Знакомство с операционными усилителями. Полоса пропускания малого сигнала и полные рабочие характеристики

Лорен Зиберт (Loren Siebert)

Операционные усилители (ОУ) эволюционировали от специализированных приборов, собранных из больших электронных ламп, до интегральных схем, состоящих из кристаллических плёнок кремния, германия или арсенида галлия. Десятки изготовителей производят сотни типов ОУ с ошеломляющим разнообразием функций и характеристик.

При выборе ОУ одной из первых характеристик, на которую обращают внимание инженеры, является полоса пропускания. Изготовители знают об этом и намеренно выделяют ширину полосы пропускания устройства в технических паспортах. Редко удаётся найти технический паспорт ОУ без указания численного значения ширины полосы пропускания на первой странице. Поскольку ширина полосы пропускания малого сигнала является числом с наибольшим значением, именно это число выделяется наиболее заметно. Однако хорошо бы задаться вопросом, насколько важным является это число и как оно соотносится с другими рабочими характеристиками устройства? В этой статье делается попытка ответить на этот вопрос.

 Усилитель А, частотная характеристика

Рисунок 1. Усилитель А, частотная характеристика

На рисунке 1 показан график типовой зависимости полосы пропускания ОУ с обратной связью по напряжению от коэффициента усиления. Совершенно ясно, что коэффициент усиления играет огромную роль для полосы пропускания при слабом сигнале. Действительно, это соотношение настолько устойчиво, что для большинства случаев произведение ширины полосы пропускания (BW) на коэффициент усиления (G) является константой. Усилитель A, показанный на рисунке 1, имеет значение произведения коэффициента усиления на ширину полосы пропускания, примерно равное 280 МГц. Ярким исключением из этого является случай единичного коэффициента усиления, или G = 1. Для коэффициента усиления, равного 1, ширина полосы пропускания слабого сигнала составляет 800 МГц. На рисунке 2 показано почти то же самое, за исключением того, что усилитель В имеет произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания примерно 450 МГц. Эти усилители имеют сходные заявленные значения полосы пропускания слабого сигнала. Посмотрим, насколько близки они по другим характеристикам.

 Усилитель В, частотная характеристика

Рисунок 2. Усилитель В, частотная характеристика

Как показано на рисунках 3 и 4, усилитель В имеет гораздо лучшие характеристики по искажениям усиливаемого сигнала. Перейдя к таблице 1, можно сравнить и многие другие рабочие характеристики. Несмотря на то, что на первый взгляд кажется, что усилитель В явно лучше усилителя А, общая картина не так уж ясна. Усилитель В лучше по произведению усиления на полосу пропускания, а также по искажениям и выходному току. Однако усилитель А имеет меньшее шумовое напряжение и потребляет значительно меньшую мощность.

Таблица 1. Некоторые параметры, усилитель А по сравнению с усилителем В

Specification Amplifier A Amplifier B Units
Small signal bandwidth 900 1000 MHz
Large signal bandwidth 340 (calculated) 270 (2Vpp) MHz
Gain bandwidth product 270 500 MHz
Slew rate 1400 970 V/us
10 MHz THD 77 87 dBc
Output current 90 170 mA
Input noise 3,1 7 nV/√(Hz)
Supply current 7 19 mA


 Усилитель А, искажение

Рисунок 3. Усилитель А, искажение



 Усилитель В, искажение

Рисунок 4. Усилитель В, искажение

Пока из данной информации ясно, что ширина полосы пропускания единичного усиления слабого сигнала является не слишком полезным показателем качества операционного усилителя. Будет ли произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания лучшим вариантом? Что касается усилителей А и В, это произведение не представляется достаточно хорошо коррелирующим с такими рабочими характеристиками, как искажения или линейность. Причём эта взаимосвязь не гарантируется в обоих случаях, потому что усилители С и D имеют противоположную зависимость между произведением коэффициента усиления на ширину полосы пропускания и линейностью. Иными словами, не существует лёгких и быстрых способов определения рабочих характеристик усилителя. Например, если для вашей конфигурации важны минимальные искажения, обязательно проверьте характеристики искажений в техническом паспорте изделия.

Таблица 2. Некоторые параметры, усилитель С по сравнению с усилителем D

Specification Amplifier C Amplifier D Units
Small signal bandwidth 6,2 2 MHz
Large signal bandwidth 4,8 0,55 MHz
Gain bandwidth product 8 10 MHz
Slew rate 17 500 3 300 V/us
10 MHz THD -94 -88 dBc
Output current 40 N/A mA
Input noise 1,25 1,1 nV/√(Hz)
Supply current 54 52 mA

Ширина полосы пропускания сильного сигнала не коррелируется с шириной полосы пропускания слабого сигнала, а также не коррелируется с характеристиками по искажениям. Однако она хорошо коррелируется со скоростью нарастания выходного напряжения. Действительно, это единственный случай, когда два параметра тесно связаны. Способность усилителя создавать сигнал большой амплитуды зависит от максимально возможной скорости нарастания выходного напряжения усилителя.

Как и ширина полосы пропускания сильного сигнала, другие параметры, например шум на входе и ток потребления, не коррелируются с шириной полосы пропускания слабого сигнала. Действительно, можно понять, почему при поиске маломощного, малошумящего усилителя можно на самом деле предпочесть усилитель А усилителю В. Между усилителем С и усилителем D выбор даже проще. За исключением очень небольшой разницы по шуму, усилитель С явно лучше.

Заключение

В то время как ширина полосы пропускания слабого сигнала зачастую является ведущей характеристикой с точки зрения маркетинга усилителей, она не представляется такой уж полезной, когда усилитель подбирают для конкретного применения в действительности. Когда я подыскиваю усилитель, чтобы рекомендовать его заказчикам, я, конечно же, смотрю на числовое значение полосы пропускания слабого сигнала, но я очень быстро перехожу к просмотру и других ключевых характеристик, таких как искажения, скорость нарастания выходного напряжения, шум на входе, а также ток потребления и уровни питающего напряжения.