Van Buizen naar Geïntegreerde Schakelingen: De Evolutie van Operationele Versterker Modellen

Wanneer de meeste mensen aan operationele versterkers denken, stellen ze zich silicium‑gebaseerde IC's voor. De vroegste commerciële op‑amps waren echter buisschakelingen.

In 1952 introduceerde George A. Philbrick Researches, Inc. de K2‑W, de eerste algemeen‑doel op‑amp. Het had twee twin‑triode buizen in een octale (8‑pins) sockethuis, wat installatie en service in het chassis van die tijd gemakkelijk maakte.

Het schema toont de twin‑triode montage samen met tien weerstanden en twee condensators – een opvallend simpel ontwerp voor die tijd.

Hoe buizen werken

Buizen gedragen zich als N‑kanaal depletion‑type IGFETs: het stuurgrid leidt meer stroom als het positiever is ten opzichte van de kathode, en minder als het minder positief is. In de K2‑W vormt de linkertwin‑triode een differentieel paar dat de inverterende en niet‑inverterende ingangen omzet in een enkele versterkte uitgang. Een 1 MΩ – 2,2 MΩ spanningsdeler voedt dit signaal naar de linkertriode van de tweede buis, die additionele spanningstersterking biedt en de uitgang inverseert. De tweede triode stuurt dan een niet‑inverterende trap voor stroomversterking. Neongloeibuizen fungeren als spanningregelaars, vergelijkbaar met zener‑diodes, en leveren biasspanning tussen de twee enkelzijdige versterkers.

Met een dubbele voeding van +300 / –300 V kon de K2‑W zijn uitgang slechts ±50 V laten uitzwaaien. Het bood een open‑lusversterking van 15.000 – 20.000, een slew‑rate van ±12 V/µs, een maximale uitgangsstroom van 1 mA, en een ruststroomverbruik van meer dan 3 W (filamentvermogen niet meegeteld). In 1952‑dollars kostte het ongeveer $24.

Vaste‑stof transistoren en de volgende generatie

Transistortechnologie maakte op‑amps mogelijk die veel minder rustvermogen verbruikten en veel betrouwbaarder waren, terwijl ze vergelijkbare prestaties hielden. Philbrick’s 1966 P55A had bijvoorbeeld een open‑lusversterking van 40.000, een slew‑rate van 1,5 V/µs, en een uitgangsuitzwaaiing van ±11 V vanuit een ±15 V voeding. De maximale uitgangsstroom was 2,2 mA, en het werd verkocht voor $49 (ongeveer $21 voor de utility‑graad). De P55A was een discrete‑component ontwerp in een massieve “brick” die leek op een groot IC‑pakket.

Het is mogelijk een basale op‑amp uit discrete onderdelen te bouwen, zoals geïllustreerd door het onderstaande schema. Het differentiële paar gevormd door transistors Q3 en Q4 speelt dezelfde rol als de twin‑triode in de K2‑W, het omzetten van differentiële ingangen in een enkelzijdige uitgang.

Een eenvoudige operationele versterker opgebouwd uit discrete componenten.

Geïntegreerde‑schakeling Revolutie

De introductie van IC's in de midden‑jaren zestig transformeerde op‑amp‑ontwerp. Fairchild bracht de 702, 709 en de nu iconische 741 uit tussen 1964 en 1968. Hoewel de 741 tegenwoordig als verouderd wordt beschouwd, blijft het populair onder hobbyisten omwille van zijn robuustheid en kortsluitbeveiliging.

Intern schema van een 741 op‑amp.

Met SSI‑technologie bevat de 741 slechts een handvol componenten, wat het onpraktisch maakt om te repliceren met discrete onderdelen. Dit illustreert de duidelijke voordelen van zelfs de vroegste IC's over grote discrete‑component‑assemblages.

Prestatievergelijking van populaire op‑amps

Hieronder volgt een selectie van goedkope op‑amps die het bereik van beschikbare prestatiekenmerken illustreren. De 741 is opgenomen als benchmark, hoewel nieuwere ontwerpen de specificaties ver overstijgen.

Wijd gebruikte operationele versterkers

Zoals de tabel toont, varieert de bias‑stroom dramatisch: de CA3130, een MOSFET‑gebaseerd ontwerp, levert een verbazingwekkende 0,05 nA (50 pA) bias‑stroom, terwijl de LM833, die bipolaire transistors gebruikt, meer dan 1 µA kan trekken. De ingangsimpedantie van de CA3130 wordt geadverteerd als 1,5 TΩ (1,5 × 10¹² Ω).

Hoewel de 741 een vastbestand is in leerboeken, is zijn prestatie ingehaald door moderne apparaten. Bijvoorbeeld, de LM1458 deelt het 741‑pakket maar biedt een bredere voedingrange, een 50‑voud hogere slew‑rate, en bijna het dubbele van de uitgangsstroom, allemaal terwijl kortsluitbeveiliging behouden blijft.

Hier zijn mijn aanbevelingen:

• Lage‑bias‑stroom schakelingen (bijv. lage‑snelheids integrators): CA3130.
• Algemeen‑doel DC‑versterking: LM1458 (twee op‑amps in één 8‑pins DIP).
• Hogere bandbreedte: LF353 (JFET invoer, vier keer de bandbreedte van de LM1458).
• Lage‑spanning werking: LM324 (werkt op slechts 3 V, biedt vier op‑amps in een 14‑pins pakket).
• Hoog‑frequentie AC‑versterking: LM318.

Hoog‑bandbreedte en Hoog‑stroom Op‑amps

Special‑purpose op‑amps leveren uitzonderlijke prestaties tegen bescheiden kosten. De volgende tabellen benadrukken modellen geoptimaliseerd voor bandbreedte of stroomuitgang.

Hoog‑bandbreedte operationele versterkers

De CLC404 kost $21,80, vergelijkbaar met de prijs van de oorspronkelijke K2‑W in 1952‑dollars. De CLC425 is betaalbaarder tegen $3,23 per eenheid. Behalen hoge snelheid ten koste van hogere bias‑stroom en striktere voedingranges.

Hoog‑stroom operationele versterkers

De LM12CL kan een verbazingwekkende 13 A uitgangsstroom leveren tegen een prijs van $14,40. In tegenstelling biedt de LM7171 een hoge slew‑rate (4 kV/µs) voor slechts $1,19.

Voor ontwerpen die extreme precisie of herhaalbaarheid vereisen, leveren fabrikanten zoals Burr‑Brown en Analog Devices voorge‑engineerde instrumentatie‑versterkers en andere gespecialiseerde apparaten. Hoewel deze blokken duurder zijn dan blote op‑amps, vereenvoudigen ze schakelontwerp en verbeteren vaak de betrouwbaarheid.

GERELATEERD WERKBLAD:

• Basis Operationele Versterkers Werkblad