Операционные усилители: с внутренней компенсацией и декомпенсированные

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 публикуем перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

Операционные усилители с внутренней частотной компенсацией (Unity-gain-stable) являются устойчивыми даже при работе в схеме с единичным усилением G = +1, в которой выходной сигнал полностью поступает обратно на инвертирующий вход. Будет не совсем правильно называть такую конфигурацию худшим вариантом по запасу устойчивости. Лучше называть ее общепринятой тестовой схемой.

Декомпенсированные операционные усилители имеют компенсационные конденсаторы меньшей емкости, которые обеспечивают более широкую полосу пропускания (GBW) и более высокую скорость нарастания. Увеличение скорости нарастания обычно требует повышенной мощности, но за счет уменьшения емкости тот же базовый операционный усилитель может быть значительно быстрее при том же рабочем токе. Однако такие ОУ не являются устойчивыми в схеме с единичным усилением — они должны использоваться с коэффициентом усиления, значительно превышающим единицу.

На рисунке 41 показана критическая часть АЧХ для идеализированной пары усилителей: со встроенной компенсацией и декомпенсированного. Декомпенсированная версия имеет в пять раз более широкую полосу пропускания GBW: 10 МГц против 2 МГц. Скорость изменения АЧХ для обоих ОУ примерно одинакова. Стоит отметить, что частота единичного усиления для компенсированного ОУ немного меньше, чем его GBW, для таких случаев это обычное явление. Частота единичного усиления декомпенсированного усилителя составляет половину его GBW. Нет смысла работать с таким усилителем при коэффициенте шумового усиления, близком к частоте единичного усиления, поскольку второй полюс на частоте 3 МГц сильно влияет на значение коэффициента усиления/фазы в этой области. Запас по фазе здесь будет недостаточным.

Рис. 41. АЧХ для идеализированной пары усилителей: ОУ со встроенной компенсацией и декомпенсированного ОУ

Рис. 41. АЧХ для идеализированной пары усилителей: ОУ со встроенной компенсацией и декомпенсированного ОУ

Может показаться, что работа декомпенсированных операционных усилителей довольно таинственна, и по этой причине некоторые пользователи не знают, будут их схемы устойчивыми или нет. На рисунке 42a показана распространенная ошибка. Хотя этот усилитель имеет коэффициент усиления 10, конденсатор обратной связи открывает путь для высокочастотных составляющих. Этот конденсатор является виртуальным коротким замыканием на высоких частотах, где возникают проблемы устойчивости. Нет ничего страшного в том, чтобы использовать конденсатор обратной связи небольшой емкости, чтобы компенсировать цепь обратной связи для получения плоской АЧХ, но большая емкость обязательно создаст проблемы.

Аналогично, использование декомпенсированного ОУ при создании активного фильтра с множественной обратной связью обязательно вызовет проблемы вне зависимости от частоты среза фильтра (рисунок 42б). Интегратор представляет собой еще одно приложение, не подходящее для использования декомпенсированных операционных усилителей (рисунок 42в).

Рис. 42. Варианты ошибочных схем с декомпенсированным ОУ

Рис. 42. Варианты ошибочных схем с декомпенсированным ОУ

Компания TI совершенствует свои операционные усилители и технологии их производства. Сейчас мы можем изготовить усилитель с потреблением в несколько сот микроампер, в то время как раньше такой же усилитель потреблял несколько миллиампер. По этой причине современный ОУ со встроенной компенсацией по скорости и мощности приближается к более старым декомпенсированным усилителям или даже превосходит их. Тем не менее, декомпенсированный операционный усилитель может быть лучшим решением для некоторых приложений.

Сразу хочу внести ясность – я не пытаюсь убедить вас использовать декомпенсированные усилители вместо усилителей со встроенной компенсацией. У каждого из них есть свои достоинства, и вы можете выбирать между ними с учетом особенностей конкретного приложения. Однако вне зависимости от вашего выбора необходимо четко понимать, в чем заключаются их различия. Если вы не уверены, какой ОУ лучше использовать в вашей схеме, то можно попросить помощи на форуме Precision Amplifers в сообществе T2 E2E.

Вот несколько пар декомпенсированных и компенсированных ОУ:

  • OPA228 (OPA227 – компенсированная версия) – прецизионный малошумящий биполярный операционный усилитель;
  • OPA637 (OPA627 – компенсированная версия) – прецизионный высокоскоростной JFET-операционный усилитель;
  • OPA345 (OPA344 – компенсированная версия) – rail-to-rail КМОП-операционный усилитель;
  • LMP7717 (LMP7715 – компенсированная версия) – КМОП-операционный усилитель с полосой пропускания 88 МГц.

Список ранее опубликованных глав

  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…?
•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее

Товары
Наименование
OPA228P (TI)
OPA228PG4 (TI)
OPA228UA/2K5 (TI)
OPA637AP (TI)
OPA637AU/2K5E4 (TI)
OPA637BM1 (TI)
OPA345NA/250G4 (TI)
OPA345UA (TI)
OPA345NA/3K (TI)
LMP7717MA (TI)
LMP7717MAX/NOPB (TI)
LMP7717MA/NOPB (TI)
OPA2277UA/2K5 (TI)
OPA2277U/2K5 (TI)
OPA2277U (TI)
OPA627BP (TI)
OPA627AU (TI)
OPA627AP (TI)
OPA344NA/250 (TI)
OPA344PA (TI)