте диапазон входных напряжений вашего ОУ. Если напряжение на любом из входов усилителя выйдет за допустимые пределы, то на выходе, скорее всего, установится напряжение одной из шин питания.
  • Если ваша схема имеет большой коэффициент усиления, не забывайте о напряжении смещения ОУ. Это напряжение усиливается вместе с полезным сигналом и может «забить» полезный сигнал на выходе усилителя.
  • Не используйте ОУ со входами типа «rail-to-rail», если в этом нет прямой необходимости. Заметим, что такие ОУ обычно требуются только для буферных усилителей и, в некоторых случаях, для реализации инструментальных усилителей. Если схема имеет усиление, то ограничение выходного сигнала в любом случае наступит до возникновения проблем со входом.

Ширина полосы пропускания ОУ

  • Учитывайте ширину полосы пропускания ОУ. Если у вас реализован усилитель с коэффициентом усиления 10, а величина выходного сигнала переменного тока намного меньше ожидаемой, то вам, возможно, следует подыскать усилитель с более широкой полосой пропускания.
  • Для обеспечения устойчивости ОУ обычно достаточно установить конденсатор параллельно резистору в цепи обратной связи усилителя. Но это помогает не всегда. Если усилитель теряет устойчивость, быстрый ее расчет укажет проблему и, возможно, подскажет пути ее решения.

ОУ класса «rail-to-rail» при однополярном питании

  • Операционный усилитель способен отдавать в нагрузку ограниченный ток.
  • Емкостная нагрузка опасна для ОУ. Убедитесь, что используемый усилитель рассчитан на нагрузки, имеющиеся в вашей схеме.
  • Большая редкость, когда операционный усилитель с однополярным питанием действительно обеспечивает полный размах выходного напряжения. На практике предельные значения выходного напряжения большинства таких усилителей отличаются от напряжения каждой из шин питания на 50…200 мВ. Проверьте это по технической документации на ваш усилитель.

Всего один биполярный транзистор

Самая простая схема для буферизации выходного тока операционного усилителя выглядит так:

Рисунок 1 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе

А вот соответствующая схема LTspice:

Рисунок 2 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе в LTspice

Давайте получим четкое понимание идеи этой схемы, прежде чем двигаться дальше. Входной сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, а выход ОУ подключается непосредственно к базе биполярного транзистора. Операционный усилитель и биполярный транзистор могут использовать один и тот же положительный источник питания, но в этом случае мы предполагаем, что доступны два напряжения – источник питания 5 В для маломощных, малошумящих схем и 12 В для мощной части проекта. Значение резистора нагрузки очень низкое, поэтому выходные напряжения более 200 мВ, приложенные непосредственно к нагрузке, потребуют большего выходного тока, чем может обеспечить LT6203. Транзистор, выбранный в схеме LTspice, может работать с токами около 1000 мА, что означает, что он подходит для напряжений на нагрузке до 5 В.

Ключевым моментом этой схемы является соединение обратной связи. Помните «виртуальное короткое замыкание»: при анализе операционного усилителя в схеме с отрицательной обратной связью мы можем предположить, что напряжение на неинвертирующем входе равно напряжению на инвертирующем входе. Уже одно это говорит нам о том, что выходное напряжение (то есть напряжение на нагрузке) будет равно входному напряжению. Но давайте пойдем немного глубже, чтобы убедиться, что мы действительно понимаем, что происходит; виртуальное короткое замыкание – это своего рода суеверие, которое может отвлечь нас от реальной работы операционного усилителя. Операционный усилитель умножает дифференциальное входное напряжение на очень большой коэффициент усиления. Таким образом, с отрицательной обратной связью операционный усилитель быстро достигает равновесия, потому что большие изменения выходного напряжения уменьшают дифференциальное напряжение, которое вызывает эти самые выходные изменения. В этом состоянии равновесия выход стабилизируется при любом напряжении, что устраняет разницу между напряжениями на инвертирующем и неинвертирующем входах – иными словами, операционный усилитель автоматически регулирует свой выходной сигнал любым способом, необходимым для того, чтобы Vвх– было равно Vвх+.

В контексте этой схемы буферизации выходного сигнала операционный усилитель автоматически генерирует любое выходное напряжение, необходимое для того, чтобы сделать напряжение эмиттера биполярного транзистора равным входному напряжению. Подумайте, насколько сложно это было бы в ситуации разомкнутой петли – каким-то образом необходимо было бы рассчитать соотношение между входным и выходным сигналами усилителя, чтобы компенсировать падение напряжения база-эмиттер биполярного транзистора, которое не является ни линейным, ни предсказуемым. Но с операционным усилителем и некоторой отрицательной связью проблема становится тривиальной.

Давайте подкрепим это понимание идеи парой симуляций. Первая не очень захватывающая; она просто подтверждает, что выходное напряжение следует за входным напряжением (график входного напряжения Vin скрыт под графиком выходного напряжения Vout):

Рисунок 3 – График входного и выходного напряжений схемы

На следующем графике показано, что должно быть на выходном выводе операционного усилителя, чтобы обеспечить нужное напряжение на нагрузке.

Рисунок 4 – График входного напряжения схемы, выходного напряжения операционного усилителя и выходного напряжения схемы

Зачем нужны малопотребляющие ОУ и компараторы?

В последнее время появляется все больше устройств с батарейным или аккумуляторным питанием: смартфоны, ноутбуки, фитнес-трекеры, портативные медицинские приборы и так далее. С первого взгляда может показаться, что в этих цифровых приборах совсем не осталось места для дискретных ОУ и компараторов, однако это далеко не так. ОУ и компараторы по-прежнему широко применяются, например, для нормирования сигналов с различных датчиков, создания схем сдвига уровней, буферизации сигналов и прочего. С другой стороны, они отлично справляются с новыми задачами, такими как контроль уровня заряда аккумулятора, измерение тока разряда, мониторинг температуры и так далее. Вместе с тем к ОУ и компараторам, используемым в портативных устройствах с аккумуляторным питанием, предъявляют более жесткие требования, касающиеся потребления, габаритов и диапазона напряжений питания. Рассмотрим их подробнее.

Минимальное потребление. Говоря о потреблении, необходимо понимать, что все познается в сравнении. Например, ОУ с потреблением на уровне единиц или даже десятков мА может без каких-либо особых проблем использоваться в промышленном оборудовании, однако для портативных устройств с батарейным питанием столь высокий собственный ток оказывается неприемлемым сразу по двум причинам. Во-первых, такой ОУ очень быстро «съест» заряд аккумулятора. Во-вторых, мощность, рассеиваемую ОУ, нужно будет куда-то отводить, что не всегда возможно в случае, скажем, современных сверхкомпактных умных часов.

Рассмотрим пример с обычной дисковой батарейкой емкостью 34 мА⋅ч и рабочим диапазоном выходных напряжений 2…3 В . При работе с нагрузкой 2,5 мкА такая батарейка обеспечит длительность автономной работы устройства 18,6 месяцев (без учета саморазряда). Однако если в составе схемы присутствует ОУ с потреблением всего 1,5 мкА (Iq), то срок службы элемента питания сократится на 60%! Таким образом, для подобных приложений требуются ОУ и компараторы с наноамперным уровнем потребления.

Компактные габаритные размеры. В портативных устройствах компараторы и ОУ работают с напряжениями малых значений и редко используются для питания мощной нагрузки, однако им приходится сталкиваться с жестким ограничением свободного пространства. В таких устройствах требуются сверхкомпактные и низкопрофильные корпусные исполнения. Традиционные SOIC-/TSSOP-компоненты попросту не уместятся в умных часах. По этой причине производители либо разрабатывают новые корпусные исполнения, либо применяют самые компактные традиционные корпуса.

В таблице 1 представлены корпусные исполнения современных сверхкомпактных ОУ. Например, компания Maxim Integrated предлагает ОУ в корпусах WLP-6 и WLP-8. Корпус WLP-6 занимает на печатной плате всего 0,84 мм2. Для сравнения, резистор 0603 занимает на плате почти в два раза больше места – 1,32 мм2, а традиционный SOIC-8 в 20 раз больше – 19,11 мм2. Корпус WLP-8 используется для размещения сдвоенных ОУ и компараторов и занимает на плате 1,48 мм2, то есть 0,74 мм2 на один ОУ.

Таблица 1. Обзор корпусных исполнений современных сверхкомпактных ОУ и компараторов

Корпус Габариты, мм Площадь, мм2 Типовое количество ОУ в корпусе
WLP-6 1,1×0,76×0,35 0,84 1
WLP-8 1,63×0,91×0,5 1,48 2
X2QFN-8 1,50×1,50 2,25 2
VSSOP-8 3,0×3,0 9 2
SOT-23-5 2,90×1,60 4,64 1
SOT-23-8 3,0×3,0 9 2
SOIC-8 4,9×3,90 19,11 2
SMT 0603 1,55×0,85×0,45 1,32

Широкий диапазон напряжений питания. У каждого аккумулятора и батарейки есть допустимый диапазон рабочих напряжений. Например, у литиевых элементов питания диапазон рабочих напряжений составляет 2,5…4,2 В, а у Ni-Cd-аккумуляторов всего 0,9…1,45 В. Более глубокий разряд практически неизбежно приведет к деградации аккумулятора. Таким образом, ОУ и компараторы вынуждены работать с однополярным и низковольтным питанием.

Очень часто к ОУ и компараторам, используемым в портативных приборах, предъявляют и дополнительные требования: низкое смещение входного напряжения и тока (для выполнения точных измерений), низкий уровень шума, относительно высокая рабочая частота и так далее.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий