Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу

1 июня 2018

Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях.

Мы будем публиковать перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно, дважды в месяц.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

У разработчиков зачастую возникают вопросы по поводу допустимых значений питающих напряжений, диапазонов входных и выходных напряжений операционных усилителей (ОУ). Я попытаюсь прояснить ситуацию, чтобы устранить часто возникающую путаницу.

Во-первых, у обычного ОУ нет вывода земли. Стандартный операционный усилитель «не знает», какой потенциал считать нулевым. Таким образом, ОУ не различает, работает он с биполярным питанием (dual supply, ±) или с однополярным (single power supply). Схема будет прекрасно функционировать, пока значения питающих, а также входных и выходных напряжений будут находиться в рамках допустимых диапазонов.

Есть три наиболее важных диапазона рабочих напряжений:

• Диапазон питающих напряжений (supply-voltage range) определяется как полное напряжение между выводами питания. Например, при заявленном диапазоне ±15 В полный размах напряжения составит 30 В. Диапазон рабочих напряжений питания для ОУ может быть обозначен как 6…36 В. Тогда минимальный размах напряжений составляет ±3 или +6 В. Максимальный размах будет ±18 или +36 В. Диапазон напряжений питания может составлять и вовсе 6/+30 В. И – да, несимметричное питание также может использоваться, если учесть замечания следующих пунктов.
• Входное синфазное напряжение (common-mode voltage range, СМ) обычно указывается относительно значений рабочих напряжений питания, как показано на рисунке 1. В этом случае в документации используется формульная запись, например, для гипотетического ОУ с синфазным напряжением на 2 В больше отрицательного напряжения питания и на 2,5 В меньше положительного напряжения будет использована примерно такая запись: от (V-)+2 В до (V+)-2,5 В.
• Диапазон выходного напряжения (output-voltage range) или размах выходного напряжения (output-swing capability) так же, как и в предыдущем случае, указывается относительно значений питающих напряжений. В приведенном примере – от (V-)+1 В до (V+)-1,5 В.

На рисунках 1, 2 ,3 представлена буферная схема повторителя напряжения с коэффициентом усиления G = 1. Ключевая особенность схемы заключается в том, что выходное напряжение усилителя на рисунке 1 будет на 2 В больше, чем значение отрицательного напряжения питания, и на 2,5 В меньше, чем значение положительного напряжения питания. Так получается из-за ограниченного значения входного синфазного напряжения CM. Вам потребуется изменить коэффициент усиления, чтобы расширить диапазон выходных напряжений до максимума.

Схема на рисунке 1 является типовой для ОУ с биполярным питанием. Однако использовать однополярное питание также возможно, если не выходить за границы разрешенных диапазонов напряжений.

Рис. 1. Диапазоны входных и выходных напряжений типового ОУ с биполярным питанием (dual supply)

На рисунке 2 представлен так называемый ОУ с однополярным питанием (single-supply op amp). Для него допустимое синфазное напряжение может быть равно размаху напряжения питания, а зачастую даже выходит за его границы. Это позволяет использовать такой ОУ в широком перечне схем, которые работают с близкими к нулю потенциалами. ОУ, который не заявлен как усилитель с однополярным питанием, на самом деле также способен работать в однополярной конфигурации в некоторых схемах, однако реальный однополярный усилитель оказывается более универсальным.

Рис. 2. Диапазоны входных и выходных напряжений типового ОУ с однополярным питанием (single-supply op amp)

В буферной схеме с коэффициентом усиления G = 1 такой ОУ обеспечивает потенциал выхода на 0,5 В выше уровня отрицательного напряжения питания за счет ограничения выходного диапазона и на 2,2 В ниже значения положительного напряжения питания за счет ограничения входного синфазного напряжения.

На рисунке 3 показан rail-to-rail ОУ. Вход rail-to-rail способен работать со входными напряжениями, равными или даже превосходящими уровни питающих напряжений. Выход типа rail-to-rail подразумевает, что выходные напряжения ОУ максимально близки к значениям напряжений питания, и обычно отличаются от них всего на 10…100 мВ. Некоторые ОУ обозначают только как усилители с выходом типа «rail-to-rail» и не упоминают о входных характеристиках, показанных на рисунке 3. Технологию «Rail-to-rail» чаще всего применяют для ОУ с однополярным питанием 5 В и ниже, чтобы максимально эффективно использовать ограниченный диапазон питающих напряжений.

Рис. 3. Диапазоны входных и выходных напряжений типового rail-to-rail ОУ

Усилители rail-to-rail весьма привлекательны благодаря менее жестким ограничениям диапазонов используемых напряжений, однако они не всегда являются оптимальным выбором. Как правило, приходится искать компромиссы с учетом значений других параметров. Именно для этого и нужны разработчики аналоговых схем.

Оригинал статьи

Список опубликованных глав

1. 1. Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу
   2. Что нужно знать о входах rail-to-rail
   3. Работа с напряжениями близкими к земле: случай однополярного питания
   4. Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи — двоюродные братья
   5. SPICE-моделирование напряжения смещения: как определить чувствительность схемы к напряжению смещения
   6. Где выводы подстройки? Некоторые особенности выводов коррекции напряжения смещения
   7. Входной импеданс против входного тока смещения
   8. Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей
   9. Температурная зависимость входного тока смещения и случайный вопрос на засыпку
   10. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
   11. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
   12. Почему в схемах с ОУ возникают колебания: интуитивный взгляд на две наиболее частые причины
   13. Приручаем нестабильный ОУ
   14. Приручаем колебания: проблемы с емкостной нагрузкой
   15. SPICE-моделирование устойчивости ОУ
   16. Входная емкость: синфазная? дифференциальная? или…?
   17. Операционные усилители: с внутренней компенсацией и декомпенсированные
   18. Инвертирующий усилитель с G = -0,1: является ли он неустойчивым?
   19. Моделирование полосы усиления: базовая модель ОУ
   20. Ограничение скорости нарастания выходного сигнала ОУ
   21. Время установления: взгляд на форму сигнала
   22. Шум резисторов: обзор основных понятий
   23. Шумы операционного усилителя: неинвертирующая схема
   24. Шумы ОУ: как насчет резисторов обратной связи?
   25. 1/f-шум: фликкер-шум
   26. ОУ, стабилизированные прерыванием: действительно ли они шумные?
   27. Развязывающие конденсаторы: они нужны, но зачем?
   28. Неиспользуемые операционные усилители: что с ними делать?
   29. Защита входов от перенапряжений
   30. Могут ли дифференциальные ограничительные диоды на входе ОУ влиять на его работу?
   31. ОУ в режиме компаратора: допустимо ли это?

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ