Operationsverstärkermodelle
Während die Erwähnung von Operationsverstärkern typischerweise Visionen von Halbleiterbauelementen hervorruft, die als integrierte Schaltungen auf einem Miniatur-Siliziumchip gebaut wurden, waren die ersten Operationsverstärker tatsächlich Vakuumröhrenschaltungen. Der erste kommerzielle Allzweck-Operationsverstärker wurde 1952 von George A. Philbrick Researches, Incorporated hergestellt. Er wurde als K2-W bezeichnet und um zwei Doppeltriodenröhren herum gebaut, die in einer Anordnung mit einem oktalen (8-poligen) Steckdose für die einfache Installation und Wartung in elektronischen Gerätechassis der damaligen Zeit. Die Baugruppe sah ungefähr so aus:
Das schematische Diagramm zeigt die beiden Röhren, zusammen mit zehn Widerständen und zwei Kondensatoren, ein ziemlich einfaches Schaltungsdesign sogar für 1952-Standards:
Wie funktionieren Vakuumröhren?
Falls Sie mit der Funktionsweise von Vakuumröhren nicht vertraut sind, funktionieren sie ähnlich wie N-Kanal-IGFET-Transistoren vom Verarmungstyp:Das heißt, sie leiten mehr Strom, wenn das Steuergitter (die gestrichelte Linie) positiver in Bezug auf die Kathode (die gebogene Linie am unteren Rand des Röhrensymbols) und leiten weniger Strom, wenn das Steuergitter weniger positiv (oder mehr negativ) als die Kathode gemacht wird. Die linke Doppeltriodenröhre fungiert als Differentialpaar , das die Differenzeingänge (invertierende und nichtinvertierende Eingangsspannungssignale) in ein einziges, verstärktes Spannungssignal umwandelt, das dann über einen Spannungsteiler (1 MΩ-2,2 MΩ) dem Steuergitter der linken Triode des zweiten Triodenpaares zugeführt wird. Diese Triode verstärkt und invertiert den Ausgang des Differenzpaares für eine größere Spannungsverstärkung, dann wird das verstärkte Signal an die zweite Triode derselben Doppeltriodenröhre in einer nicht invertierenden Verstärkerkonfiguration für eine größere Stromverstärkung gekoppelt. Die beiden Neon-„Glühröhren“ fungieren als Spannungsregler, ähnlich dem Verhalten von Halbleiter-Zenerdioden, um eine Vorspannung in der Kopplung zwischen den beiden Single-Ended-Verstärkertrioden bereitzustellen.
Bei einer dualen Versorgungsspannung von +300/-300 Volt konnte dieser Operationsverstärker seinen Ausgang nur um +/- 50 Volt schwingen, was nach heutigen Maßstäben sehr schlecht ist. Es hatte eine Open-Loop-Spannungsverstärkung von 15.000 bis 20.000, eine Anstiegsgeschwindigkeit von +/- 12 Volt/µs, einen maximalen Ausgangsstrom von 1 mA, einen Ruhestromverbrauch von über 3 Watt (ohne Strom für die Filamente der Röhren) !), und kostete 1952 etwa 24 US-Dollar. Eine bessere Leistung hätte mit einem ausgeklügelteren Schaltungsdesign erreicht werden können, jedoch nur auf Kosten eines höheren Stromverbrauchs, höherer Kosten und geringerer Zuverlässigkeit.
Einfluss von Halbleitertransistoren auf Operationsverstärker
Mit dem Aufkommen von Festkörpertransistoren wurden Operationsverstärker mit weit weniger Ruhestromverbrauch und erhöhter Zuverlässigkeit möglich, aber viele der anderen Leistungsparameter blieben ungefähr gleich. Nehmen Sie zum Beispiel Philbricks Modell P55A, einen Allzweck-Solid-State-Operationsverstärker von ca. 1966. Der P55A hatte eine Open-Loop-Verstärkung von 40.000, eine Anstiegsgeschwindigkeit von 1,5 Volt/µs und einen Ausgangshub von +/- 11 Volt ( bei einer Versorgungsspannung von +/- 15 Volt), einem maximalen Ausgangsstrom von 2,2 mA und einem Preis von 49 US-Dollar (oder etwa 21 US-Dollar für die „Utility-Grade“-Version). Der P55A, wie auch andere Operationsverstärker in Philbricks damaliger Produktpalette, bestand aus diskreten Komponenten, wobei seine Transistoren, Widerstände und Kondensatoren in einem soliden „Baustein“ untergebracht waren, der einem großen integrierten Schaltungspaket ähnelte.
Es ist nicht sehr schwierig, einen groben Operationsverstärker mit diskreten Komponenten zu bauen. Ein Schema einer solchen Schaltung ist in der Abbildung unten gezeigt.
Ein einfacher Operationsverstärker aus diskreten Komponenten.
Obwohl seine Leistung für moderne Standards eher düster ist, zeigt es, dass keine Komplexität erforderlich ist, um einen minimal funktionsfähigen Operationsverstärker zu erstellen. Transistoren Q3 und Q4 bilden das Herzstück einer weiteren Differenzpaarschaltung, dem Halbleiter-Äquivalent der ersten Triodenröhre im K2-W-Schaltplan. Wie bei der Vakuumröhrenschaltung besteht der Zweck eines Differenzpaares darin, eine Differenzspannung zwischen den beiden Eingangsanschlüssen zu verstärken und in eine Single-Ended-Ausgangsspannung umzuwandeln.
Auswirkungen der integrierten Schaltungstechnologie auf Op-Amp-Designs
Mit dem Aufkommen der integrierten Schaltungstechnologie (IC) haben Operationsverstärker-Designs eine dramatische Steigerung der Leistung, Zuverlässigkeit, Dichte und Wirtschaftlichkeit erfahren. Zwischen den Jahren 1964 und 1968 führte die Fairchild Corporation drei Modelle von IC-Operationsverstärkern ein:den 702, 709 und den immer noch beliebten 741. Während der 741 heute in Bezug auf die Leistung als veraltet gilt, ist er immer noch ein Favorit unter den Bastler wegen seiner Einfachheit und Fehlertoleranz (zB Kurzschlussschutz am Ausgang). Meine persönliche Erfahrung mit dem Missbrauch vieler 741 Operationsverstärker hat mich zu dem Schluss geführt, dass es ein harter Chip ist, den man töten kann. . .
Das interne schematische Diagramm für einen Operationsverstärker des Modells 741 ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Schematische Darstellung eines Operationsverstärkers Modell 741.
Nach den Standards für integrierte Schaltkreise ist der 741 ein sehr einfaches Gerät:ein Beispiel für kleine Integration , oder SSI Technologie. Es wäre keine leichte Aufgabe, diese Schaltung mit diskreten Komponenten zu bauen, sodass Sie die Vorteile selbst der primitivsten integrierten Schaltungstechnologie gegenüber diskreten Komponenten sehen können, bei denen es um hohe Teilezahlen geht.
Vergleich der Leistungsspezifikationen einiger Operationsverstärker
Für Bastler, Studenten oder Ingenieure, die eine höhere Leistung wünschen, stehen buchstäblich Hunderte von Operationsverstärkermodellen zur Auswahl. Viele verkaufen für weniger als einen Dollar pro Stück, sogar im Einzelhandel! Spezialinstrumente und Hochfrequenz-(HF)-Operationsverstärker können etwas teurer sein. In diesem Abschnitt stelle ich mehrere beliebte und erschwingliche Operationsverstärker vor und vergleiche und kontrastiere ihre Leistungsspezifikationen. Die ehrwürdige 741 wird als „Benchmark“ zum Vergleich mitgeliefert, obwohl sie, wie gesagt, als veraltetes Design gilt.
Weit verbreitete Operationsverstärker
In der obigen Tabelle sind nur einige der kostengünstigen Operationsverstärkermodelle aufgeführt, die von Elektroniklieferanten allgemein erhältlich sind. Die meisten von ihnen sind in Einzelhandelsgeschäften wie Radio Shack erhältlich. Alle kosten unter 1,00 USD direkt vom Hersteller (Preise für das Jahr 2001). Wie Sie sehen, gibt es zwischen einigen dieser Einheiten erhebliche Leistungsunterschiede. Nehmen Sie zum Beispiel den Parameter des Eingangs-Bias-Stroms:Der CA3130 gewinnt mit 0,05 nA (oder 50 pA) den niedrigsten Preis, und der LM833 hat den höchsten mit etwas über 1 µA. Das Modell CA3130 erreicht seinen unglaublich niedrigen Ruhestrom durch den Einsatz von MOSFET-Transistoren in seiner Eingangsstufe. Ein Hersteller bewirbt die Eingangsimpedanz des 3130 mit 1,5 Tera-Ohm oder 1,5 x 10 12 ! Andere hier gezeigte Operationsverstärker mit niedrigen Vorspannungswerten verwenden JFET-Eingangstransistoren, während die Modelle mit hohem Vorspannungsstrom bipolare Eingangstransistoren verwenden.
Während der 741 in vielen elektronischen Projektplänen spezifiziert und in vielen Lehrbüchern vorgestellt wird, wird seine Leistung seit langem von anderen Designs in jeder Hinsicht übertroffen. Sogar einige Designs, die ursprünglich auf der 741 basierten, wurden im Laufe der Jahre verbessert, um die ursprünglichen Designspezifikationen weit zu übertreffen. Ein solches Beispiel ist das Modell 1458, zwei Operationsverstärker in einem 8-Pin-DIP-Gehäuse, das einst genau die gleichen Leistungsspezifikationen hatte wie der einzelne 741. In seiner neuesten Version verfügt es über einen breiteren Versorgungsspannungsbereich, eine 50-mal so hoch und fast doppelt so hoch wie die Ausgangsstromkapazität eines 741, während der Ausgangskurzschlussschutz des 741 erhalten bleibt. Operationsverstärker mit JFET- und MOSFET-Eingangstransistoren weit übertreffen die Leistung des 741 in Bezug auf den Vorspannungsstrom und schaffen es im Allgemeinen, den 741 auch in Bezug auf Bandbreite und Anstiegsrate zu schlagen.
Meine persönlichen Empfehlungen für Operationsverstärker lauten wie folgt:Wenn ein niedriger Bias-Strom Priorität hat (wie in langsamen Integratorschaltungen), wählen Sie den 3130. Für allgemeine DC-Verstärkerarbeiten bietet der 1458 eine gute Leistung (und Sie zwei Operationsverstärker in einem Paket). Wählen Sie für eine Leistungssteigerung das Modell 353, da es ein pinkompatibler Ersatz für das 1458 ist. Das 353 ist mit einer JFET-Eingangsschaltung für einen sehr geringen Vorstrom ausgestattet und hat eine 4-mal so große Bandbreite wie das 1458, obwohl seine Ausgangsstromgrenze ist niedriger (aber immer noch kurzschlussgeschützt). Es mag schwieriger sein, es im Regal Ihres örtlichen Elektronikhändlers zu finden, aber es ist genauso günstig wie das 1458.
Wenn eine niedrige Versorgungsspannung erforderlich ist, empfehle ich das Modell 324, da es bereits mit 3 Volt DC funktioniert. Die Anforderungen an den Eingangs-Bias-Strom sind ebenfalls gering und er bietet vier Operationsverstärker in einem einzigen 14-Pin-Chip. Seine größte Schwäche ist die Geschwindigkeit, die auf 1 MHz Bandbreite und eine Ausgangsslew-Rate von nur 0,25 Volt pro µs begrenzt ist. Für Hochfrequenz-AC-Verstärkerschaltungen ist der 318 ein sehr gutes "Allzweck"-Modell.
Beispiele für Operationsverstärker mit hoher Bandbreite und hohem Strom
Op-Amps für spezielle Zwecke sind zu geringen Kosten erhältlich, die bessere Leistungsspezifikationen bieten. Viele davon sind auf eine bestimmte Art von Leistungsvorteil zugeschnitten, wie beispielsweise maximale Bandbreite oder minimaler Vorspannungsstrom. Nehmen Sie zum Beispiel die Operationsverstärker, die beide für eine hohe Bandbreite in der folgenden Tabelle ausgelegt sind.
Operationsverstärker mit hoher Bandbreite
Der CLC404 kostet 21,80 US-Dollar (fast so viel wie George Philbricks erster kommerzieller Operationsverstärker, wenn auch ohne Inflationskorrektur), während der CLC425 mit 3,23 US-Dollar pro Einheit etwas günstiger ist. In beiden Fällen wird eine hohe Geschwindigkeit auf Kosten hoher Bias-Ströme und restriktiver Spannungsversorgungsbereiche erreicht. Einige Operationsverstärker, die für eine hohe Ausgangsleistung ausgelegt sind, sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.
Hochstrom-Operationsverstärker
Ja, der LM12CL hat tatsächlich einen Ausgangsstrom von 13 Ampere (13.000 Milliampere)! Es kostet 14,40 US-Dollar, was angesichts der rohen Leistung des Geräts nicht viel Geld ist. Der LM7171 hingegen tauscht eine hohe Stromausgangsfähigkeit gegen eine schnelle Spannungsausgangsfähigkeit (eine hohe Anstiegsrate). Es kostet 1,19 US-Dollar, etwa so niedrig wie einige "Allzweck"-Operationsverstärker.
Verstärkerpakete können im Gegensatz zu bloßen Operationsverstärkern auch als komplette Anwendungsschaltungen erworben werden. Die Unternehmen Burr-Brown und Analog Devices zum Beispiel, die beide seit langem für ihre Produktlinien von Präzisionsverstärkern bekannt sind, bieten Instrumentenverstärker in vorgefertigten Gehäusen sowie andere spezialisierte Verstärkergeräte an. In Designs, bei denen hohe Präzision und Wiederholbarkeit nach der Reparatur wichtig sind, kann es für den Schaltungsdesigner von Vorteil sein, einen solchen vorgefertigten Verstärkerblock zu wählen, anstatt die Schaltung aus einzelnen Operationsverstärkern aufzubauen. Natürlich kosten diese Einheiten in der Regel etwas mehr als einzelne Operationsverstärker.
VERWANDTES ARBEITSBLATT:
- Arbeitsblatt für grundlegende Operationsverstärker
Industrietechnik