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. Располагая 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 A = V_o/V_d, где V_o - выходное напряжение; V_d - 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 V_d.

Рассмотрим типовую схему неинвертирущего 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_o, полагая входное сопротивление ОУ бесконечным, можно записать

(V_i √ V_d)/R₁ = [V_o √ (V_i √ V_d)]/R₂. (1)

Выразив V_d через коэффициент усиления A, после преобразований получим

A_v = V_o/V_i = G/(1 + G/A), (2)

где G = 1 + R₂/R₁. В приближении A >> G выражение (2) представляет собой известную формулу для коэффициента усиления идеального ОУ с ООС A_v = 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. 3а, и описывается выражением (2) при соответствующей частотной зависимости коэффициента А. Как видно из рисунка, произведение величины коэффициента усиления с ООС A_v на полосу усиливаемых частот для VFA будет постоянной величиной, а максимальная полоса частот f₁ (Gain Bandwidth) - важный параметр быстродействующих ОУ, соответствует коэффициенту усиления A_v = 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 I/C.

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. 1б и состоит из буферного усилителя 1 с единичным коэффициентом усиления с большим входным и малым выходным сопротивлением, включенного между неинвертирующим и инвертирующим входами, и преобразователя "ток напряжение" с коэффициентом передачи Z = V_o/I_n, имеющим размерность сопротивления и называемом Transimpedance. При включении ОУ CFA с отрицательной обратной связью (рис. 2), через инвертирующий вход протекает ток ошибки I_n, 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 V_d, а для CFA - ток ошибки I_n.

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

I_n = (V_i √ V_o)/R₂ + V_i/R₁ . (3)

Выразив I_n через коэффициент передачи Z, после преобразований получим

A_v = V_o/V_i = G/(1 + R₂/Z). (4)

В приближении Z >> R₂ выражение (4) сводится к известной формуле для коэффициента усиления идеального ОУ с ООС A_v = 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. 3б. 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 C_eq (рис. 4б). Заряд и разряд конденсатора происходит разностным током I_z 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 V_iPTM 10 и V_iPTM 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.

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 A_v = 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 A_v. Значение сопротивления резистора R₁ определяется согласно требуемой величине A_v = 1 + R₂/R₁.

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

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. Cхема 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 LMH67xx наблюдается сочетание высоких значений BW и SR, недостижимое для усилителей VFA.

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

Малошумящий сдвоенный низковольтный усилитель LMH6622 скорректирован для коэффициента усиления A 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 (cдвоенный 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, драйвверах 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 VIPTM 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" - 0,08o 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 LM это LM6171/2 и LM6181/2 (единичный/сдвоенный), изготовленные с использованием фирменной технологии VIPTM 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 однополярного источника питания напряжением 10 В ток 7 мА. Усилитель полностью скорректирован, имеет очень низкий уровень шумов 3,1 нВ/ЦГц 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 0,02o, они прекрасно подходят для применения в видеотехнике, аппаратуре кабельных и оптических линий связи, системах радио и телевизионного вещания.

Серия сверхскоростных ОУ LMH67xx выполнена по фирменному технологическому процессу VIPTM 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.

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 нс 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.

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.

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.