Operationele versterkermodellen
Terwijl de vermelding van operationele versterkers typisch visioenen oproept van halfgeleiderapparaten die zijn gebouwd als geïntegreerde schakelingen op een miniatuur siliciumchip, waren de eerste op-amps eigenlijk vacuümbuiscircuits. De eerste commerciële, algemene operationele versterker werd vervaardigd door de George A. Philbrick Researches, Incorporated, in 1952. Aangeduid als de K2-W, werd gebouwd rond twee twin-triode buizen gemonteerd in een samenstel met een octaal (8-pins) stopcontact voor eenvoudige installatie en onderhoud in elektronische apparatuurchassis uit die tijd. De montage zag er ongeveer zo uit:
Het schematische diagram toont de twee buizen, samen met tien weerstanden en twee condensatoren, een vrij eenvoudig circuitontwerp, zelfs volgens de normen van 1952:
Hoe werken vacuümbuizen?
Voor het geval u niet bekend bent met de werking van vacuümbuizen, ze werken op dezelfde manier als N-kanaals depletion-type IGFET-transistoren:dat wil zeggen, ze geleiden meer stroom wanneer het stuurrooster (de stippellijn) positiever wordt gemaakt met betrekking tot de kathode (de gebogen lijn bij de onderkant van het buissymbool), en geleidt minder stroom wanneer het stuurrooster minder positief (of negatiever) is gemaakt dan de kathode. De dubbele triode-buis aan de linkerkant functioneert als een differentieel paar , waarbij de differentiële ingangen (inverterende en niet-inverterende ingangsspanningssignalen) worden omgezet in een enkel versterkt spanningssignaal dat vervolgens via een spanningsdeler (1 MΩ-2,2 MΩ) naar het stuurrooster van de linker triode van het tweede triodepaar wordt gevoerd. Die triode versterkt en inverteert de uitvoer van het differentiële paar voor een grotere spanningsversterking, waarna het versterkte signaal wordt gekoppeld aan de tweede triode van dezelfde dubbele triodebuis in een niet-inverterende versterkerconfiguratie voor een grotere stroomversterking. De twee neon-gloeibuizen werken als spanningsregelaars, vergelijkbaar met het gedrag van halfgeleider-zenerdiodes, om een voorspanning te leveren in de koppeling tussen de twee single-ended versterkertriodes.
Met een dubbele voedingsspanning van +300/-300 volt, kon deze op-amp zijn output slechts +/- 50 volt schommelen, wat erg slecht is volgens de huidige normen. Het had een open-lus spanningsversterking van 15.000 tot 20.000, een slew rate van +/- 12 volt/µseconde, een maximale uitgangsstroom van 1 mA, een stroomverbruik in rust van meer dan 3 watt (exclusief vermogen voor de filamenten van de buizen !), en kostte ongeveer $ 24 in 1952-dollars. Betere prestaties hadden kunnen worden bereikt met een meer geavanceerd circuitontwerp, maar alleen ten koste van een hoger stroomverbruik, hogere kosten en verminderde betrouwbaarheid.
Impact van solid-state transistors op op-amps
Met de komst van solid-state transistors werden op-amps met veel minder rustig stroomverbruik en verhoogde betrouwbaarheid haalbaar, maar veel van de andere prestatieparameters bleven ongeveer hetzelfde. Neem bijvoorbeeld Philbrick's model P55A, een solid-state op-amp voor algemeen gebruik uit circa 1966. De P55A had een open-loop gain van 40.000, een slew rate van 1,5 volt/µseconde en een uitgangszwaai van +/- 11 volt ( bij een voedingsspanning van +/- 15 volt), een maximale uitgangsstroom van 2,2 mA en een kostprijs van $ 49 (of ongeveer $ 21 voor de "utility grade" -versie). De P55A, evenals andere op-amps in de toenmalige line-up van Philbrick, had een constructie met discrete componenten, de samenstellende transistors, weerstanden en condensatoren waren ondergebracht in een solide "steen" die leek op een groot geïntegreerd circuitpakket.
Het is niet erg moeilijk om een ruwe operationele versterker te bouwen met discrete componenten. Een schema van zo'n circuit wordt getoond in onderstaande afbeelding.
Een eenvoudige operationele versterker gemaakt van discrete componenten.
Hoewel de prestaties naar moderne maatstaven nogal somber zijn, toont het aan dat complexiteit niet nodig is om een minimaal functionele op-amp te creëren. Transistors Q3 en Q4 vormen het hart van een ander differentieel paarcircuit, het halfgeleiderequivalent van de eerste triodebuis in het K2-W-schema. Zoals het was in het vacuümbuiscircuit, is het doel van een differentieel paar om een differentiële spanning tussen de twee ingangsklemmen te versterken en om te zetten in een enkelzijdige uitgangsspanning.
Impact van technologie voor geïntegreerde schakelingen op op-amp-ontwerpen
Met de komst van IC-technologie (geïntegreerde circuits), hebben op-amp-ontwerpen een dramatische toename van prestaties, betrouwbaarheid, dichtheid en zuinigheid ervaren. Tussen de jaren 1964 en 1968 introduceerde het Fairchild-bedrijf drie modellen IC-op-amps:de 702, 709 en de nog steeds populaire 741. Hoewel de 741 nu als verouderd wordt beschouwd in termen van prestaties, is hij nog steeds een favoriet onder hobbyisten vanwege zijn eenvoud en fouttolerantie (bijvoorbeeld kortsluitbeveiliging op de uitgang). Persoonlijke ervaring met het misbruiken van veel 741 op-amps heeft me tot de conclusie gebracht dat het een harde chip is om te doden. . .
Het interne schematische diagram voor een model 741 op-amp wordt getoond in onderstaande afbeelding.
Schema van een model 741 op-amp.
Volgens de normen voor geïntegreerde schakelingen is de 741 een heel eenvoudig apparaat:een voorbeeld van kleinschalige integratie , of SSI technologie. Het zou geen geringe zaak zijn om deze schakeling te bouwen met discrete componenten, zodat u de voordelen kunt zien van zelfs de meest primitieve technologie voor geïntegreerde schakelingen ten opzichte van discrete componenten waar veel onderdelen bij betrokken zijn.
Vergelijking van prestatiespecificaties van sommige op-amps
Voor de hobbyist, student of ingenieur die betere prestaties wenst, zijn er letterlijk honderden op-amp-modellen om uit te kiezen. Velen verkopen voor minder dan een dollar per stuk, zelfs in de detailhandel! Instrumentatie voor speciale doeleinden en op-amps voor radiofrequentie (RF) kunnen een stuk duurder zijn. In deze sectie zal ik verschillende populaire en betaalbare op-amps laten zien, waarbij ik hun prestatiespecificaties vergelijk en contrasteer. De eerbiedwaardige 741 is ter vergelijking opgenomen als een "benchmark", hoewel het, zoals ik al eerder zei, als een verouderd ontwerp wordt beschouwd.
Veel gebruikte operationele versterkers
In de bovenstaande tabel staan slechts enkele van de goedkope operationele versterkermodellen die algemeen verkrijgbaar zijn bij elektronicaleveranciers. De meeste zijn verkrijgbaar via winkels voor detailhandel, zoals Radio Shack. Ze kosten allemaal minder dan $ 1,00 rechtstreeks van de fabrikant (prijzen van het jaar 2001). Zoals u kunt zien, is er een aanzienlijke variatie in prestaties tussen sommige van deze eenheden. Neem bijvoorbeeld de parameter van ingangsbiasstroom:de CA3130 wint de prijs voor de laagste, bij 0,05 nA (of 50 pA), en de LM833 heeft de hoogste bij iets meer dan 1 µA. Het model CA3130 bereikt zijn ongelooflijk lage biasstroom door het gebruik van MOSFET-transistoren in de ingangstrap. Een fabrikant adverteert de ingangsimpedantie van de 3130 als 1,5 tera-ohm, of 1,5 x 10 12 ! Andere op-amps die hier worden getoond met lage voorspanningsstroomcijfers gebruiken JFET-ingangstransistors, terwijl de hoge voorspanningsstroommodellen bipolaire ingangstransistoren gebruiken.
Hoewel de 741 in veel elektronische projectschema's wordt gespecificeerd en in veel schoolboeken wordt getoond, zijn zijn prestaties al lang in alle opzichten overtroffen door andere ontwerpen. Zelfs sommige ontwerpen die oorspronkelijk op de 741 waren gebaseerd, zijn in de loop der jaren verbeterd om de oorspronkelijke ontwerpspecificaties ver te overtreffen. Een voorbeeld hiervan is het model 1458, twee op-amps in een 8-pins DIP-pakket, dat ooit exact dezelfde prestatiespecificaties had als de enkele 741. In zijn laatste incarnatie heeft het een breder voedingsspanningsbereik, een snelheid 50 keer zo groot, en bijna twee keer de uitgangsstroomcapaciteit van een 741, terwijl de kortsluitbeveiligingsfunctie van de 741 nog steeds behouden blijft. Op-amps met JFET- en MOSFET-ingangstransistors ver overtreffen de prestaties van de 741 in termen van biasstroom, en slagen er over het algemeen ook in om de 741 te verslaan in termen van bandbreedte en slew rate.
Mijn eigen persoonlijke aanbevelingen voor op-amps zijn als volgt:wanneer lage biasstroom een prioriteit is (zoals in low-speed integratorcircuits), kies dan de 3130. Voor algemeen gebruik van DC-versterkers biedt de 1458 goede prestaties (en u krijg twee op-amps in de ruimte van één pakket). Kies voor een upgrade in prestaties het model 353, aangezien het een pin-compatibele vervanging is voor de 1458. De 353 is ontworpen met JFET-ingangscircuits voor een zeer lage biasstroom, en heeft een bandbreedte die 4 keer zo groot is als de 1458, hoewel de uitgangsstroomlimiet is lager (maar nog steeds beveiligd tegen kortsluiting). Het is misschien moeilijker te vinden op de plank van uw plaatselijke elektronicabedrijf, maar het is net zo redelijk geprijsd als de 1458.
Als een lage voedingsspanning een vereiste is, raad ik het model 324 aan, omdat deze werkt op slechts 3 volt gelijkstroom. De stroomvereisten voor ingangsbias zijn ook laag en het biedt vier op-amps in een enkele 14-pins chip. Zijn grootste zwakte is snelheid, beperkt tot 1 MHz bandbreedte en een output slew rate van slechts 0,25 volt per µs. Voor hoogfrequente AC-versterkercircuits is de 318 een zeer goed model voor "algemeen gebruik".
Voorbeelden van opamps met hoge bandbreedte en hoge stroomsterkte
Op-amps voor speciale doeleinden zijn beschikbaar voor bescheiden kosten die betere prestatiespecificaties bieden. Veel van deze zijn op maat gemaakt voor een specifiek type prestatievoordeel, zoals maximale bandbreedte of minimale biasstroom. Neem bijvoorbeeld de op-amps, beide ontworpen voor hoge bandbreedte in onderstaande tabel.
Hoge bandbreedte operationele versterkers
De CLC404 staat op $ 21,80 (bijna net zoveel als de eerste commerciële op-amp van George Philbrick, zij het zonder correctie voor inflatie), terwijl de CLC425 een stuk goedkoper is met $ 3,23 per eenheid. In beide gevallen wordt een hoge snelheid bereikt ten koste van hoge instelstromen en beperkende voedingsspanningsbereiken. Sommige op-amps, ontworpen voor een hoog uitgangsvermogen, staan vermeld in de onderstaande tabel.
Hoge stroom operationele versterkers
Ja, de LM12CL heeft een uitgangsstroom van 13 ampère (13.000 milliampère)! Het staat op $ 14,40, wat niet veel geld is, gezien de brute kracht van het apparaat. De LM7171 daarentegen ruilt een hoog stroomuitgangsvermogen in voor een snel uitgangsvermogen van de spanning (een hoge slew rate). Het staat op $ 1,19, ongeveer net zo laag als sommige "algemene" op-amps.
Versterkerpakketten kunnen ook worden gekocht als complete applicatiecircuits in tegenstelling tot kale operationele versterkers. De bedrijven Burr-Brown en Analog Devices, bijvoorbeeld, beide al lang bekend om hun productlijnen voor precisieversterkers, bieden instrumentatieversterkers in vooraf ontworpen pakketten, evenals andere gespecialiseerde versterkerapparaten. In ontwerpen waar hoge precisie en herhaalbaarheid na reparatie belangrijk is, kan het voordelig zijn voor de circuitontwerper om zo'n vooraf ontworpen versterker "blok" te kiezen in plaats van het circuit te bouwen uit individuele op-amps. Natuurlijk kosten deze units doorgaans behoorlijk wat meer dan individuele op-amps.
GERELATEERD WERKBLAD:
- Werkblad voor eenvoudige operationele versterkers
Industriële technologie