Роль диапазона входного синфазного напряжения при выборе операционного усилителя

Основными параметрами при подборе модели ОУ являются напряжение питания, произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания, скорость нарастания выходного напряжения, входное шумовое напряжение. Однако не менее важное значение имеет диапазон входного синфазного напряжения — ключевой параметр для любого ОУ, пренебрежение которым может привести к непредсказуемому поведению усилителя.
Возможно, многие имели дело с ситуацией, когда выходной сигнал ОУ не соответствовал ожидаемому. Причиной нежелательных сигналов на выходе мог быть неправильный подбор номиналов в выходном каскаде. Например, слишком большая выходная емкость может вызывать колебания или срезание импульсов до того, как их амплитуда достигнет максимального значения, если размах сигнала выходного каскада меньше максимального напряжения питания.
Странное поведение на выходе ОУ может быть связано не с выходным, а с входным каскадом, в случае если входной сигнал выходит за диапазон входного синфазного напряжения.

Рис. 1. Нахождение входного синфазного напряжения

Входное синфазное напряжение V_ICM — это один из важнейших параметров входного каскада. Он характеризует среднее значение напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах (см. рис. 1): V_ICM  = [V_IN++V_IN–]/2.
Другой способ определения входного синфазного напряжения заключается в нахождении общего уровня напряжения для интертирующего и неинвертирующего входов V_IN+ и V_IN–. В большинстве схем V_IN+ очень близко к V_IN–, поскольку за счет отрицательной обратной связи напряжение на одном выводе близко повторяет напряжение на другом. Это определение справедливо для синфазных схем, в том числе для повторителей напряжения, инвертирующих и неинвертирующих схем. В этих случаях принимают V_IN+ = V_IN– = V_ICM .
Другой параметр, характеризующий вход ОУ — это диапазон входного синфазного напряжения V_ICMR. Как правило, он всегда указывается в технической документации и имеет первостепенное значение для разработчиков. Диапазон входного синфазного напряжения характеризует значения напряжения, при которых ОУ работает корректно, а также показывает, насколько близко может быть входной сигнал к напряжению питания:

V_ICMR  = V_{ICM R_MAX} — V_{ICM R_MIN},

где V_{ICM R_MIN} — предел по отношению к отрицательному напряжению питания V_CC–, V_{ICM R_MAX} — предел по отношению к положительному напряжению питания V_CC+. (см. рис. 2). Когда напряжение превышает этот диапазон, усилитель может перейти в нелинейный режим.

Рис. 2. Определение VICM R

Заметим, что введенные выше обозначения V_ICM  и V_ICM R не являются общепринятыми и могут выбираться производителем произвольно (наиболее распространены варианты V_CM, V_IC и V_CMR).

Характеристики входного каскада усилителя зависят от применяемой технологии (КМОП, БПТ, полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом). В таблице 1 приведены примеры усилителей Texas Instruments. В графе «максимальный диапазон напряжения питания» приведены ограничения для случаев однополярного и двуполярного напряжений питания. Видно, что все усилители имеют разные диапазоны входного синфазного напряжения, причем оно может быть как больше, так и меньше размаха напряжения питания. Соответственно, значение данного параметра всегда необходимо брать из технической документации.

Особого внимания заслуживают ОУ, у которых входной сигнал имеет размах напряжения питания (rail-to-rail). Несмотря на название, не все усилители этого класса могут работать с полным диапазоном напряжения питания. Необходимо сверяться с технической документацией.

Как правило, выход за V_ICMR  встречается в схемах с однополярным источником питания (ИП) 3,3 В, 5 В или другим невысоким значением. В таких схемах диапазон входного напряжения обычно узкий. Если сигнал не попадает в него, на выходе ОУ могут появляться нежелательные эффекты, такие как срезание импульсов ниже ожидаемого уровня, сдвиг напряжения, изменение фазы или преждевременное достижение напряжения питания.
Рассмотрим некоторые примеры неправильной работы, чтобы понять, чем опасно несоблюдение V_ICM R. Пусть имеется два ОУ с разными V_ICMR  и выходным сигналом, равным размаху напряжения питания. На рисунке 3 приведена схема с однополярным ИП. Измерения проводятся в лабораторных условиях при комнатной температуре около 25ºС.
Рассмотрим ОУ TLC2272 с V_CC = 10 В. В документации указано, что V_ICMR  составляет: –0,3…4,2 В при напряжении питания 5 В и температуре окружающей среды 25ºС. Заметим, что диапазон входного сигнала близок к напряжению питания на 0,8 В ниже V_CC. Для нашего случая, соответственно, верхний предел входного напряжения составит около 9,2 В.
Подадим на вход синусоидальный сигнал с частотой 300 Гц и постоянной составляющей, равной половине V_CC, т.е. 5 В. Переменную составляющую регулируем так, чтобы на выходе появились изменения. Когда на входе пиковое значение 10 В, на выходе видим сигнал, срезанный в области положительного напряжения питания, а не отрицательного. Это результат того, что входной сигнал превышает 9,2 В. При входном напряжении 0…9,2 В усилитель работает правильно (см. рис. 4).

Рис. 3. Усилитель с однополярным ИП

Рис. 4. Срезание выходных импульсов при превышении 9,2 В на входе

Рассмотрим схему повторителя напряжения с выходным сигналом, равным размаху напряжения питания. Пусть схема питается от однополярного источника 5 В. В документации сказано, что V_ICMR  составляет от 1,15 до 3,85 В, или примерно 2,7 В, с постоянной составляющей V_CC/2. Подадим синусоидальный сигнал с частотой 1 кГц и постоянным смещением 2,5 В. Увеличиваем амплитуду входного сигнала с 200 мВ до тех пор, пока не изменится выходной сигнал. При амплитуде входного сигнала 2,7 В выходной сигнал линеен. Продолжаем увеличивать входной сигнал до 3,5 В. Линейный режим работы сохраняется. Заметим, что это превосходит заявленные в документации характеристики.
Как только сигнал чуть превышает 3,52 В, на выходе (см. рис. 5) наблюдается нелинейное поведение у обоих границ напряжения питания (0 и 5 В). Продолжаем увеличивать амплитуду входного сигнала. Как только она приближается к максимальному значению напряжения питания (см. рис. 6), в выходном сигнале появляется скачок, и он не меняется до тех пор, пока входной сигнал не примет допустимое значение. Если входной сигнал переходит нижнюю границу, на выходе усилителя происходит сдвиг фазы. Выходное напряжение принимает средний уровень, 2,5 В и повторяет входной сигнал, пока он снова не войдет в допустимый диапазон.

Рис. 5. Нелинейная работа при VIN = 3,52 В

Рис. 6. Выходной сигнал при VIN = 4,2 В

Рассмотренные примеры показывают, что реакция усилителя на превышение V_ICMR  может быть разной, все зависит от типа ОУ. Проведем еще один эксперимент. Подадим постоянное напряжение на вход схемы на рисунке 3. Изменяя его значение, получаем аналогичные вышеуказанным результаты на выходе, но с тем отличием, что сигнал не изменяется во времени. В зависимости от типа схемы при оценке усилителя пользуются постоянным или переменным сигналом, либо их комбинацией.

Иногда слишком поздно выясняется, что выбранный усилитель не отвечает требованиям к V_ICMR . Если заменить ОУ уже нельзя, можно попробовать решить проблему несколькими способами. Во-первых, если амплитуда входного сигнала очень велика, следует использовать резистивный делитель, чтобы входной сигнал оставался в разрешенном диапазоне.
Если проблема заключается в смещении входного сигнала, перенести его внутрь допустимого диапазона можно с помощью схемы смещения. Наконец, иногда достаточно заменить усилитель на ОУ с размахом входного сигнала, равным размаху напряжения питания.
Диапазон входного синфазного напряжения — главнейший параметр при выборе ОУ. Если его правильно подобрать с самого начала, то можно избежать проблем в дальнейшем.