Операционный усилитель: одиночный, сдвоенный или счетверенный?

Очевидным подходом при проектировании схем, где требуется много операционных усилителей, является использование сдвоенных или счетверенных ОУ. Во многих случаях это не влияет на параметры системы, однако для некоторых схем тщательный выбор между одиночными, сдвоенными и счетверенными ОУ, а также правильное размещение этих компонентов на плате могут улучшить характеристики схемы.

Одним их важных положений, выдвинутых еще первым исследователем монолитных ОУ Бобом Уидларом (Bob Widlar), было то, что интегральные схемы следует проектировать на основе согласования параметров компонентов, а не исходя из абсолютных номиналов резисторов или транзисторов. Этот принцип можно применить и при проектировании печатных плат, в которых используется много ОУ.

Действительно ли сдвоенный ОУ — это два ОУ или это один прибор с двумя функциями?

Существует мнение, что сдвоенный ОУ — это два отдельных ОУ, однако есть довольно тонкие различия между монолитной сдвоенной микросхемой и двумя отдельными микросхемами на плате, которые могут вызвать ряд проблем. Поскольку два ОУ расположены рядом на одном кристалле кремния, следует учитывать некоторые электрические и тепловые эффекты при использовании сдвоенного ОУ.

Влияние тепловых эффектов известно более 30 лет [2]. При изменении выходного напряжения ОУ изменяется и тепловое рассеивание, и тепловая волна распространяется по кристаллу по направлению ко входному каскаду, нарушая равновесие на входе и вызывая появление электрического сигнала. Тепловая волна может влиять на обе части сдвоенного ОУ, даже если они электрически разделены.

Наблюдаются также и электрические эффекты. Для уменьшения размера кристалла и, следовательно, стоимости прибора, некоторые узлы схемы, например, цепи смещения и запуска, делают общими для обоих каналов ОУ. Если один канал ОУ выйдет за допустимые пределы условий работы и вызовет отказ схемы смещения, то функционирование другого ОУ также нарушится. Кроме того, при использовании одной пары выводов питания проволочные соединения и некоторые металлизированные проводники на кристалле проводят ток, общий для обоих каналов ОУ. Ток, потребляемый в одной части кристалла, вызовет падение напряжения, степень влияния которого на другой канал ОУ зависит от коэффициента подавления помех по питанию (PSRR), изменяющегося с частотой.

При использовании сдвоенных ОУ имеются свои преимущества и недостатки. Некоторые из преимуществ достаточно очевидны. Во-первых, установка одного корпуса вместо двух снижает стоимость производства системы. Во-вторых, большинство производителей, как правило, предлагает сдвоенные ОУ по более низким ценам, чем два одиночных ОУ. За счет объединения некоторых узлов схемы площадь кристалла сдвоенного ОУ, как правило, меньше, чем удвоенная площадь кристалла одиночного ОУ. Третий момент: время измерения простых приборов, таких как ОУ, которое выполняется на высокоскоростной автоматизированной тестовой системе, ограничено, поэтому стоимость измерения одной функции также меньше. Эти же соображения верны и для стоимости корпуса. Наконец, т.к. два ОУ расположены на пластине очень близко друг к другу, электрические характеристики двух схем, которые обычно не оговорены техническими условиями, тоже очень схожи.

Есть, однако, и некоторые недостатки. При реализации двух или четырех схем в одном корпусе рассеивание мощности увеличивается. Для узкополосных и низковольтовых ОУ (с малым потреблением мощности) это увеличение приводит к незначительному (около 5°C) возрастанию температуры перехода. Для высокоскоростных ОУ, работающих на низкоимпедансную нагрузку, например, на коаксиальный кабель, такое увеличение может быть значительным, достигая едва ли не 30°C. Из-за механических напряжений в кристалле максимальное напряжение смещения для счетверенного ОУ будет выше, чем для сдвоенного или одиночного ОУ. В некоторых случаях сдвоенные ОУ будут иметь более высокое напряжение смещения, чем одиночные ОУ, а счетверенные будут иметь более высокое смещение, чем сдвоенные.

Кроме того, проблему представляют и перекрестные помехи, которые возникают из-за тепловых и электрических эффектов в кристалле. Как уже было сказано, тепловая волна от одного канала ОУ вызывает разбалансировку входного каскада другого канала сдвоенного ОУ. Это проявляется как низкочастотная обратная связь. К тому же, при использовании одного набора выводов питания для микросхемы сопротивление проволочного соединения является общим для всех каналов ОУ, поэтому ток большой нагрузки одной части схемы вызовет падение напряжения на проволочных соединениях. Коэффициент подавления помех по питанию ОУ не является бесконечной величиной, поэтому часть помех будет наводиться на другие части схемы. PSRR уменьшается с увеличением частоты, поэтому помехи проявляются, в основном, на частотах выше 5…10 кГц.

Влияние топологии на характеристики ОУ

Чтобы понять, почему происходят эти эффекты, полезно посмотреть, как устроены одиночные, сдвоенные и счетверенные ОУ.

Входной каскад

Обычно в качестве входного каскада ОУ используется дифференциальная пара. Она может быть выполнена на биполярных транзисторах как npn-, так и pnp-типа или построена на n- или p-канальных MOSFET или же на n- или p-канальных JFET.

Общая проблема для всех вариантов состоит в том, что если температура одного транзистора дифференциальной пары отличается от температуры другого транзистора даже на десятую долю градуса, то каскад будет разбалансирован. При коэффициенте усиления более 100 тыс. это может повлиять на выходное напряжение. Когда выходной каскад рассеивает мощность, тепловая волна перемещается через кристалл ко входному каскаду. Если входной каскад находится сравнительно далеко от выходного, изотермы будут представлять собой почти параллельные линии. Если два входных транзистора расположить таким образом, что волна достигнет обоих транзисторов в одно и то же время, равновесие на входе не нарушится.

Это неплохая идея, но можно предложить и лучшее решение. Если разделить каждый из входных транзисторов на два транзистора и соединить их перекрестно, то тепловая волна будет воздействовать на обе части схемы в меньшей степени, чем если бы транзисторов было только два. Термин «счетверенный ОУ с перекрестным соединением» имеет несколько значений, и это наиболее распространенное из них.

Имеются и другие методы оптимизации топологии кристалла в связи с влиянием в нем напряжений, температурного коэффициента резисторов и других факторов, которые подробно освещены в [3].

Расположение выводов корпуса

В [1] подробно перечислены топологии расположения выводов корпуса, и мы не будем подробно их описывать. Отметим лишь, что оптимальная топология для сдвоенного ОУ не является оптимальной для счетверенного ОУ. Можно, конечно, спроектировать индивидуальные топологии для одиночного, сдвоенного и счетверенного ОУ, но с учетом времени вывода изделия на рынок и стоимости проектирования стандартным подходом является повторное использование существенных частей проекта. Когда в семействе ОУ планируются только одиночные и сдвоенные версии, то обычно оптимизируется топология сдвоенного варианта.

Как-то довольно давно один из производителей создал счетверенный ОУ, который демонстрировал весьма хорошие характеристики. Секрет был в использовании специальной выводной рамки, в которой размещалось два сдвоенных кристалла, т.е. прибор представлял собой гибридное устройство или многокристальный модуль. Это требовало выполнения сборки прибора либо на заводе-изготовителе, либо в компании, специализирующейся на сборке. Конечный процент выхода годных такого прибора приблизительно равен произведению процентов выхода годных отдельных кристаллов. Например, если выход годных кристалла равен 99%, то конечный процент выхода годных прибора был бы равен 0,99 × 0,99 = 98,01%, что вполне допустимо. Если же процент выхода годных кристалла равен 90%, что вполне возможно для приборов с весьма малыми допусками на параметры, то общий выход годных будет равен 0,9 × 0,9 = 81%.

Примеры удачных схем

С учетом сложного взаимодействия между каналами ОУ возникает вопрос: когда имеет смысл использовать согласованные характеристики сдвоенных ОУ? Приходят на ум два довольно распространенных приложения: построение инструментального усилителя, состоящего из трех ОУ, и схема компенсации фазы для критичных приложений. Схема классического инструментального усилителя, состоящего из трех ОУ, показана на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальная схема инструментального усилителя, состоящего из трех ОУ

Как правило, для этого приложения предпочитают использовать счетверенные ОУ, однако заметим, что A1 и A2 могут работать с коэффициентом усиления шума равным пяти, десяти и выше. Это означает, что следует уделить особое внимание напряжению входного смещения и напряжению шума на входе. A3 имеет другие требования, поэтому для него целесообразно использовать другой тип ОУ. A3 обычно работает при значительно меньшем значении коэффициента усиления, и уровень его входного шума по отношению к общему входу инструментального усилителя делится на коэффициент усиления первого каскада, поэтому он менее важен. Наконец, нагрузка для третьего ОУ, в общем случае, больше, чем для первых двух ОУ.

Смещение входного каскада будет зависеть от напряжения смещения операционных усилителей A1 и A2. На рынке имеется немного сдвоенных ОУ, которые имеют гарантированное согласование двух каналов. Даже если согласование не гарантируется, то всегда стараются обеспечить достаточное согласование двух ОУ. Например, максимальный температурный дрейф напряжения смещения AD8599 равен 2,2 мкВ/°C, и хотя согласование не предусмотрено техническими условиями, измерения на случайной выборке из 100 приборов показали максимальную разницу по этому параметру менее 1 мкВ/°C.

При проектировании системы следует учитывать наихудшее сочетание параметров и использовать максимальное значение напряжения смещения Vos, указанное в технической документации для схем в интегральном исполнении. Одним из наиболее важных параметров инструментального усилителя является коэффициент подавления синфазной помехи (CMRR). Согласование ОУ A1 и A2 по CMRR позволяет улучшить общую величину CMRR. Это главная причина, по которой стараются использовать монолитный сдвоенный ОУ для входного каскада в этом приложении.

Нагрузка для A1 и A2 не является большой, однако для A3 нагрузка может быть довольно значительной, поэтому с точки зрения электрических и тепловых факторов лучше использовать монолитный сдвоенный и одиночный ОУ. В пользу этого говорит и возможность более простой разводки. Заметим, что коэффициент подавления синфазной помехи по постоянному и переменному току для выходного каскада существенно зависит от согласования резисторов и паразитных емкостей, что часто игнорируют.

Современный технологический процесс позволяет создать монолитный дифференциальный усилитель с лазерной подгонкой тонкопленочных резисторов (например, AD8271), который стоит меньше и обеспечивает лучшие характеристики, чем дискретный ОУ с четырьмя резисторами с 0,1-% допусками. В зависимости от требуемой величины CMRR на данной частоте, площади на печатной плате, точности системы и тока потребления можно выбрать полный монолитный инструментальный усилитель, например, AD8226.

Мониторинг шин питания

В системе с однополярным питанием сдвиг фазы составляет 45°, когда амплитуда уменьшается на 3 дБ. Расчетные значения фазо- и амплитудно-частотных характеристик приведены в таблице 1. Заметим, что даже на частоте в 100 раз ниже частоты среза сдвиг фазы еще превышает полградуса, а амплитуда немного меньше допустимой величины. Для систем, в которых следует обеспечить высокую точность как по амплитуде, так и по фазе, например, для систем мониторинга линий питания, можно использовать характеристики по переменному току одного канала ОУ для того, чтобы компенсировать фазовую характеристику другого канала ОУ.

Таблица 1. Зависимость сдвига фазы и амплитуды от частота перегиба

Нормализованная частота перегиба	Сдвиг фазы, град.	Амплитуда, дБ
0,001	0,057	-4,34E-6
0,01	0,573	-4,34E-4
0,1	5,71	-0,086
0,5	26,57	-0,969
1(fp)	45	-3,01
2	63,43	-4,77
10	84,29	-20,04
100	89,43	-40,00

Базовая концепция такого подхода показана на рисунке 2. На рисунке 3 изображены фазовые характеристики для обычной однополюсной системы (на графике она обозначена как «нескомпенсированная») и для системы, показанной на рисунке 2 (на графике она обозначена как «скомпенсированная»).

Рис. 2. Схема компенсации фазы на сдвоенном ОУ

Рис. 3. Фазовые характеристики обычной однополюсной системы и схемы с компенсацией фазы, показанной на рисунке 2

Примеры неудачных схем

Счетверенный ОУ в сигнальной цепи

Для сигналов величиной несколько милливольт сигнальная цепь должна иметь малый уровень шума для того, чтобы поддерживать приемлемый уровень общего отношения сигнал-шум. Распределяя коэффициент усиления по цепи и выбирая соответствующий одиночный, сдвоенный или счетверенный ОУ, можно улучшить характеристики и снизить общую стоимость такой схемы. Например, при максимальном входном сигнале равном 50 мВ, 10-В напряжении и 2-кОм резисторе на выходе, потребуется коэффициент усиления равный  200.

Четыре блока сигнальной цепи, показанной на рисунке 4, могут быть сконфигурированы как буфер, инвертирующий суммирующий усилитель с коэффициентом усиления –1 для регулировки смещения всей сигнальной цепи, фильтр Саллена-Кея с коэффициентом усиления 1 или усилительный каскад с коэффициентом усиления 200.

Для реализации общих требований к сигнальной цепи из четырех блоков можно было бы выбрать счетверенный ОУ. Однако это бы-
ло бы плохим решением по нескольким причинам.

1. Для того чтобы получить низкий уровень шума в первом каскаде, необходимо было бы выбрать счетверенный ОУ с малым уровнем шума, например, AD8674.

2. На печатной плате в этом случае возникнет паразитная емкостная связь между выходным и входным каскадами и тепловая связь на кристалле между каналами ОУ.

3. Для последнего каскада потребуется большая величина произведения коэффициента усиления на ширину полосы пропускания.

Лучшим решением (хотя и не единственным) было бы введение большего усиления в начальных каскадах сигнальной цепи. Слишком большое усиление в начальных каскадах может привести к перегрузке промежуточного каскада. Если коэффициент усиления в первом каскаде равен десяти, то вклад собственного шума второго каскада в суммарный шум уменьшается в 10 раз. Поскольку каждый каскад добавляет усиление, то требования к последующему каскаду снижаются.

Таким образом, покупка дорогого счетверенного ОУ с низким уровнем шума и использование его для всех четырех блоков не является столь экономически выгодным решением, как использование сдвоенного ОУ с низким уровнем шума для первых двух каскадов и недорогого сдвоенного ОУ общего назначения для последних двух каскадов.

Усилитель наушников

Даже если было бы возможно создать превосходный сдвоенный ОУ на кремниевом кристалле, имелся бы ряд проблем, связанных с корпусом и печатной платой. Сдвоенные и счетверенные ОУ имеют один общий набор выводов питания, а не два или четыре. Сопротивление проволочного соединения может составлять 50…100 мОм, поэтому использование одного канала сдвоенного ОУ для питания током 100…200 мА наушников
с низким импедансом может вызвать проблемы.

Предполагается, что все символы, обозначающие «землю» на типовой электрической схеме, отражают тот факт, что в этой точке напряжение равно 0 В, но это не совсем верно. В одной точке земляной шины напряжение действительно равно 0 В, но из-за падения напряжения в других точках земляной шины потенциал на самом деле на мкВ выше или ниже 0 В. Из-за того, что проводник печатной платы длиной 1 дюйм может иметь сопротивление 50 мОм, в самых неожиданных местах схемы может возникать дополнительное падение напряжения.

Идеальная схема стереоусилителя наушников на базе двух ОУ теоретически имеет бесконечное разделение каналов. Однако в реальной схеме разделение каналов может не превышать 60 дБ. Дело в том, что проволочные соединения и металлизация на кристалле могут вносить перекрестные помехи, однако основной вклад в ухудшение характеристик схемы вносит проводник печатной платы длиной четверть дюйма, который является общим проводником для нагрузки левого канала и источника сигнала правого канала. Использование двух одиночных ОУ в этом случае позволило бы улучшить характеристики, снизить температуру перехода, повысить надежность и упростить топологию печатной платы усилителя наушников.

Заключение

Для того чтобы получить наилучшие характеристики и снизить стоимость системы, необходимо оценить условия в каждом узле схемы и принять решение об использовании наиболее подходящего ОУ. При автоматизированном монтаже плат и малых размерах корпуса использование одиночных и сдвоенных ОУ вместо счетверенных может не повлиять на общую стоимость системы. Принимая во внимание топологию печатной платы, характеристики системы в диапазоне температур, требуемое разделение каналов, согласование фазы и стоимость, можно выбрать наилучшее сочетание одиночных и сдвоенных ОУ в схеме.

Литература

1. Harry Holt. Op amps: to dual or not to dual?//www.eetimes.com.

2. James Solomon. The Monolithic Op Amp: A Tutorial Study//IEEE JSSC Vol. SC-9, No. 6 Dec.1974.

3. Alan Hastings. Art of A nalog Layout. 2nd Ed//Prentice Hall, 2005.