Полезные советы по выбору операционного усилителя

В сегодняшней статье предлагается небольшая справка по выбору операционного усилителя. Если взять любую литературу по аналоговой низковольтной схемотехнике то видно, что в последние несколько десятков лет подавляющее большинство решений строится вокруг операционных усилителей. Производители не отстают и выбрасывают на рынок десятки новых ОУ ежемесячно. Чтобы разобраться в таком многообразии при выборе усилителя в новую разработку самый очевидный и распространенный подход - сужение диапазона путем фильтрации по требуемым или желаемым параметрам. Для on-line поиска в сети удобно пользоваться разделами параметрического поиска Digikey или Mouser. Ограничив ряд параметров (тип усилителя, полоса, тип выхода, напряжение питания и пр.) получим список приемлемой длины.

Однако при выборе также не стоит упускать из виду и технологию изготовления “внутреностей” ОУ. Зная недостатки и преимущества различных технологий используемых для производства операционников, можно еще более сузить поиск и найти самый подходящий для своей схемы.

КМОП или биполярный операционный усилитель: что лучше для моего приложения?

Сегодняшний инженер имеет большой выбор когда дело касается выбора операционного усилителя (ОУ). Три крупнейших производителя операционных усилителей совместно предлагают более 1600 продуктов из которых можно сделать свой выбор, и это не включая специализированные усилители! Как разобраться с таким внушительным количеством устройств? Один из способов сузить диапазон выбора - это начать с выбора технологического процесса, по которому изготовлен усилитель. Большинство производителей четко маркируют ОУ как КМОП (CMOS), биполярный или BiCMOS, но что это означает в плане применения?

Энергопотребление

КМОП-технология известна своим низким энергопотреблением, поскольку транзисторы потребляют ток только в момент переключения. Тем не менее, это преимущество по энергопотреблению справедливо только для медленных усилителей. По мере увеличения полосы пропускания, ток КМОП усилителя существенно возрастает, и вскоре он начинает потреблять больше чем сравнимый с ним биполярный операционный усилитель. Из-за экспоненциального характера возрастания потребляемого тока с ростом скоростных характеристик КМОП-усилителя, биполярные ОУ лучше подходят для приложений где требуются высокие частоты и быстрая скорость нарастания. Для низкочастотных применений, КМОП-усилители обеспечивают меньшее энергопотребление.

Шумовые характеристики

Что касается фликкер-шума (так называемый 1/f -шум), КМОП-транзисторы имеют худшие шумовые характеристики по сравнению с биполярными. На НЧ шум этого типа доминирует над нерегулярностями в проводнике и шумом из-за токов смещения в транзисторе. В биполярном транзисторе, путь протекания тока находится внутри полупроводника. В КМОП-транзисторе, ток протекает близко к поверхности, делая его подверженным дефектам поверхности полупроводника, что увеличивает низкочастотный шум. На выскоих частотах 1/f-шум становится пренебрежительно мал по мере того как белый шум от других источников начинает доминировать. КМОП-транзисторы также имеют более низкую крутизну характеристики прямой передачи по сравнению с таким же по размерами биполярными транзисторами, что приводит к увеличению широкополосного шума. В целом, биполярные транзисторы удерживают пальму первенства над КМОП когда дело касается шумовых характеристик.

Напряжение смещения

Важная характеристика операционного усилителя это напряжение смещения. Это напряжение ошибки может меняться от микровольт до милливольт, и сильно зависит от того насколько хорошо сбалансированы характеристики входных транзисторов ОУ. Биполярные транзисторы обычно обладают более близкими характеристиками, что приводит к низкому напряжению смещения для данной архитектуры. Некоторые производители компенсируют несоответствие характеристик входных транзисторов лазерной подгонкой, фьюзами или даже встроенной памятью EEPROM. Эти подходы могут существенно улучшить качество и производительность ОУ независимо от технологического процесса производства. Лучшее согласование также приводит к меньшему дрейфу напряжения смещения от температуры, что также является важным параметром принимаемым во внимание во многих применениях.

Цена/корпус

Исторически, КМОП известен как экономически более рентабельная технология. В основном благодаря низкой цене пластины полупроводникового кристалла, что связано, в свою очередь, с высоким объемом производства чипов КМОП-логики. Однако, несмотря на более низкую цену пластины полупроводника, для заданного максимального рабочего тока, КМОП-транзисторы занимают большую площадь кристалла по сравнению с биполярными транзисторами, что в результате приводит к необходимости использовать больше полупроводникового кристалла. Таким образом, даже если стоимость пластины оказывается ниже, в результате на выходе получается меньше компонентов на одну пластину, что уменьшает преимущество дешевизны. В результате, стоимость структуры этих двух технологических процессов примерно одинакова. Большая занимаемая площадь кристалла также ограничивает производителю выбор корпуса ОУ. Это может стать серьезным ограничением, так как инженерам-разработчикам постоянно приходится помещать большую производительность и функциональность во все меньший и меньший форм-фактор. Некоторые типы корпусов, такие как BGA и безвыводные корпуса помогают справиться с этой задачей.

Входной ток смещения

На все усилители в спецификации  указывается входной ток смещения. Это величина тока, протекающего через входы усилителя для смещения входных транзисторов. В принципе, этот ток может рассматриваться как ток утечки, но когда речь идет о входах усилителя используется термин ток смещения. Ток смещения может варироваться от единиц  пикоампер до сотен наноампер. Усилители с КМОП-транзисторами на входе как правило обладают меньшим током смешения по сравнению с ОУ имеющим биполярные транзисторы на входе, обычно в районе 1 пикоампера, в то ремя как биполярные транзисторы могут иметь этот ток на несколько порядков больше. Ток утечки преобразуется через входное сопротивление цепи в напряжение и приводит к появлению сигнала ошибки на выходе усилителя. Чем меньше ток смещения - тем лучше. В этом плане КМОП-усилители имеют неоспоримое преимущество.

Так какой процесс производства все-таки лучше для операционных усилителей?

Биполярные усилители имеют давнюю историю, но некоторые параметры КМОП-усилителей существенно лучше. BiCMOS процессы производства относительно недавно пришли в эту область, но эта гибридная технология берет лучшее от обеих технологий и обеспечивает недосягаемое преимущество по все более и более приемлемой цене. Таким образом, в заключение, ответ на вопрос какой процесс лучше для операционных усилителей - “все зависит от задачи”, и поэтому эта тема продолжает обсуждаться. Инженер должен оценить роль усилителя в схеме и определить какие параметры более критичны. Не существует универсального усилителя или технологического процесса который одинаково хорошо подходит ко всем из множества приложений где встречаются ОУ. Вот почему производители продолжают выпускать различные виды операционных усилителей по различным технологиям. Инженер сам должен определить какой из них лучше всего подойдет для его схемы.

Похожие статьи:

• Определение типа компонентов по кодировке (Firefox plugin) (4)
• О точности выходного напряжения регулятора (0)