Операционные усилители (ОУ) сегодня известны всем. Классические ОУ, с обратной связью по напряжению. Но не все сталкивались с другим типом ОУ, с токовой обратной связью. Такие усилители используются гораздо реже, но это не делает их менее интересными. Можно встретить и другое название таких усилителей - трансимпедансные.
ОУ с токовой ОС внешне, и по изображению на схемах, не отличается от обычного. Но его внутренний мир иной. Использование таких ОУ имеет свои особенности, они не взаимозаменяемы с обычными ОУ. Давайте сначала посмотрим на некоторые параметры, например, ОУ AD 8009. Они выглядят весьма впечатляюще:
- Скорость нарастания выходного напряжения: 5500 В/мкс, для для перепада 4 В и коэффициента усиления +2.
- Полоса пропускания для большого сигнала: 440 МГц (коэффициент усиления +2), 350 МГц (коэффициент усиления +10).
- Полоса пропускания для малого сигнала: 1 ГГц (коэффициент усиления +1), 700 МГц (коэффициент усиления +2)
- Выходной ток: до 170 мА
Нет, я не пропустил запятые и не ошибся в единицах измерения. Это параметры из документации, и они именно такие. Не все ОУ с токовой ОС могут похвастаться такими параметрами. Например у OP683 полоса пропускания всего 150 МГц при коэффициенте усиления +2. Но, например, MAX4226 имеет сходную полосу пропускания, правда скорость нарастания у него всего 1700 В/мкс.
В любом случае, частотные и скоростные параметры ОУ с токовой ОС значительно превышают таковые у обычных ОУ, с обратной связью по напряжению. В чем же тут дело? И для каких применений требуются такие параметры?
Внутренний мир ОУ с токовой ОС
Видно, что главное отличие ОУ с токовой ОС - совершенно иная схема входного каскада. Неинвертирующий вход подключен к буферному усилителю с единичным усилением. Входное сопротивление этого усилителя, а значит и неинвертирующего входа, обычно большое. А вот инвертирующий вход ОУ является выходом этого усилителя. Выходное сопротивление усилителя низкое, низким получается и входное сопротивление инвертирующего входа. Более того, через инвертирующий вход будет протекать ток.
То есть, в ОУ с токовой ОС входы не являются симметричными. А входной каскад не является дифференциальным. При этом, поскольку коэффициент передачи буферного усилителя равен единице, напряжение на входах ОУ одинаковое.
Давайте теперь посмотрим на схему реального ОУ. В документации их приводят не часто, но для LM6182 она есть
Итак, инвертирующий вход действительно является выходом входного буферного усилителя. А входной буферный усилитель, в данной микросхеме, является эмиттерным повторителем. Причем нагрузкой первого каскада являются источники тока, это улучшает характеристики повторителя.
Второй каскад входного буферного усилителя включает в себя токовые зеркала в цепях коллекторов. Генерируемый этими зеркалами суммарный ток будет пропорционален току нагрузки буферного усилителя, то есть, току через инвертирующий вход ОУ. Именно этот суммарный ток и преобразуется в выходное напряжение.
Таким образом, выходное напряжение определяется током через инвертирующий вход. А коэффициент передачи можно описать как отношение выходного напряжения к входному току. Это отношение имеет размерность сопротивления и называется трансимпедансом. Иногда, например в документации на AD8009, можно встретить термин трансрезистанс.
Трансимпеданс является комплексной величиной. Можно рассматривать его как комплексное сопротивление, на которое нагружены токовые зеркала. Активная часть трансимпеданса (Rt на первой иллюстрации) и определяет коэффициент передачи ОУ с токовой ОС на постоянном токе и в области низких частот. А реактивная часть определяет коэффициент передачи на средних и высоких частотах.
Давайте посмотрим на параметры (типовые) реального ОУ AD8009:
- Входное сопротивление неинвертирующего входа: 110 кОм
- Входное сопротивление инвертирующего входа: 8 Ом
- Коэффициент передачи с разомкнутой ОС (трансрезистанс): 250 кОм
Обратите внимание, что коэффициент передачи действительно указан как сопротивление. Для тока через инвертирующий вход 10 мкА выходное напряжение будет равняться 2.5 В, в типовой случае (для AD8009) при разомкнутой ОС.
Так же обратите внимание на очень низкое сопротивление неинвертирующего входа, всего 8 Ом. Кроме того, это сопротивление нельзя считать точным, так оно является выходным сопротивлением эмиттерных повторителей и на него влияют и параметры транзисторов, и температура.
Как это работает
Прежде всего нужно сказать, что на сопротивления резисторов Rf и Rg накладываются дополнительные ограничения, которые отражены в документации на конкретный ОУ. Это объясняется особенностями обеспечения устойчивости работы ОУ с токовой ОС и необходимо для получения заявленных в документации частотных параметров. В большинстве случаев эти резисторы будут низкоомными. В дальнейшем я не буду упоминать об этой особенности.
При столь большом отличии внутреннего устройства ОУ с токовой ОС от ОУ с ОС по напряжению может показаться, что и расчетные соотношения для усилительных каскадов на ОУ будут различаться. Однако, все несколько проще. Давайте посмотрим еще раз на неинвертирующий усилитель
От классического неинвертирующего усилителя на ОУ данный случай отличается наличием тока через инвертирующий вход. Именно этот ток и определяет выходное напряжение. Однако вспомним, что напряжение на инвертирующем входе будет равно напряжению на неинвертирующем входе, то есть, входному напряжению усилителя, как и в случае классического ОУ. Это обеспечивается буферным усилителем, как мы видели раньше.
Если составить все уравнения и решить их, то мы получим ту же самую формулу для коэффициента усиления по напряжению, что и для классического ОУ. Я опустил все промежуточные вычисления.
Обратите внимание, что здесь тоже использован знак приблизительного равенства. По той причине, что трансимпеданс реального ОУ не бесконечен, как и коэффициент усиления обычного ОУ. Кроме того, погрешность вносит и выходное сопротивление буферного усилителя, которое отлично от нуля.
Аналогично и для инвертирующего усилителя
В данном случае напряжение на инвертирующем входе будет равно 0, так как неинвертирующий вход заземлен. И опять отличие лишь в том, что ток через вход отличен от нуля.
И тут у внимательных читателей может возникнуть вопрос, почему же тогда я сказал, что ОУ с токовой ОС и обычные ОУ не взаимозаменяемы? Ведь и схемы усилителей, и формулы для расчета коэффициента усиления по напряжению идентичны.
Во первых, как мы уже видели, в ОУ с токовой ОС входы не симметричны, причем инвертирующий вход имеет очень малое сопротивление. Во вторых, эти ОУ фактически преобразуют ток через инвертирующий вход в выходное напряжение. А в третьих... Давайте посмотрим на схему повторителя напряжения.
Я показал красным цветом цепь, которая эквивалентна короткому замыканию. В случае обычного ОУ ток через инвертирующий вход отсутствует. Но для ОУ с токовой ОС оказываются соединены выход ОУ, обладающий низким выходным сопротивлением, и выход буферного усилителя (инвертирующий вход ОУ), который тоже обладает низким выходным сопротивлением. И ток в этой цепи будет ограничен лишь цепями защиты от перегрузки этих двух усилителей. Кроме того, усилитель при этом станет нестабильным. Поэтому в цепи обратной связи повторителя напряжения обязательно должен использоваться резистор, как показано на иллюстрации справа.
Другим примером может служить интегратор, когда в цепь обратной связи, между инвертирующим входом и выходом ОУ включается конденсатор. Я не буду отдельно иллюстрировать этот случай. Даже простое подключение конденсатора параллельно Rf может привести к проблемам с устойчивостью усилителя на ОУ с токовой ОС. Я не буду рассматривать в статье вопросы устойчивости, скажу лишь, что это приведет к появлению не только дополнительного полюса, но дополнительного нуля.
В случае интегратора остроту проблемы можно снизить, если включить Rf последовательно с конденсатором. Это ограничит коэффициент передачи петли ОС на высокой частоте и повысит устойчивость интегратора. Но на ОУ с токовой ОС лучше не строить схемы, в которых в цепь является реактивной зависящей от частоты. Лучше ограничится схемотехническими решениями, в которых такие ОУ используются как усилители, даже в схемах фильтров.
Типовые области применения ОУ с токовой ОС
Особенности построения схем на ОУ с токовой ОС делают их неудобными для замены классических ОУ, несмотря на высокое быстродействие и частотные свойства. Кроме того, на них сложно, а иногда и невозможно, реализовать некоторые схемы.
Зато эти ОУ отлично подходят для видеоусилителей, радиочастотных усилителей и фильтров, усилителей фототока, импульсных усилителей, буферных усилителей быстродействующих АЦП, и тому подобных схем.
Вот пример использования ОУ MAX 4223с токовой ОС в видеоусилителе
Аналогичная схема приводится в качестве примера и в документации на AD8009, где показано подключение дополнительного удаленного цветного монитора. Причем там указано и сопротивление резисторов Rf и Rg - 301 Ом. Как я и говорил, резисторы в цепи ОС используются низкоомные. Однако, для OPA683 сопротивление этих резисторов заметно выше - 1.2 кОм. Поэтому обязательно нужно изучать документацию.
Схема ВЧ фильтра
Нетрудно заметить, что в данном случае ОУ используется как повторитель напряжения. Причем резистор Rf включен в цепь ОС, как мы и рассматривали ранее.
Заключение
Мы кратко познакомились с ОУ с токовой ОС. Очень многие вопросы остались за рамками статьи. Это довольно специфичные усилители, которые предназначены для использования там, где нужны высокое быстродействие и работа на высоких частотах, а специфические особенности не накладывают слишком больших ограничений.
Не смотря на термин "операционные" эти усилители не являются дифференциальными с симметричными входами.
