, el amplificador operativo, o OP AMP, es uno de los bloques de construcción más fundamentales utilizados en circuitos analógicos. Alguna vez, considerando que se introdujeron los amplificadores OP de un solo chip en la década de 1960, se han desarrollado innumerables diferentes tipos, algunos mucho más exitosos que otros. Pida a un diseñador analógico experimentado que nombre algunos amplificadores OP, así como probablemente mencionen el LM324, el TL072, el NE5534, el LM358, así como de programar el abuelo de todos, el UA741.
Si esos números de pieza no le indican nada, todo lo que necesita para comprender es que estos son elementos genéricos que puede obtener en cualquier lugar y que lo hará bien en las aplicaciones más típicas. Puede obtener ampers opieros que mejoren en alguna especificación u otra, a menudo por órdenes de magnitud. Sin embargo, ¿en qué distancia puede impulsar realmente la idea de un amplificador operativo? Hoy le mostraremos algunos amplificadores OP que van a los métodos más allá de estos componentes normales “Jellybean”.
Antes de comenzar, definímos lo que indicamos precisamente cuando indicamos “Amplificador operativo”. Estamos tratando de encontrar amplificadores de OP integrados, lo que indica un solo componente físico, que tiene una entrada diferencial de voltaje de alta impedancia, una salida de voltaje de un solo extremo, acoplamiento de CC, así como un alto rendimiento se indica que se debe utilizar en una configuración de comentarios. Estamos excluyendo cualquier cosa hecha de componentes discretos, además de circuitos menos generales como amplificadores de ganancia fija, así como amplificadores de transconductancia operativa (OTA).
número de canales
Pinout de un TL084x2. Los pasadores de doble suministro sugieren que esto es verdaderamente solo dos chips TL084 enlazados en un solo paquete de 30 pines. Crédito de la imagen: Texas Instruments
Los amplificadores opcionalmente muy integrados, comenzando con la UA702 en 1963, incorporados solo un amplificador único dentro de un solo chip. Sin embargo, a partir de la década de 1970, así como el DOBLE OP AMPS terminó siendo populares, principalmente dirigidos a diseñadores de filtros activos. Los duales, así como los quads se ofrecen comúnmente hoy; También se crean algunas fichas de AMP triple OP, así como también puede obtener el NJM2710, que es un amplificador OP HEX: seis canales.
Sin embargo, el mayor número de amplificadores de OP alguna vez integrados en un solo paquete es ocho: hasta hace unos años, puede recuperarse un EL5811, un TL084X2, o incluso un LM324x2, todos los cuales fueron OPS OP AMPS. El mismo circuito fundamental en cada situación se ofreció igualmente como una versión única, doble o cuádruple, por lo que los amplificadores OP octales eran verdaderamente “quads duales”.
Si bien tal cosa puede parecer beneficiosa si desea capturar grandes ofertas de amplificadores en un poco de espacio, la utilización de dos quads separados le proporcionará mucha más versatilidad cuando corresponda al diseño, así como enrutamiento de su circuito. Sospechamos que esa es la razón por la que estos chips nunca ganaron mucha tracción en el mercado.
El consumo de energía
La serie NJU7700X son amplificadores de OP ultra baja, que se utilizan menos que un micro-AMP. Crédito de la imagen: New Japan Radio Co.
El UA741 tradicional consume alrededor de 1.7 mA en una aplicación normal. Muchos más estilos contemporáneos han manejado para minimizar esto: por ejemplo, la OPA171 es compatible con el ‘741, tiene un rendimiento mucho mejor en casi todos los procedimientos (ancho de banda, velocidad de matorrales, ruido, desplazamiento), así como la mitad de la mitad mamá. Los métodos de estilo de circuito contemporáneo, además de los avances en la producción de semiconductores, han permitido un método de mayor relación de rendimiento / potencia de lo posible en la década de 1960.
Varios fabricantes han introducido amplificadores OP en la categoría de energía ultra baja, que toman menos de un micro-AMP. Un ejemplo es el LPV801, que utiliza solo 450 nano-amperios. Sin embargo, el AMP más económico del mercado hoy en día es el NJU77000, que no atrae mucho más de 290 na. Para poner ese número en perspectiva, una célula de moneda Normal CR2032 tiene una capacidad de alrededor de 220 MAH, lo que indica que podría alimentar teóricamente un NJU77000 durante 86 años, por supuesto, la autocondración drenará la batería mucho antes de eso. Las especificaciones de este amplificador de OP no son estelares, especialmente cuando se refiere al ancho de banda: un máximo de 1 kHz es un método tan bajo para procesar cualquier cosa que se ve como audio, sin embargo, es suficiente para los circuitos de gas.
Corriente de salida
El Apex Pa52 es un “chip” bastante grande, midiendo alrededor de 36 x 40 mm2. NOTA LA ADVERTENCIA DE BEO: El paquete consiste en óxido de berilio para lograr una alta conductividad térmica. Crédito de la imagen: Apex Microtechnology
En el otro extremo del espectro, son los amplificadores de alimentación que pueden impulsar las corrientes grandes en una carga. El L272 tradicional, que se utiliza con frecuencia como conductor de motor, puede proporcionar un amplificador completo en cada uno de sus dos canales. Sin embargo, la innovación se ha movido, así como hoy, puede obtener el PA50 Beefy, así como PA52 de la microtecnología APEX. Estos enormes amplificadores de OP pueden generar 40 A constantemente, así como 80 a por períodos cortos. así como aunque vienen como un solo componente (bastante grande), dentro de ellos no son chicos individuales, sin embargo, híbridosMódulos: un conjunto de circuitos integrados, así como transistores discretos directamente unidos en un sustrato típico.
Todo este poder viene a un costo; En una cantidad de cientos de dólares, estos no son los amplificadores de su gama de jardinería. De hecho, si se requiere mucho más presente de lo que puede cumplir su amplificador favorito, puede ser un concepto mucho mejor para hacer que una salida mejore el circuito que utilice transistores de energía discretos. Un gran texto sobre este tema es la aplicación Nota AN18 de Jim Williams, que demuestra diferentes métodos para aumentar la corriente de salida de la corriente de AMP, el giro de voltaje o ambos.
Voltaje de suministro
PELIGRO, ALTO VOLTAJE: El PA90 puede funcionar hasta 2.5 kV. Crédito de la imagen: Apex Microtechnology
La mayoría de los amplificadores opuarios de los días anteriores podrían trabajar con voltajes de suministro bastante grandes: +/- 15 v fue típico en la década de 1970. En la edad de los arduinos de hoy, así como la ESP32, esto parece excesivo, así como, sin duda, muchos amplificadores de OP contemporáneos trabajarán felizmente a 3.3 V o incluso más bajo. Sin embargo, en el otro extremo, los amplificadores opuarios que pueden trabajar en mucho más de 100 V son igualmente bastante comunes; El LTC6090, así como el ADHV4702, son ejemplos que pueden funcionar a 140 V, así como 220 V, respectivamente. Sin embargo, el campeón genuino en esta clasificación es el PA99 de APEX: este amplificador OP funcionará felizmente con 2500 V a través de sus pasadores de suministro. Puede proporcionar 50 mA en su salida, así como tiene un producto de ancho de banda de ganancia de 28 MHz. Al igual que sus hermanos de alta corriente, es un chip costoso, a unos mil dólares, por lo que no es probable que lo descubras en ningún tipo de productos de consumo. El mercado principal de chips especializados, como este, es un instrumento científico, así como los dispositivos industriales que utilizan actuadores piezoeléctricos o desviación electrostática.
Banda ancha
Hablando de ancho de banda, ¿qué amplificador opan es el más rápido? Realmente no hay una sola respuesta concluyente a eso. Comencemos al revisar la acción de frecuencia de bucle abierto de un amplificador OP: es alto (más de 100 dB) a bajas frecuencias, todo el método hasta DC. En cierta frecuencia, la obtención comienza a caer, en lo que llamamos llamamos al punto -3 DB; Aquí es donde la obtención ha alcanzado el 70% de su valor de CC. Luego, la obtención continúa disminuyendo por 20 dB por década para alcanzar cero dB en la frecuencia de la unidad de ganancia: cero dB indica un aspecto de uno.
En el método, esto indica que si configura la red de comentarios para asegurarse de que el amplificador general tenga una obtención de una, el ancho de banda de este circuito será la frecuencia de ganancia de unidad. Si lo configura a una obtención de dos, tendrá la mitad del ancho de banda. Una obtención de diez resultará en una décima parte del ancho de banda, así como así. Teniendo en cuenta que el producto de la obtención, así como el ancho de banda es siempre el mismo, la frecuencia de ganancia de unidad también se llama producto de ancho de banda de ganancia.
La mayoría de los amplificadores de OP de propósito general se pueden utilizar en cualquier tipo de ganancia de bucle cerrado. Sin embargo, esta versatilidad llega a un precio: la frecuencia de ganancia de unidad debe mantenerse bastante baja para detener la oscilación. Para aplicaciones de alta velocidad, puede, como resultado, obtenga los amplificadores OP que se han descompensado. Esto indica que los circuitos interiores se han cambiado para ejecutar a un ancho de banda más alto, por lo que también se han modificado que el amplificador OP no se puede utilizar en la configuración de la Unidad-Ganancia; La hoja de datos especificará un bucle cerrado mínimo y se puede utilizar en el que se puede usar el amplificador. Si no respetas este límite, entonces su circuito puede oscilar.
El gráfico a continuación muestra la trama de ganancia de ganancia de bucle abierto de un amplificador op de un amplificador completamente compensado, así como uno descompensado. Gestionar Teoría nos dice que terminaremos con un sistema de circuito cerrado constante si cerramos el bucle en un punto donde el bucle abierto se reduce en 20 dB por década. (En realidad, es mucho más desafiante que eso, sin embargo, no iremos a eso ahora). Para el AMP completamente compensado, esto es cierto en cualquier tipo de ganancia. Sin embargo, para el amplificador OP descompensado, la obtención se cae en 20 dB por década solo tanto como un punto; Esto es gmin, o el mínimo se pone en que el amplificador será estable. Tenga en cuenta que el ancho de banda en este punto es mucho más alto de lo que habría sido para el amplificador completamente compensado.
Bucle abierto Obtenga una parcela de un amplificador opreto completamente compensado (verde), así como un amplificador opomensado de otra manera similar (amarillo). Tenga en cuenta que el amplificador descompensado nunca llega realmente a su producto de ancho de banda de ganancia: GBW2 se extrapola de la parte de 20 dB / DEC de la gráfica.
El amplificador OP con el mayor producto de ancho de banda que puede obtener hoy es la OPA855, en una friolera de 8 GHz. Sin embargo, dado que es un amplificador descompensado, debe utilizarlo en una obtención de al menos siete, en la que la situación “solo” alcance los 2,5 GHz. El amplificador OP no descompensado más rápido es el THS4304, que puede funcionar en cualquier tipo de configuración, todo el método, tanto como su ancho de banda de ganancia de unidad de 3 GHz. Sin embargo, antes de que se escape, así como para que este chip desarrolle un amplificador multi-GHZ, tenga en cuenta que el diseño del circuito apropiado se vuelve crucial en tales frecuencias; Cualquier tipo de capacitancia extraviada en thLa ubicación incorrecta puede alterar la estabilidad del bucle, así como convertir su amplificador en un oscilador.
Velocidad de subida
Sin embargo, el ancho de banda no es el único determinado de la velocidad. Una especificación más que descubre en cualquier tipo de Hoja de datos de AMP de OP es su tarifa de giro. Normalmente se determina en los voltios por microsegundo (V / EE. UU.), le indica exactamente cuán rapidamente puede cambiar la tensión de salida del chip. Un método básico para determinar la tarifa de giro de la OP AMP es tener que emite una onda cuadrada: la pendiente del aumento de la salida, así como los bordes que caen serán iguales a la velocidad de giro.
Si aplica una ola cuadrada a la entrada de un amplificador OP, entonces la salida aumentará, así como el otoño en la tasa de giro de la OP AMP.
La tarifa de giro se quita principalmente por el sesgo interior presente de un amplificador OP, así como es, como resultado, normalmente proporcional a la corriente de suministro. Valores normales Variedad de 0.5 V / EE. UU. Para la UA741 a 20 V / US para el TL072. Algunos amplificadores de OP tienen una técnica creativa en el interior, entendida como el refuerzo de giras, donde el sesgo presente se refuerza temporalmente cuando el amplificador OP detecta que su salida no puede mantenerse al día con su entrada.
Los mayores tarifas de giras se ofrecen en los amplificadores de comentarios actuales (CFA), que son similares a los amplificadores de OP en muchos métodos, sin embargo, sin embargo, no los contamos como tales en este artículo. En comparación con los amplificadores de OP regulares, tienen una baja ganancia de bucle abierto, el alto equilibrio del balance de entrada, así como las corrientes de sesgo, así como las aplicaciones de todos los comentarios. Se utilizan con frecuencia en circuitos de alta velocidad donde una tasa de manga alta es el requisito más crucial.
No es inusual, entonces, que los amplificadores OP con la mayor tasa de giro integran las características de los CFA, así como los amplificadores de rutina, algo borroso de la línea entre ellos. Por ejemplo, el EL5102 tiene una tasa de giro de una friolera de 3500 V / EE. UU., Sin embargo, se obtiene un escaso 66 dB de bucle abierto donde muchos de los amplificadores operadores fundamentales tienen 100 a 120 dB. Su sesgo de entrada presente también es bastante grande, a las 2 UA típicas. El MIC920 hace un poco mejor, sin embargo, a las 85 dB, todavía no es un amplificador opuesto. El campeón genuino en esta clasificación es el PA107, que puede pasar su producción a 3000 V / EE. UU. Sin embargo, todavía alcanza 140 dB de ganancia de bucle abierto. Asimismo, atrae a unos 50 mA de su suministro, por lo que no es algo que utilice cuando está creando para la baja potencia.
Materiales inusuales
Casi todos los circuitos integrados que puede obtener hoy utilice Silicon como su material base. Unos pocos circuitos de alta velocidad, incluidos algunos de los amplificadores OP de alta velocidad, señalados anteriormente, se hacen utilizando silicon-germanium (SIGE), aunque esta es solo la capa superior de un chip que de otra manera es de silicona pura. Potencialmente, se pueden utilizar otros semiconductores como el arsenida de galio (GAA), el nitruro de galio (GAN) o incluso el carburo de silicio (SIC) para fabricar amplificadores OP; Sin embargo, proporcionó la diferencia de gastos considerable con el silicio regular, estos materiales generalmente se utilizan para transistores discretos especializados, así como circuitos integrados de velocidad ultra alta.
La matriz de la máquina de carburo de silicio de Kth. Crédito de la imagen: KTH
Sin embargo, algunos trabajos de estudio de investigación han mostrado resultados fascinantes: el Kth Royal Institute of Technology, en Suecia, ha demostrado un amplificador operativo hecho en la innovación de carburo de silicio que puede funcionar a temperaturas ultra-altas hasta 500 ° C. Su desempeño está lejos de ser estelar, sin embargo, su robustez indica que debe poder trabajar en entornos tan hostiles como la superficie de Venus.
Aquí, en la Tierra, Silicon está firmemente bien establecido como el semiconductor de elección, así como es poco probable que se modifiquen pronto. Sin embargo, como lo hemos visto, Silicon es versátil suficiente para permitir una gran gama de estilos de AMP OP para casi cualquier tipo de aplicación posible.