Максимальный ток потребления операционных усилителей: технические спецификации обманывают? Часть 1

Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2011

Harry Holt, Analog Devices

EDN

В статье разъясняется, что в действительности означает этот характерный и важный параметр ОУ, и почему на практике он может быть больше, чем заявленное в документации значение

В большинстве спецификаций на операционные усилители приводится параметр максимального потребляемого тока, но производители зачастую упускают условия его измерения. Для некоторых ОУ с rail-to-rail выходом, при определенных режимах эксплуатации, этот ток может превышать заявленных максимум от двух до десяти раз. Целью настоящей статьи является показать, на что следует обращать внимание при определении величины максимального тока потребления, как для биполярных, так и для КМОП операционных усилителей.

Почти во всех справочных материалах на микросхемы приводят гарантированный максимальный ток потребления, но не каждый раз допустимо использовать эту величину в своих расчетах с учетом наихудших условий. Хорошо известно, что цифровые КМОП микросхемы потребляют ток, величина которого растет с увеличением тактовой частоты, но как здесь обстоит дело с аналоговыми компонентами, особенно с ОУ? Считать максимумом сумму тока потребления и тока нагрузки, в общем случае, как мы увидим, неправомерно.

ОУ работают в режиме с замкнутой обратной связью, в то время как компараторы работают без такой связи. Разработчики редко задумываются о том, что следует из этого факта. Однако при попытке заставить ОУ работать в режиме компаратора зачастую возникают проблемы. Данный подход довольно заманчив, потому что большинство ОУ имеют малый уровень смещения и шума, из-за чего разработчики любят использовать их в качестве прецизионных компараторов. Все это работало нормально со старыми ОУ, для питания которых требовалось напряжение ±15 В, а входные сигналы находились в пределах ±10 В, особенно если разработчик еще добавлял положительный гистерезис, чтобы избежать колебаний и ускорить переход через нестабильную зону. Серьезные проблемы начались с появлением усилителей, имеющих rail-to-rail выход [1].

История

В мире цифровых технологий логические элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ и прочие имеют отличительные формы начертания и соответствующие обозначения. Однако в аналоговом мире обозначение ОУ и компараторов сводится к треугольнику с двумя входами и одним выходом. ОУ долгое время использовались в качестве компараторов, соответственно, появилось множество публикаций, посвященных применению компараторов и ОУ как компараторов. Например, когда в 1967 году компания National Semiconductor представила LM101A, в документации была изображена схема включения этого ОУ в режиме компаратора. В документе MT-083 фирмы Analog Devices обсуждаются общие вопросы использования компараторов, но нет ни слова об использовании ОУ в качестве компараторов [2]. В другой статье обсуждаются общие соображения использования ОУ в качестве компаратора, но никак не рассматриваются ОУ с rail-to-rail выходом [3]. Статья предупреждает о несимметрии входов относительно синфазных напряжений и затрагивает различия напряжений в дифференциальном режиме.

Два разных автора руководств по применению продукции Analog Devices советуют не использовать ОУ в качестве компаратора, но, в конечном итоге, сходятся на том, что для некоторых приложений это может быть наиболее подходящим решением [4] и [5]. Согласно другому автору, «дьявол кроется в мелочах». Этот автор выполнил отличную работу, касающуюся диодов защиты входов, переворота фазы входного напряжения и ряда других характеристик ОУ, и приводит доводы в пользу того, что внимательное отношение к этим деталям может окупиться [6]. Он вкратце упоминает ОУ с rail-to-rail выходом, но не затрагивает вопросов, связанных с током потребления.

По мере снижения напряжений, питающих ОУ, одним из решений, направленных на расширение диапазона сигналов, с которыми может работать усилитель, было превращение классического выходного каскада в каскад с rail-to-rail выходом. На Рисунке 1 показан классический выходной каскад. С таким каскадом, без rail-to-rail, разница между выходным сигналом и напряжением положительной шины питания не может быть меньше 1 В. Чтобы подобраться к шинам питания поближе, разработчики заменили обычный выходной каскад каскадом с общим эмиттером (Рисунок 2). Так называемый rail-to-rail выход может позволить выходному напряжению приблизиться к шинам питания на 50 – 100 мВ, в зависимости от размеров выходного транзистора и тока нагрузки.

Рисунок 1.	В классическом выходном каскаде, без rail-to-rail, разница между выходным сигналом и напряжением положительной шины питания не может быть меньше 1 В.

Рисунок 2.	Чтобы приблизить выходное напряжение к шинам питания, разработчики заменили обычный выходной каскад каскадом с общим эмиттером.

Сравнивая эти два выходных каскада, следует отметить, что классический каскад имеет усиление по току, и меньшее единицы усиление по напряжению, и отличается низким выходным сопротивлением. Выход с rail-to-rail представляет собой схему с общим эмиттером, и поэтому имеет коэффициент усиления по напряжению равный произведению крутизны на сопротивление нагрузки R_L. R_L состоит из внешнего сопротивления нагрузки и выходного сопротивления транзистора. При разнице между выходным напряжением и шиной питания, превышающей несколько сотен милливольт, выходной импеданс большой, и в большинстве случаев им можно пренебречь, но только не тогда, когда уровень выхода близок к напряжению питания. Также следует заметить, что выход можно рассматривать как классическую схему двухтранзисторного токового зеркала, которое может оказаться источником проблем.

В нормальном режиме работы средний каскад подтягивает узел база-коллектор вниз, отдавая в нагрузку больше тока и поднимая уровень напряжения. При наличии отрицательной обратной связи усиление входного и среднего каскадов уменьшается до тех пор, пока не будет уравновешено влияние цепи обратной связи.

Когда вы используете ОУ в качестве компаратора, средний каскад тянет узел база-коллектор вниз, стремясь замкнуть обратную связь. Но в отсутствие обратной связи каскад будет продолжать тянуть узел книзу с еще большей настойчивостью. Возникающий дополнительный ток находит путь от вывода положительного питания к отрицательному и становится добавочным током потребления. Управлять выходным каскадом можно различными способами, используя разницу в подвижности дырок и электронов, при этом увеличение тока потребления будет асимметричным.

Ссылки

1. Kester, Walt, “Op Amp Inputs, Outputs, Single-Supply, and Rail-to-Rail Issues,” MT-035 Tutorial, Analog Devices, 2008.
2. “Comparators,” MT-083 Tutorial, Analog Devices, October 2008.
3. Sylvan, John, “High-speed comparators provide many useful circuit functions when used correctly,” Analog Dialogue, Ask the Applications Engineer-5.
4. Bryant, James, “Using Op Amps as Comparators,” Application Note AN-849, Analog Devices, 2006.
5. Kester, Walt, “Using Op Amps As Comparators,” MT-084 Tutorial, Analog Devices, 2008.
6. Moghimi, Reza, “Amplifiers as Comparators?” Analog Dialogue, Ask the Applications Engineer-31, April 2003.

Часть 2