Г.Штрапенин

Быстродействующие операционные усилители фирмы National Semiconductor

Основанная в 1959 году фирма NATIONAL SEMICONDUCTOR прошла огромный путь от производства первых дискретных транзисторов до сложнейших компонентов современных информационных устройств. Распологая научными и технологическими возможностями создания приборов с уровнем интеграции от базовых стандартных блоков и однокристальных систем до высокопроизводительных многокристальных и многофункциональных комплектов и сочетая технологии аналоговой и цифровой техники, фирма реализует оптимальные решения для потребительского и коммуникационного рынков в широком диапазоне номенклатуры изделий, в том числе, и базовых элементов аналоговой электроники. Значительный интерес для разработчиков современной радиоэлектронной аппаратуры представляют выпускаемые фирмой быстродействующие интегральные операционные усилители (ОУ), параметры которых соответствуют мировому уровню при ценах изделий существенно меньших, чем у других фирм.

В последнее время в схемотехнике быстродействующих ОУ определились два направления. Первое из них — это операционные усилители, построенные по традиционной для всех ОУ структурной схеме, включающей входной усилитель с дифференциальным входом, имеющий гигантское входное сопротивление, и, соответственно, ничтожно малые входные токи как неинвертирующего (+), так и инвертирующего (-) входа. Структурная схема подобного усилителя, получившего за рубежом название Voltage Feedback Amplifier (VFA — усилитель с обратной связью по напряжению), приведена на рис. 1а.

Рисунок 1. Структурные схемы операционных усилителей с обратной связью по напряжению VFA (а) и токовой обратной связью CFA (б)

Основной передаточный параметр данного усилителя — коэффициент усиления по напряжению А = Vo/Vd, где Vo — выходное напряжение; Vd — дифференциальное входное напряжение. Отметим, что в русскоязычной технической литературе устоявшийся термин "обратная связь по напряжению" обычно означает способ формирования напряжения обратной связи на выходе усилителя пропорционально выходному напряжению последнего. В данном же случае имеется в виду тот факт, что для VFA ошибкой, усиливаемой усилителем при введении общей отрицательной обратной связи, является напряжение Vd. Рассмотрим типовую схему неинвер-тирущего усилителя на ОУ VFA с отрицательной обратной связью (ООС), изображенную на рис. 2.

Рисунок 2. Неинвертирующий усилитель с отрицательной обратной связью

Если входное напряжение равно V_о, полагая входное сопротивление ОУ бесконечным, можно записать

Выразив Vd через коэффициент усиления А, после преобразований получим

где G = 1 + R2/R1. В приближении А » G выражение (2) представляет собой известную формулу для коэффициента усиления идеального ОУ с ООС Av = 1 + R2/R1.

Большинство выпускаемых ОУ VFA обычно скорректированы для устойчивой работы с любым коэффициентом усиления вплоть до единичного, что достигается введением в микросхему корректирующего конденсатора, обеспечивающего постоянный спад амплитудно-частотной характеристики -20 дБ на декаду. Выпускаются также усилители без внутренней коррекции, при их использовании в схемах с ООС применяются внешние компенсирующие элементы — одна или несколько RC-цепей, обеспечивающие необходимый для устойчивого усиления запас по фазе. Для скорректированного ОУ амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) имеет вид, изображенный на рис. За, и описывается выражением (2) при соответствующей частотной зависимости коэффициента А. Как видно из рисунка, произведение величины коэффициента усиления с ООС Av на полосу усиливаемых частот для VFA будет постоянной величиной, а максимальная полоса частот f, (Gain Bandwidth) — важный параметр быстродействующих ОУ, соответствует коэффициенту усиления Av = 1.

Рисунок 3. АЧХ усилителей на ОУ VFA (а) и CFA (б) при разных коэффициентах усиления по напряжению

Другой определяющий параметр — скорость нарастания выходного напряжения (Slew Rate) в первом приближении связан со временем перезаряда корректирующего конденсатора ОУ, как схематично показано на рис. 4а. Ток заряда и разряда конденсатора при любом входном сигнале ограничен величиной тока генератора I, определяющего режим входной дифференциальной пары транзисторов, и таким образом скорость нарастания выходного напряжения ОУ VFA лимитирована величиной 1/С.

Рисунок 4. Ограничение скорости нарастания выходного напряжения для операционных усилителей VFA (а) и CFA (б)

Второе направление в схемотехнике быстродействующих ОУ получило название Current Feedback Amplifier (CFA — усилитель с токовой обратной связью). Разработку и изготовление подобных усилителей фирма NATIONAL SEMICONDUCTOR начала в конце 80-х годов и в настоящее время выпускает более десяти различных типов таких ОУ.

Поскольку в русскоязычной литературе принципы построения и работы ОУ CFA освещены недостаточно, мы коротко изложим их ниже. Структурная схема ОУ CFA приведена на рис. 16 и состоит из буферного усилителя 1 с единичным коэффициентом усиления с большим входным и малым выходным сопротивлением, включенного между неинвертирую-щим и инвертирующим входами, и преобразователя "ток —> напряжение" с коэффициентом передачи Z = Vo/In, имеющим размерность сопротивления и называемом Transimpedance. При включении ОУ CFA с отрицательной обратной связью (рис. 2), через инвертирующий вход протекает ток ошибки 1п, пропорциональный входному напряжению на неинвертирующем входе. Через резистор обратной связи R2, соединяющий выход усилителя и инвертирующий вход, происходит компенсация тока ошибки с тем, чтобы результирующий ток через инвертирующий вход стремился к нулю. Таким образом, в ОУ CFA так же, как и в ОУ VFA, отрицательная обратная связь компенсирует погрешность усилителя: для VFA это дифференциальное напряжение Vd, a для CFA — ток ошибки In .

Типовая схема неинвертирующего усилителя на ОУ CFA с отрицательной обратной связью (ООС) такая же, как и для VFA, изображенная на рис. 2. В этом случае можно записать

Выразив Iп через коэффициент передачи Z, после преобразований получим

В приближении Z >> R2 выражение (4) сводится к известной формуле для коэффициента усиления идеального ОУ с ООС Av = 1 + R2/R1. Однако если коэффициент Z имеет частотную зависимость, аналогичную частотной зависимости коэффициента А для VFA, появляется возможность, подбирая (в определенных пределах) сопротивление резисторов R1 и R2 в цепи ООС, получить весьма широкую полосу усиливаемых частот, практически не зависящую от коэффициента усиления, как это показано на рис. 36. Таким образом, усилители на CFA с ООС получаются более широкополосными, чем усилители на VFA.

Принципиально достижимая скорость нарастания выходного напряжения у усилителей CFA также выше, чем у VFA и определяется временем перезаряда конденсатора Ceq (рис. 46). Заряд и разряд конденсатора происходит разностным током I токовых зеркал СМ, который пропорционален входному сигналу и теоретически ограничен только размерами транзисторов микросхемы.

Отметим, что проектирование широкополосных усилителей на CFA предполагает тщательный подбор сопротивлений резисторов R1 и R2 для конкретного типа ОУ в зависимости от требуемого коэффициента усиления и полосы усиливаемых частот, требуется также учитывать ряд эффектов неидеальности, в частности, ненулевое выходное сопротивление буферного усилителя и влияние паразитных емкостей. Определенным недостатком усилителей CFA, по сравнению с усилителями VFA, является также их меньшая точность, особенно заметная при больших коэффициентах усиления, связанная с тем, что напряжение смещения для CFA определяется разностью напряжений база-эмиттер транзисторов разной структуры. Проблему эту в значительной степени удалось решить разработкой фирменных технологических процессов изготовления интегральных комплементарных транзисторов National Semiconductor VIP™ 10 и VIP™ 11. А поскольку для многих приложений на первый план выдвигаются скоростные характеристики ОУ, тем более, что для высокочастотных схем очень большие коэффициенты усиления обычно не востребованы, ОУ с токовой обратной связью CFA оказываются очень перспективными для применения в различных быстродействующих устройствах.

Рисунок 5. АЧХ и ФЧХ неинвертирующего усилителя напряжения с коэффициентом усиления Av = 2 на интегральном ОУ National Semiconductor LM6715 при различных сопротивлениях резистора обратной связи R2

В качестве иллюстрации возможностей усилителей с ООС на CFA на рис. 5 приведены амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики неинвертирующего усилителя напряжения с коэффициентом усиления Av = 2 на интегральном ОУ National Semiconductor LMH6715 при различных сопротивлениях резистора обратной связи R2. Как видно из рисунка, сопротивление резистора может изменяться в диапазоне от 200 до 700 Ом. Оптимальным, очевидно, является сопротивление 300 Ом, при котором спад усиления -1 дБ наблюдается на частоте 300 МГц при достаточном запасе по фазе. На рис. 6 приведены значения оптимального сопротивления резистора обратной связи R2 для различных значений коэффициента усиления А. Значение сопротивления резистора R, определяется согласно требуемой величине Av = 1 + R2/Rr

Рисунок 6. Зависимость величины оптимального сопротивления резистора обратной связи R2 от коэффициента усиления для неинвертирующего усилителя напряжения на интегральном ОУ National Semiconductor LM6715

Область возможного применения быстродействующих ОУ National Semiconductor достаточно широка. Весьма эффективно их использование в видеосистемах. Расчет показывает, что если для усилителя видеосигнала монитора с разрешением 640x480 и кадровой частотой 60 Гц необходима скорость нарастания выходного напряжения и частота единичного усиления 107 В/мкс и 27 МГц, соответственно, то при разрешении 1600x1200 и частоте кадров 85 Гц эти параметры составляют уже 950 В/мкс и 240 МГц. Очень важными параметрами для усилителей видеосигналов являются также искажения типа "дифференциальное усиление" [Differential Gain — DG) и "дифференциальная фаза" [Differential Phase— DP), заметно влияющие на качество цветного изображения в системах NTSC и PAL Дифференциальное усиление характеризует зависимость амплитуды цветовой поднесущей от уровня сигнала яркости и измеряется в процентах по изменению уровня синусоидальной насадки с частотой поднесущей цветности на ступенчатом сигнале яркости. Дифференциальная фаза характеризует зависимость фазового сдвига цветовой поднесущей от амплитуды сигнала яркости и определяется как разница между максимальным и минимальным значениями сдвига фазы синусоидальной насадки с частотой поднесущей на ступенчатом сигнале яркости. Быстродействующие ОУ National Semiconductor для видеосистем имеют ничтожно малый уровень искажений DG и DP, соответствующий самой высококлассной видеоаппаратуре.

Схемотехника устройств на быстродействующих ОУ National Semiconductor весьма разнообразна. Для примера на рис. 7 приведена схема кабельного магистрального усилителя на ОУ CFA LMH6714. Усилитель выполнен по дифференциальной схеме и рассчитан на подключение кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом. В схеме возможно и применение ОУ VFA, например, LMH6609.

Рисунок 7. Схема кабельного магистрального усилителя на ОУ LMH6714

Перейдем теперь к описанию интегральных микросхем быстродействующих ОУ National Semiconductor. Параметры рассмотренных усилителей приведены в таблице, а на рис. 8 схематично представлено соотношение частоты единичного усиления (BW) и скорости нарастания выходного напряжения (SR) для некоторых типов ОУ. Максимальная величина BW достигает 1,5 ГГц для LMH6624, а максимальная величина SR составляет 4100 В/мкс для LM7171. Отметим, что ОУ с рекордными значениями отдельных параметров выполнены по схемотехнике VFA, в то время как в усилителях CFA серии 1_МН67хх наблюдается сочетание высоких значений BW и SR, недостижимое для усилителей VFA.

Малошумящий сдвоенный низковольтный усилитель LMH6622 скорректирован для коэффициента усиления А > 2 и предназначен для использования в приемной аппаратуре систем передачи данных. Имеет чрезвычайно низкий уровень входных шумов 1,6 нВ и 1,5 пА и очень малые нелинейные искажения (уровень 2-й гармоники -90 дБ).

Рекордно широкую полосу частот 1500 МГц и очень малые шумы обеспечивает ОУ LMH6624 (сдвоенный вариант LMH6624 - 1300 МГц). Усилитель скорректирован для использования в устройствах с коэффициентом передачи 10 и более, имеет очень низкое напряжение смещения 0,1 мВ с нормируемым температурным дрейфом 0,1 мкВ/град, что приближает его параметры к прецизионным усилителям. Предназначен для применения в широкополосных фильтрах, технике связи и медицинской аппаратуре. Работает при одно- и двухполярном напряжении с размахом от 5 до 15 В.

Малые шумы и погрешности характерны для сдвоенного широкополосного усилителя LMH6628, у которого относительный уровень 2/3-й гармоники на частоте 10 МГц составляет -65/-74 дБ, соответственно, а время установления выходного напряжения с точностью 0,1% — 12 нс. Это делает данный усилитель незаменимым при разработке быстродействующих аналоговых преобразователей и устройств ввод/вывода.

Заслуживает внимания быстродействующий сдвоенный усилитель LMH6672 с максимальным выходным током 600 мА. Усилитель скорректирован для коэффициента усиления 2 и более, обеспечивая полосу пропускания 130 МГц и скорость нарастания выходного напряжения 160 В/мкс. ОУ имеет малый уровень шумов, предусмотрена балансировка. Выпускается в корпусах SOIC, PSOP и LLP. Предназначен для использования в качестве магистрального усилителя, а также в модемах и аналогичных устройствах.

Усилители LMH6642/3/4 (одиночный/сдвоенный/счетверенный) — это низковольтные экономичные быстродействующие VFA ОУ с Rail to Rail выходом. Потребляемый ток — 2,7 мА на канал, частота единичного усиления — 130 МГц, скорость нарастания выходного напряжения — 130 В/мкс, типовое значение выходного тока — 115 мА. Малое время установления выходного напряжения 68 нс и низкие искажения, эффективная защита от короткого замыкания и выводы для балансировки делают эти микросхемы оптимальными для использования во многих электронных устройствах, таких как активные фильтры, портативная видеоаппаратура и других.

Широкополосный (190 МГц, 170 В/мкс) усилитель с однополярным питанием и Rail to Rail выходом LMH6639 способен обеспечить выходной ток 190 мА. Имеется режим блокировки (Shutdown)с временем включения 85 нс, в котором ток потребления снижается до 400 мкА. Вкупе с малым временем установки выходного напряжения 33 нс, данный усилитель прекрасно подходит для работы в устройствах с мультиплексированием, в качестве буферного усилителя, устройствах привода CD ROM и т.п.

Усилители LMH6654/5 (одиночный/ сдвоенный) более широкополосные. При токе потребления 4,5 мА на канал, частота единичного усиления равна 250 МГц, скорость нарастания выходного напряжения — 200 В/мкс, типовое значение выходного тока — 180 мА. Усилители имеют очень низкий уровень входных шумов 4,5 нВ и 1,7 пА, малое время установления выходного напряжения 25 нс и могут быть использованы в предварительных усилителях, активных фильтрах, драйверах АЦП и других устройствах. Выпускаются в корпусах SOIC-8, а также SOT23-5 (LMH6654) и MSOP-8 (LMH6655).

Усилители LMH6657/8 и LMH6682/3 — сравнительно недорогие сверхскоростные ОУ с однополярным питанием от 3 до 12 В. Выпускаются с использованием фирменной технологии VIР™ 10. LMH6657/8 (одиночный/сдвоенный) скорректированы для работы с единичным коэффициентом усиления, обеспечивая при этом полосу пропускания 270 МГц и скорость нарастания выходного напряжения 700 В/мкс. Потребляемый ток — 6,2 мА на канал, выходной ток — +80/-90 мА. Имеют очень малые нелинейные искажения при работе с большими сигналами.

Усилители LMH6682/3 (сдвоенный/ строенный) обеспечивают скорость нарастания выходного напряжения 940 В/мкс при полосе пропускания 190 МГц. Предназначены для применения в устройствах обработки видеосигналов и в сервоприводах CD/DVD, так как имеют малое время установления и не допускают инверсии фазы выходного напряжения при превышении допустимых значений входного напряжения, существенно упрощая схемотехнику подобных устройств. Также, как и LMH6657/8, данные усилители обладают очень малыми коэффициентами искажений типа "дифференциальная фаза" — 0,08° и "дифференциальное усиление" — 0,01%, что способствует их использованию в высококлассной видеоаппаратуре.

Для работы в видеоустройствах с повышенным разрешением предназначены сверхбыстродействующие усилители со скоростью нарастания выходного напряжения более 1000 В/мкс. В серии LM3toLM6171/2h LM6181/2 (единичный/сдвоенный), изготовленные с использованием фирменной технологии VIР™ 11. Первый из них выполнен по схемотехнике VFA и обеспечивает при потребляемом токе всего 2,5 мА скорость нарастания выходного напряжения 3600 В/мкс при частоте единичного усиления 100 МГц. LM6181/2 выполнен по схемотехнике с токовой обратной связью CFA и обеспечивает выходное напряжение ±10 В при сопротивлении нагрузки 100 Ом. Скорость нарастания выходного напряжения составляет 2000 В/мкс при частоте единичного усиления 100 МГц. При максимальном значении выходного тока 130 мА усилители обеспечивают очень малые искажения типа "дифференциальное усиление" и "дифференциальная фаза" и могут найти применение в видеоаппаратуре стандартов NTSC и PAL, высокочастотных фильтрах, магистральных усилителях и т.п.

Усилитель LMH6609 предназначен для использования в аналоговых преобразователях и фильтрах. При частоте единичного усиления 900 МГц и скорости нарастания выходного напряжения 1400 В/мкс, он потребляет от однопо-лярного источника питания напряжением 10 В ток 7 мА. Усилитель полностью скорректирован, имеет очень низкий уровень шумов 3,1 нВ/а/Гц и большой выходной ток 90 мА. Выпускается в 8-выводном корпусе SOIC и 5-выводном SOT.

Для использования в портативной видеоаппаратуре и видеокартах ПК предназначен усилитель LM7121, выпускаемый в корпусе SOT23-5. Параметры усилителя весьма высоки: частота единичного усиления — 175 МГц, скорость нарастания выходного напряжения — 1300 В/мкс. Он может работать как при однополярном +5 В питании, так и двухполярном в диапазоне от ±5 до ±15 В.

Рекордными параметрами обладают сверхскоростные операционные усилители LM7171 (одиночный) и LM7372 (сдвоенный). Выполненные по схемотехнике VFA, они имеют параметры, свойственные усилителям с токовой обратной связью (CFA) — скорость нарастания выходного напряжения 4100 В/мкс, частота единичного усиления 200 МГц, выходной ток 100 мА (LM7171) и 3000 В/мкс, 120 МГц, 150 мА, соответственно, для LM7372 при потребляемом токе 6,5 мА на канал. Усилители скорректированы для коэффициента усиления по напряжению более 2. Обладая минимальными искажениями "дифференциальное усиление и фаза" 0,01% и 0,02°, они прекрасно подходят для применения в видеотехнике, аппаратуре кабельных и оптических линий связи, системах радио и телевизионного вещания.

Серия сверхскоростных ОУ LМН67хх выполнена по фирменному технологическому процессу VIP™ 10 по схемотехнике с токовой обратной связью CFA и предназначена для использования в широкополосных радио и телесистемах. Обзор этих микросхем мы начнем с LMH6702 — малошумящего (напряжение шумов, приведенное ко входу 1,83 нВ) ОУ с рекордно низким уровнем гармонических (-100 дБ на частоте 5 МГц) и интермодуляционных искажений, полосой пропускания 720 МГц и скоростью нарастания выходного напряжения 3100 В/мкс. Столь высокие параметры ориентируют применение LMH6702 в системах с высоким разрешением и контрольно-измерительной аппаратуре.

Рисунок 8. Соотношение частоты единичного усиления (BW) и скорости нарастания выходного напряжения (SR) для некоторых типов быстродействующих операционных усилителей National Semiconductor

Семейство усилителей LMH6714/15/ 20/22 (одиночный/сдвоенный/с блокировкой/счетверенный) с полосой пропускания 400 МГц при коэффициенте усиления 2 и скорости нарастания выходного напряжения 1800 В/мкс при потребляемом токе 5,6 мА предназначены, в основном, для использования в видеосистемах. Высокоимпедансное выходное состояние усилителя LMH6720, переключаемое за 7 не TTL-уровнем, очень удобно для мультиплексирования нескольких высокоскоростных сигналов на общую линию передачи. Счетверенный усилитель LMH6722 может быть эффективно использован в многоканальных УПЧ и активных фильтрах высоких порядков.

Усилитель с однополярным питанием от 4,5 до 12 В LMH6723 сочетает высокую экономичность (потребляемый ток 1 мА) с широкой полосой пропускания 370 МГц, высокой скоростью нарастания выходного напряжения 600 В/мкс и большим выходным током 110 мА, что делает его незаменимым для портативных видеоустройств и всевозможных преобразователей с автономным питанием, магистральных усилителей, портативных CD-DVD плейеров и т.п.

В заключение рассмотрим широкополосный ОУ LMH6732 с регулируемой от 0 до 1,5 ГГц полосой пропускания. Изменяя сопротивление одного внешнего резистора, можно варьировать потребляемый ток более чем в 10 раз, а также переводить микросхему в дежурный режим с током потребления 1 мкА. Параметры микросхемы уникальны при всех значениях потребляемого тока: полоса частот — 55 МГц, скорость нарастания выходного напряжения — 400 В/мкс, выходной ток — 9 мА при потребляемом токе 1 мА и 540 МГц, 2700 В/мкс и 115 мА, соответственно, при потребляемом токе 9 мА. Усилитель способен работать при одно- и двухполярном питании размахом от 9 до 12 В. Область предполагаемых применений крайне широка — видеотехника, системы с батарейным питанием, коммутационные устройства и т.п. Отметим, что для сокращения времени проектирования устройств с LMH6732 фирма NATIONAL SEMICONDUCTOR предлагает к нему демонстрационную плату.

Широкая номенклатура быстродействующих интегральных операционных усилителей NATIONAL SEMICONDUCTOR и их невысокая стоимость делает их весьма привлекательными для широкого круга разработчиков РЭА России. Более подробную техническую информацию можно найти на сайте фирмы http://www.national.com.

* встроенный усилитель. Диапазон температур: I (Industrial) -40 — +85°C; X (Extended Industrial) -40 — +25°C; M (Millitary) -55 — +25°C.

Литература

1. Старченко Е.И., Старченко И.Е. Операционные усилители с токовой обратной связью по напряжению. Электронный журнал "Исследовано в России". 2001. С. 318-325.
2. The Art of Analog. 2003. Linear Applications Seminar. National Semiconductor. 2003. P. 1-39 - 1-53