В настоящее время каждый из ведущих производителей полупроводников выпускает более сотни (а иногда и несколько сотен) типов операционных усилителей. Линейка ОУ компании Maxim Integrated Products содержит около 150 типов микросхем (не учитывая исполнения в разных корпусах). На фоне этого изобилия разработчику сложно сделать оптимальный выбор микросхемы для конкретного приложения. Решение проблемы выбора предполагает определение нескольких ключевых параметров, критичных для разрабатываемого изделия и, тем самым, ограничение списка возможных вариантов до разумных пределов.

Основные параметры и классификация
операционных усилителей

Параметры, которые определяют качество операционных усилителей, принято разделять на три группы: эксплуатационные, точностные и динамические.

К основным эксплуатационным параметрам относят:

• Минимальное и максимальное напряжения питания;
• Потребляемый ток;
• Наличие свойств Rail-to-Rail по входу и выходу;
• Наличие входа Shutdown (отключение от нагрузки).

К основным точностным параметрам относят:

• Напряжение смещения нуля VOS;
• Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС);
• Коэффициент подавления пульсаций напряжения питания (КППНП) (другое наименование- коэффициент ослабления влияния нестабильности источников питания (КОНИП));
• Входной ток IBIAS;
• Спектральная плотность шума по напряжению en.

К основным динамическим параметрам относят:

• Частоту единичного усиления (GBW);
• Скорость нарастания выходного напряжения r.

Ограниченный объем статьи не позволяет пояснить физический смысл данных параметров. Однако они достаточно подробно разобраны во всех монографиях, посвященных принципам работы операционных усилителей, например в [1].

В теории ОУ [1] используется термин «идеальный операционный усилитель». В реальности приходится учитывать: высокий, но все-таки конечный коэффициент усиления; ненулевой входной ток; ненулевое выходное сопротивление; ограниченную полосу пропускания и т.д.

Выпускаемые промышленностью операционные усилители постоянно совершенствуются, их параметры «приближаются к идеальным». Однако улучшить все параметры одновременно технически невозможно (не говоря уже о нецелесообразности подобных мероприятий из-за стоимости полученного решения). Для того, чтобы расширить область применения ОУ, выпускаются различные их типы, в каждом из которых один или несколько параметров являются доминирующими, а остальные на обычном уровне (или даже чуть хуже). Это оправдано, так как в различных сферах применения от ОУ требуется высокое значение того или иного параметра, но не всех сразу. Отсюда вытекает классификация ОУ по назначению. В рамках данной статьи мы рассмотрим:

• ОУ с малым энергопотреблением;
• Низковольтные ОУ;
• Малошумящие ОУ;
• Прецизионные ОУ;
• Высокоскоростные ОУ;
• Высоковольтные ОУ;
• ОУ общего назначения.

Операционные усилители с малым
энергопотреблением

Усилители данного класса используются в приборах, получающих питание от гальванических или аккумуляторных батарей. Ключевым параметром, по которому конкретный усилитель может быть отнесен к данной группе, является значение тока, потребляемого от источника питания. Компания Maxim в своей классификации определяет эту величину, как «менее 20 мкА». Линейка ОУ с малым энергопотреблением и их параметры приведены в таблице 1.

 Таблица 1. Номенклатура и параметры ОУ с малым энергопотреблением компании Maxim   (продолжение)

Объем статьи не позволяет привести полные таблицы для всех ОУ рассматриваемого класса. Поэтому в данной и последующих таблицах приведены параметры не всех ОУ, входящих в семейство, а только одинарных (то есть, содержащих один усилитель в корпусе). Значения большинства параметров сдвоенных и счетверенных усилителей, как правило, аналогичны параметрам одинарных ОУ. Полная информация доступна на сайте компании Maxim - www.maxim-ic.com.

Как видим, значения точностных параметров (коэффициент ослабления синфазного сигнала, коэффициент подавления пульсаций напряжения питания, спектральная плотность шума) находятся на уровне устройств общего назначения. Значения динамических параметров (частота единичного усиления, скорость нарастания выходного напряжения) не могут быть высокими, поскольку малое энергопотребление и высокая динамика в определенном смысле - понятия противоположные. Однако в тех приложениях, где малое энергопотребление выходит на первый план (мобильные устройства с батарейным питанием), динамические параметры не являются приоритетными.

Следует отметить микросхемы MAX4464/70/71/72/74 - операционные усилители с потребляемым током 0,75 мкА. Это значение, на данный момент, является одним из лучших в отрасли. Кроме того, данные микросхемы обеспечивают достаточно высокие для своего класса значения КОСС и КППНП. Хорошие динамические характеристики (опять же для своего класса) обеспечивают семейства MAX9910/11/12/13 и MAX9914/15/16/17. Кроме того, эти микросхемы входят в категорию «Low Cost», т.е. микросхем с очень недорогой ценой, которые могут быть востребованы в экономичных приложениях. Достаточно сбалансированные параметры семейства MAX406/07/09/17/18/19 позволяют рассматривать их в качестве усилителей общего назначения.

Необходимо отметить, что по сравнению с другими ведущими производителями операционных усилителей (Texas Instruments, Analog Devices, National Semiconductor, Intersil) компания Maxim в данном классе приборов выгодно выделяется широкой номенклатурой предлагаемых изделий. Компания Maxim предлагает 15 типов микросхем одинарных усилителей (один усилитель в корпусе) с током потребления менее 20 мкА. Компания Texas Instruments предлагает девять моделей, Intersil - шесть, Analog Devices и National Semiconductor - по две.

Низковольтные операционные усилители

Под низковольтными, как правило, понимают операционные усилители, у которых минимальное напряжение питания не превышает 1,8 В. Целевая область применения - устройства с батарейным питанием. Линейка низковольтных ОУ и их параметры приведены в таблице 2.

Таблица 2. Номенклатура и параметры низковольтных ОУ компании Maxim (продолжение) 

Как видим, большая часть номенклатуры низковольтных ОУ и ОУ с малым энергопотреблением пересекается - новыми являются только два семейства: MAX9617/18/19/20 и MAX4291/92/94. В первом случае упор сделан на улучшение точностных и динамических характеристик. Во втором - основное внимание уделено низкой стоимости, свойственных устройствам общего назначения. Из уникальных изделий следует обратить внимание на усилитель MAX4289, который является, по утверждению компании Maxim, первым в отрасли ОУ с напряжением питания от 1 В в корпусе SOT-23 [2].

Что касается широты номенклатуры в данном классе, то предложения Maxim, Texas Instruments и National Semiconductor примерно одинаковы (15, 13 и 13 одинарных ОУ, соответственно), а позиции Analog Devices и Intersil скромнее (шесть и пять наименований).

Малошумящие операционные усилители

Шумы в операционных усилителях, накладываясь на полезный сигнал, обуславливают аддитивную погрешность в измерительных приложениях и помехи в аудиоаппаратуре. Различают внешние и внутренние шумы. Внешние шумы приходят в усилитель с входными сигналами, борьба с ними осуществляется различными схемотехническими и конструктивными решениями. Внутренние (тепловые, дробовые, фликер-шумы) являются собственными шумами усилителя - их уровень пытаются минимизировать на этапе разработки микросхемы усилителя. Для малошумящих усилителей ключевым параметром является спектральная плотность шума. Компания Maxim относит к этому классу ОУ, в которых это значение не превышает 15 нВ/√Гц. Линейка малошумящих ОУ и их параметры приведены в таблице 3.

 Таблица 3. Номенклатура и параметры малошумящих ОУ компании Maxim (продолжение) 

Лучшее по значению спектральной плотности шума семейство MAX410/12/14 имеет показатель 1,5 нВ/√Гц, что соответствует наиболее высоким достижениям в отрасли. Кроме того, отметим семейство MAX4091/92/94 с точки зрения энергопотребления, хорошие показатели у MAX4488/89 по динамике. Операционные усилители семейства MAX4230/31/32/33/34 являются достаточно привлекательными для тех приложений, где существенным фактором является цена.

Прецизионные операционные усилители

Для прецизионных (высокоточных) усилителей ключевым параметром является напряжение смещения нуля. Смещение нуля в операционных усилителях проявляется в наличии постоянного напряжения (смещения) на выходе ОУ при отсутствии входного сигнала (то есть, прямой и инверсный входы подключены к «земле»). Как правило, смещение нуля приводят ко входу, т.е. делят на коэффициент усиления. Очевидно, что минимальное смещение нуля - весьма существенный фактор для усилителей, работающих в измерительных приложениях. Компания Maxim относит к прецизионным усилителям те, у которых значение этого параметра не превышает 100 мкВ. Кроме того, важными параметрами для данного класса усилителей являются коэффициенты КОСС и КППНП, значения которых должны быть не хуже 100 дБ. Линейка прецизионных ОУ и их параметры приведены в таблице 4. 

Таблица 4. Номенклатура и параметры прецизионных ОУ компании Maxim  (продолжение) 

Несмотря на то, что номенклатура прецизионных ОУ, предлагаемых компанией Maxim, не очень широка, предлагаемые семейства явно дифференцированы по ключевому параметру. Таким образом, компания Maxim покрывает достаточно широкий спектр возможных приложений. Операционные усилители MAX4238/39 показывают высокие показатели в этом классе - на уровне лучших показателей в отрасли. Отличительные особенности семейства MAX9617/18/19/20: низковольтное питание; небольшой ток потребления и хорошие для своего класса динамические параметры. Микросхемы MAX4236/37 классифицируются также как малошумящие. Усилители MAX9943/44 позиционируются как прецизионные и высоковольтные.

Высокоскоростные операционные усилители

Договоримся, что в данном разделе мы не рассматриваем высокоскоростные усилители (с полосой частот шире 100 МГц), предназначенные для различного рода видеоаппаратуры, поскольку они выполнены по иным схемотехническим решениям и не являются операционными усилителями в классическом понимании этого термина. Под высокоскоростными ОУ будем понимать те усилители, скорость нарастания выходного напряжения которых превышает 10 В/мкс. Частота единичного усиления у таких ОУ в подавляющем большинстве случаев не менее 5 МГц. Для сравнения, скорость нарастания для видеоусилителей лежит в диапазоне 500...2000 В/мкс, а ширина полосы пропускания на уровне 3 дБ не менее 300 МГц. Линейка высокоскоростных ОУ и их параметры приведены в таблице 5.

Наиболее высокие показатели по скорости нарастания выходного напряжения (на уровне лучших в отрасли среди данного класса) при достаточно широкой полосе пропускания обеспечивают микросхемы MAX9650/51. Однако они имеют более чем высокий потребляемый ток, большое смещение нуля и существенный недостаток - высокое напряжение питания (от 6 В).

Оптимальный выбор в данном классе по точностным характеристикам (КОСС, КППНП, спектральная плотность шума, смещение нуля) - микросхемы MAX4488/89. С точки зрения энергопотребления - MAX4124/25/28. Семейство MAX4484/86/87 ориентировано на применение в экономичных приложениях «Low Cost».

Операционные усилители
с широким диапазоном напряжения питания
(высоковольтные ОУ)

Строго говоря, термин «высоковольтные ОУ» не совсем корректен. «Высоковольтными» были ОУ 1980-х годов, которые использовали напряжения питания ±15 В, но с достаточно жестким допуском. Современные «высоковольтные» ОУ являются именно операционными усилителями с широким диапазоном напряжения питания. Возможность работы на повышенном (от 10 В) питании мы наблюдали в ряде микросхем рассмотренных выше классов. С этой точки зрения «высоковольтность» сама по себе является не столько критерием принадлежности к отдельному классу, сколько опцией, которая может быть присуща ОУ различного назначения.

С другой стороны, если рассматривать только усилители с максимальным напряжением питания 20 В и выше, то значение минимального напряжения питания (6 В) однозначно выделяет их в отдельный класс. Линейка таких ОУ и их параметры приведены в таблице 6.

Специфичность данных микросхем обуславливает их ограниченную номенклатуру в продукции компании Maxim: усилители MAX9650/51 - высокоскоростные, а MAX9943/44/45 - малошумящие.

Операционные усилители общего назначения
и недорогие операционные усилители

Некоторая нестандартность подзаголовка требует пояснений.

Усилители общего назначения. Здесь хотелось бы определиться с классификационным критерием. Если в рассмотренных выше группах критерий имел вполне определенный физический смысл (ток, напряжение и т.д.), то понятие «общее назначение» явно носит нематериальный характер. Договоримся, что в рамках данной статьи речь идет об изделиях, при проектировании которых ни один из параметров не считался доминирующим. С другой стороны, предполагалось, что ни один из параметров не будет завален «ниже нижнего». Поэтому изделие может быть востребовано в самых разнообразных приложениях, в тех фрагментах схемы, в которых к параметрам усилителя не предъявляются какие-то повышенные требования.

Если в качестве критерия использовать цену, то существуют «недорогие ОУ» (или «Low Cost» в терминах компании Maxim). Остается определиться с понятием «недорого». Предлагается следующий механизм: рассматриваем всю линейку одинарных (один усилитель в корпусе) усилителей*, независимо от значения параметров и предполагаемого назначения, и ранжируем ее по цене**. Самая дешевая четверть изделий и составит группу «Low Cost». Понятно, что сюда попадут и те специализированные микросхемы, в которых один или несколько параметров будут хуже среднего. Ничего страшного: это говорит только о том, что данная микросхема - «Low Cost» в своем классе, но не имеет отношения к «общему назначению». «Общее назначение» должно быть «Low Cost» по определению, и если усилитель со средними параметрами сюда не попал, то это, скорее всего, маркетинговая ошибка (или, все же, есть какая-то специализация, незаметная с первого взгляда). Линейка недорогих ОУ и их параметры приведены в таблице 7.

И действительно, значительная часть усилителей из данной таблицы относится к какому-либо из классов: маломощных, малошумящих, высокоскоростных ОУ (именно они отмечены в столбце «Low Cost» соответствующих таблиц). К «чистым» операционным усилителям общего назначения можно отнести LMX321, MAX4245, MAX4400/01, MAX4480/01 и, соответственно, сдвоенные и счетверенные модификации этих семейств.

Отметим также, что компания Maxim выделяет семейства MAX9910/11/12/13 и MAX9915/16/17/18, как операционные усилители с наилучшим соотношением «быстродействие - потребляемая мощность».

«Автомобильные» (Automotive)
операционные усилители

Отметим, что под «автомобильными» ОУ понимается не отдельный класс устройств, а опция, позволяющая использовать конкретную микросхему в автомобильных приложениях (а именно, соответствие требованиям сертификата TS 16949). Поскольку среди них есть ОУ общего назначения, прецизионные, высокоскоростные и т.д., то номенклатура и параметры «автомобильных» ОУ не сведены в отдельную таблицу, а отмечены в столбце «Исполнение Automotive» в таблицах соответствующих групп.

Операционные усилители
в миниатюрных корпусах

Характерная для современной электроники тенденция к минимизации габаритов электронных устройств (в особенности мобильного сегмента) определяет необходимость минимизации и отдельных электронных компонентов. Компания Maxim, в применении к ОУ, к миниатюрным относит корпуса размером 2х2 мм и менее. К ним относятся корпуса UCSP (с размерами 1х1; 1х1,5; 1,5х1,5 и 1,5х2 мм), CS-70 (размер 2х2 мм) и mDFN (размер 2х2 мм). Поскольку «миниатюрные» являются не отдельным классом, а только вариантом исполнения, то они не сведены в отдельную таблицу, а отмечены в столбцах «Миниатюрные корпуса» соответствующих таблиц (в корпусе mDFN в настоящий момент выпускается только микросхема MAX4166).

Вернувшись к таблице 7, можно сделать вывод: исполнение в корпусе CS70 - хорошее решение для снижения стоимости микросхемы (по крайней мере, в тех критериях Low Cost, которые были оговорены выше).

Заключение

Подводя итоги обзора операционных усилителей компании Maxim, можно сделать выводы, что компания Maxim производит операционные усилители для всех востребованных потребителем групп и различных областей применения. Номенклатура каждой из групп достаточно широка для того, чтобы найти изделие с заданным значением ключевого параметра. Характеристики операционных усилителей Maxim в наиболее востребованных группах не уступают аналогичным параметрам в продуктах других ведущих производителей, а часто и превосходят их.

Литература

1. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых устройств. - М.: Додека-XXI, 2005.

2. Страница http://www.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/3254.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: analog.vesti@compel.ru