Когда использовать усилитель с rail-to-rail входами и на что обращать внимание
В начале своей магистратуры я работала над проектом, в котором для схемы мониторинга в нашей системе нанесения тонких пленок требовался буфер с единичным усилением на операционном усилителе (ОУ). После включения нового устройства я обнаружила, что все сигналы с уровнями, близкими к напряжению положительного источника питания, были обрезаны. Мой товарищ по лаборатории сказал: «О, ты же должна была использовать операционный усилитель rail-to-rail». Так я впервые узнала, что для предотвращения выхода входных сигналов за допустимые пределы мне нужен специальный тип ОУ.
В последние годы все больше ОУ (особенно в категории высокоточных низкоскоростных) имеют диапазон входных синфазных сигналов, включающий оба напряжения питания. Это, конечно, хорошая новость для начинающих разработчиков, таких, как я во времена магистратуры. Во многих случаях гибкость rail-to-rail входов и выходов (RRIO) усилителя позволяет использовать его в нескольких местах одной системы, благодаря чему появляется возможность сократить номенклатуру используемых компонентов. Но даже в тех случаях, когда минимизация перечня компонентов не столь критична, гибкость rail-to-rail входов усилителя все равно дает много преимуществ.
Буфер с единичным усилением в низковольтных системах с однополярным питанием
Одно из приложений, где можно реализовать эти преимущества – буфер с единичным усилением в низковольтной системе с однополярным питанием. Портативные системы с питанием от батарей повсеместно используются в целом ряде областей, например, в персональной электронике, сборщиках энергии и контрольно-измерительном оборудовании. В большинстве случаев эти системы работают от напряжения 3 В, или даже ниже, что сужает диапазон входных синфазных сигналов (input common-mode range – ICMR).
Для иллюстрации этой проблемы входного диапазона используем как пример семейство OPAx836 (OPA836/OPA2836). OPAx836 – это популярная серия ОУ, не имеющих rail-to-rail входа, но во всем остальном идеальных для портативной аппаратуры. Исключительно энергоэффективные ОУ OPA836 и OPA2836 имеют полосу пропускания 205 МГц и приведенное к входу напряжение шумов 4.6 нВ/√Гц, при этом потребляемый ими ток составляет всего 1 мА на канал. Кроме того, они доступны в миниатюрных корпусах. Такие преимущества позволяют использовать эти ОУ в портативных устройствах, где технические характеристики не должны приноситься в жертву строгим требованиям к потребляемой мощности и габаритам. OPAx836 также имеют rail-to-rail выход (RRO), что позволяет максимально расширить диапазон выходных напряжений для работы при низком напряжении питания. Однако входные синфазные сигналы OPAx836 ограничены диапазоном от (VS– – 0.2 В) до (VS+ – 1.1 В). «Недостающие» 1.1 В не создают проблем, если включение ОУ предусматривает некоторое усиление, скажем, больше 1.5 В/В, – в таком случае входному сигналу нет необходимости занимать весь диапазон питания. Но в буфере с единичным усилением и напряжением питания 3.3 В или меньше эти 1.1 В могут оказаться критичными для портативных систем, где динамический диапазон должен быть максимально широким.
Контроль положительной шины в портативных устройствах с батарейным питанием
Другое применение усилителей с rail-to-rail входом – мониторинг положительной шины в портативных устройствах с батарейным питанием. Для таких целей можно использовать выпускаемый Texas Instruments быстродействующий ОУ THS4281. Он имеет rail-to-rail вход при полосе пропускания 90 МГц и токе потребления всего 0.75 мА, что позволяет разработчикам строить быстрые и гибкие системы с малой потребляемой мощностью. На Рисунке 1 показана типовая схема измерения тока положительной шины питания с использованием THS4281. Вход rail-to-rail здесь очень удобен, поскольку входное синфазное напряжение схемы на Рисунке 1 обычно отстоит от напряжения положительной шины питания не более чем на 1 В, что исключает использования большинства усилителей без rail-to-rail входов, включая OPA836.
| Рисунок 1. | Типовая схема измерения тока положительной шины питания с использованием THS4281. |
Хотя усилители с rail-to-rail входами исключительно гибки и удобны, существует проблема, требующая пристального внимания. В большинстве усилителей с rail-to-rail входом используется топология входного каскада, аналогичная показанной на Рисунке 2. В этой схеме основной каскад на p-n-p биполярных или p-канальных МОП транзисторах, усиливающий сигналы в диапазоне от уровня, чуть меньшего напряжения отрицательной шины питания, до уровня, не доходящего примерно на 1.5 В до напряжения положительной шины, объединен с «вспомогательным» n-p-n/n-МОП каскадом, включающимся на последнем участке диапазона входных синфазных сигналов – в интервале между напряжением положительной шины питания и напряжением, меньшим на 1.5 В. Вследствие этого обычно существует переходная область, в которой происходит «переключение» между основным и вспомогательным каскадами.
| Рисунок 2. | Во входных каскадах усилителей с rail-to-rail входами используются либо биполярные транзисторы (слева), либо MOSFET (справа). |
Чтобы определить эту область, посмотрим на зависимость напряжения смещения (VOS) от величины входного синфазного сигнала (VICR), пример которой для THS4281 показан на Рисунке 3. Как видим, когда VINCM проходит диапазон напряжений между (VS+ – 1.4 В) и (VS+ – 1 В), VOS «прыгает» вниз, обозначая область, где происходит переключение. Иногда в прецизионных приложениях, где измерения с единичным усилением должны иметь точность порядка 1 мВ, такой скачок VOS нежелателен.
| Рисунок 3. | Зависимость входного синфазного напряжения (VICR) от напряжения смещения (VOS) для микросхемы THS4281. |
В распоряжении разработчиков интегральных схем имеются различные технологии уменьшения этой ошибки переключения, но если в микросхему не добавлен встроенный зарядовый насос, ошибка переключения будет существовать всегда. В большинстве случаев неприятности, доставляемые этой областью переключения, преодолимы. Например, в схеме на Рисунке 1, до тех пор, пока напряжение батареи VBAT остается ниже 12 В, входной синфазный сигнал должен оставаться выше области переключения. Точно так же в схеме инвертирующего или трансимпедансного усилителя до тех пор, пока вы помните про область переключения, вы можете устанавливать любое значение входного синфазного напряжения в пределах диапазона питания. Кроме того, поскольку входные напряжения в этих схемах на ОУ не изменяются, последствия переключения гораздо менее заметны.
Заключение
Использование усилителя с rail-to-rail входами может дать много преимуществ, таких, например, как максимальное расширение динамического диапазона сигнальной цепи или сокращение списка необходимых компонентов. Есть некоторые вещи, о которых не следует забывать, например, о разрыве графика VOS во время переключения входных каскадов. Впрочем, как я уже говорила, это не препятствие, а скорее неудобство.
2.4. Работа ОУ при низком напряжении питания (rail-to-rail)
Для стандартного ОУ допустимое входное синфазное напряжение ( common-mode input voltage range ) не может выходить за пределы напряжения питания, а зачастую составляет значение на несколько вольт ниже (например, для TL061 это напряжение лежит в диапазоне от –12 В до +15 В).
На рис. 2.14 показан ОУ типа rail-to-rail (от шины до шины, имеется ввиду напряжение питания). Вход rail-to-rail способен работать со входными сигналами, равными или даже превосходящими уровни питающих напряжений. Выход типа rail-to-rail подразумевает, что выходные напряжения ОУ максимально близки к значениям напряжений питания и обычно отличаются от них всего на несколько сотен или даже десятков милливольт. Некоторые ОУ обозначают только как усилители с выходом типа rail-to-rail и не упоминают о входных характеристиках, показанных на рис. 2.14. Технологию rail-to-rail чаще всего применяют для ОУ с однополярным питанием от 5 В и ниже, чтобы максимально эффективно использовать ограниченный диапазон питающих напряжений.
ОУ rail-to-rail чрезвычайно популярны и полезны при работе с малыми уровнями напряжений питания. На рис. 2.15 показан входной дифференциальный каскад rail-to-rail, который содержит по паре N-канальных и P-ка- нальных транзисторов (этот каскад может быть выполнен и с использованием биполярных транзисторов). P-канальные полевые транзисторы отвечают за работу с сигналами из отрицательной части диапазона синфазных напряжений, в том числе с теми, которые оказываются немного меньше отрицательного напряжения питания (или потенциала земли в случае ОУ с однополярным питанием).
N-канальные полевые транзисторы работают с сигналами из положительной части диапазона синфазных напряжений, в том числе с теми, которые оказываются немного выше положительного напряжения питания. Дополнительные цепи (на рис. 2.14 они не показаны) определяют, какой из каскадов используется в данный момент. Например, большинство подобных ОУ с двухкаскадным входом производства компании «Texas Instruments» разработано таким образом, что переключение между активными каскадами происходит при напряжении на 1,3 В ниже положительного напряжения питания. При более высоких значениях P-канальным транзисторам не хватает напряжения на затворе, и сигнал перенаправляется к N-канальным ключам (рис. 2.15).
Входные P-канальные и N-канальные каскады отличаются значениями напряжения смещения. Если входной сигнал проходит через границу переключения каскадов, то это приводит к скачкообразному изменению напряжения смещения. Некоторые ОУ проходят заводскую лазерную подгонку или элек-
тронную подстройку для уменьшения напряжения смещения. Такая подгонка
позволяет уменьшить скачок при переключении каскадов, однако не убирает его полностью. В большинстве приложений такое скачкообразное изменение смещения проходит незамеченным, однако для прецизионных схем это может стать проблемой. Также могут возникнуть искажения при работе с переменным сигналом, если такой сигнал пересекает точку переключения каскадов.
Поэтому на рис. 2.16 показан второй вариант реализации rail-to-rail- входов. Встроенный повышающий регулятор формирует для P-канального каскада напряжение, которое оказывается примерно на 2 В выше, чем напряжение питания. Использование повышенного напряжения позволяет с помощью единственного каскада работать с входным диапазоном rail-to-rail без каких-либо скачков.
Рис. 2.16. Входной каскад rail-to-rail с внутренним повышающим регулятором для питания P-канального каскада
Повышающий регулятор требует очень мало тока, так как используется только для питания входного каскада. Здесь не требуется дополнительных внешних выводов и конденсаторов – все интегрировано в кристалл ОУ. Уровень шума преобразователя оказывается меньше собственного широкополосного шума ОУ, и его редко можно увидеть во временной области.
Выходные каскады ОУ rail-to-rail. Некоторые низковольтные схемы не требуют входов rail-to-rail, поскольку на входе не предполагаются высокоамплитудные сигналы, но большинство требуют именно выходных каскадов типа rail-to-rail для обеспечения максимального динамического диапазона, при этом подобные выходные каскады значительно отличаются от таковых в стандартных операционных усилителях с двухполярным питанием. Стандартные выходные каскады, как правило, имеют структуру двухтактного эмиттерного повторителя (схема с общим коллектором, рис. 2.17, а ), выходные каскады rail-to-rail (рис. 2.17, б ) обычно включают схему с общим эмиттером. Падение
напряжения в случае схемы с общим эмиттером относительно мало и зависит только от напряжения насыщения коллектор–эмиттер ( U кэнас ).
Классические выходные каскады с эмиттерным повторителем, с другой стороны, не позволяют выходу приближаться к положительной шине питания ближе чем U пит – U кэнас – U бэ . Уровень напряжения U кэнас определяется внутренним источником тока, а падение напряжения на переходе база–- эмиттер U бэ определяет используемый в схеме выходной транзистор.
Рис. 2.17. Выходные каскады ОУ: a ) стандартная конфигурация с двухтактым эмиттерным повторителем; б ) выход типа rail-to-rail на схеме с общим эмиттером
Напряжение насыщения коллектор–эмиттер ( U кэнас ) биполярных транзисторов на выходах типа rail-to-rail зависит от тока, протекающего через эти выходные транзисторы, поэтому падение напряжения на выходе, которое и определяет максимальный размах выходного напряжения, зависит от подключенной к выходу ОУ нагрузки и составляет обычно не более нескольких десятков или сотен мВ.
2.5. Фазовый контур на ОУ
Фазовое звено или фазовый контур (ФК) представляет собой частотный фильтр, у которого фильтрующие свойства проявляются лишь на его фазовой характеристике. Другое название фильтра – всепропускающий, поскольку он не осуществляет амплитудной частотной селекции сигнала. При этом фаза выходного напряжения всегда отстает от входного напряжения, а на бесконечно большой частоте отставание составляет –180°. Для таких схем также используют название фазовращатель. Кроме того, ФК являются неминималь- но-фазовым звеном, поскольку нули его передаточной функции находятся в правой полуплоскости комплексной переменой.
На рис. 2.18, а показан пример схемы пассивного фазового звена с использованием расщепления фазы входного сигнала. Синусоидальный сигнал на выходе изменяет фазу от нуля до 180°. Амплитуда выходного напряжения при регулировке фазы сохраняется постоянной (рис. 2.18, б ).
Схема ФК предоставляет два пути прохождения входного напряжения от входа до выхода – один для постоянного тока (т. е. для нижних частот), другой для переменного (т. е. для верхних частот). Резистивная ветвь пропускает постоянный ток, а реактивная (конденсатор) – только переменную составляющую входного напряжения.
Операционные усилители в ногу со временем
Сегодня операционные усилители (ОУ) — один из ключевых компоновочных блоков практически любой электронной системы. С момента выпуска в 1963 году фирмой Fairchild Semiconductor микросхемы мA702 — первого популярного монолитного ОУ — разработки подобных устройств направлены на постоянное совершенствование архитектурных и конструктивных решений, освоение современных сложнейших технологий. В результате на рынке появились устройства с отличными параметрами (высокими выходными характеристиками, низкими значениями потребляемой мощности и нелинейных искажений и т.п.) при низких значениях напряжения питания и малых габаритах микросхем. Рабочие характеристики этих дешевых современных компоновочных блоков, мировой объем продаж которых достигает 2 млрд. долл., весьма разнообразны и удовлетворяют любым требованиям системотехников, И пока кто-нибудь не изобретет «идеального ОУ», выбор нужного прибора оказывается не простой задачей.
Фейерверк характеристик
Характеристики микросхем ОУ — граничная частота, динамический диапазон, нелинейные искажения и шумы, потребляемая мощность — постоянно улучшаются, несмотря на необходимость снижения напряжения питания и габаритов микросхем, диктуемую огромным рынком портативных систем. Если полоса пропускания популярного в 70-е годы усилителя мА741 составляла 1 МГц при токе потребления 10 мА, то сейчас разработчики могут заказать усилитель с полосой пропускания 350 МГц и рабочим током 1 мА/канал (микросхемы одинарного/сдвоенного ОУ типа AD8038/8039 фирмы Analog Devices).
Сегодня разработчики ОУ сталкиваются с двумя основными тенденциями: ростом популярности микросхем с однопо-лярным источником питания и стремительным ростом применения мобильных устройств. Это хорошо согласуется с тенденциями в области цифровой техники. Но при работе от однополярного источника уменьшаются динамический диапазон и полный размах (rail-to-rail) сигнала на входе и выходе, ухудшается отношение сигнал-шум. В области устройств с относительно малым быстродействием усилия разработчиков направлены на повышение уровня интеграции усилителей с помощью цифровых методов подгонки параметров и регулировки напряжения смещения нуля наряду с улучшением рабочих характеристик при низких значениях напряжения питания.
Самым низким током потребления (типичное значение 600 нА, максимальное 1 мкА) на сегодняшний день характеризуются ОУ с rail-to-rail входом и выходом (т.е. с архитектурой, позволяющей работать с полным размахом, от отрицательного до положительного уровня, входного, выходного или обоих сигналов) семейства МСР6141/2/3/4 фирмы Microchip Technology. Работают они от однополярного источника питания на напряжение 1,4-5,5 В. Граничная частота этих микросхем равна 100 кГц. ОУ стабильны при усилении 10 В/В и выше. Выпускаются в восьми- и 14-выводных корпусах PDIP/SOI^SSOP. Модификация одинарного ОУ типа МСР6041Т/ОТ поставляется в миниатюрном корпусе SOT23, что позволяет использовать его не только в устройствах с малым потреблением энергии, но и в малогабаритных системах. Цена -0,44-0,49 долларов.
Повышение частоты современных ОУ, уже достигающей сотен мегагерц и даже нескольких гигагерц, происходит при значительном снижении их шума. Примером могут служить SiGe ОУ типа МАХ2640/2641 фирмы Maxim Integrated Products. Это — дешевые сверхмалошумящие устройства, предназначенные для работы в сотовых, PCS- и GPS-системах, а также в системах связи промышленного, научного и медицинского (ISM) диапазона 2,4 ГГц. Коэффициент шума этих микросхем составляет 0,9 дБ на частоте 900 МГц (МАХ2640) и 1,3 дБ на 1,9 ГГц (МАХ2641). ОУ работают от однополярного источника питания на напряжение 2,7-5,5 В и потребляют всего 3,5 мА (см.таблицу 1).
Среди малошумящих устройств следует отметить микросхемы одинарных/сдвоенных/счетверенных ОУ семейства LT623x фирмы Linear Technology, уровень шумов которых составляет 1,1 нВ/√Гц при токе потребления на канал 3,4 мА (LT6230) и 2 нВ/√Гц при токе 1 мА (LT6232). ОУ семейства сочетают низкие шумы с шириной полосы пропускания 215 МГц, скоростью нарастания выходного сигнала 70 В/мкс при напряжении питания 3,3; 5 или ±5 В. Одинарные ОУ типа LT6230/ LT6230-10 поставляются в шестивыводных корпусах SOT-23, сдвоенные LT6231 — в восьмивыводном SO и тонком безвыводном корпусе с малым шагом контактов, счетверенный ОУ — в 16-выводном SSOP. Операционные усилители семейства LT623x находят применение в УЗ-усилителях, малошумящих маломощных усилителях, активных фильтрах, схемах возбуждения АЦП, буферных усилителях с rail-to-rail архитектурой.
| Тип | Полоса частот, МГц | Коэф. шума, дБ | Коэф. усиления, дБ | IP3, дБм | Ток потре- бления, мА |
Корпус, размер, мм | Стоимость при закупке 1 тыс. шт., долл. | Область применения |
| МАХ2640 | 400-1500 | 0,9 | -10 | 3,5 | 6-выводной SOT23, 2,7×2,9 | 0,80 | Сотовые системы, беспроводные ISМ*-системы | |
| МАХ2641 | 1400-2500 | 1,3 | 14,4 | -4 | 5,3 | Беспроводные GPS, ISM, WLAN-системы |
Достаточно малыми шумами (7-8 нВ/√Гц) наряду с низким напряжением смещения нуля (0,85 мВ) характеризуются одинарные/сдвоенные/счетверенные ОУ с rail-to-rail выходом серии LMV77x крупнейшего поставщика микросхем этого класса — фирмы National Semiconductor. Ширина полосы ОУ серии составляет 3,5 МГц, напряжение питания — 2,7-5 В. Другой важный параметр этих ОУ — расширенный температурный диапазон от -40 до 125°С, что обеспечивает их широкое применение в самом разнообразном прецизионном, малошумящем, низковольтном, портативном оборудовании. Поставляются микросхемы в корпусах SC70-5 (LMV771), MS0P-8 и SOIC-8 (LMV772), TSSOP-14 (LMV774) по цене 0,56 долл. при закупке партии в 1 тыс. штук.
Нельзя не отметить и недавно выпущенную фирмой National Semiconductor микросхему сверхмалошумящего (входной шум 0,92 нВ/√Гц) радиационно стойкого ОУ с обратной связью по напряжению типа LMH6624. Усилитель выполнен на КНИ-подложке по запатентованному фирмой комлпементарному биполярному процессу VIP10 и выдерживает общую дозу облучения 300 Крад/Si. Напряжение питания однополярного источника 5-12 В. Помимо низкого уровня шумов ОУ характеризуется чрезвычайно низкими погрешностями по постоянному току (точность достижения выходным напряжением уровня напряжения питания — ЮОмкВ, дрейф выходного напряжения — +0,1 мкВ/°С). А высокая граничная частота -1,5 ГГц — делает микросхему перспективной для применения в ВЧ-системах с высокими требованиями к уровню нелинейных искажений. Стабильный коэффициент преобразования при замкнутой цепи обратной связи превышает 10 как в инвертирующей, так и неинвер-тирующей конфигурациях усилителя. ОУ LMH6624 может использоваться в усилителях считывания измерительного оборудования, УЗ-предусилителях, магнитных накопителях, активных широкополосных фильтрах, профессиональных аудиосистемах, оптоэлектронной аппаратуре и медицинском диагностическом оборудовании.
Рис. 1. Зависимость коэффициента искажений ОУ типа AD8099 от частоты
В последнее время работы по совершенствованию ОУ все больше стимулирует появление быстродействующих преобразователей данных с высоким разрешением. Так, в ОУ типа AD8099 фирмы Analog Devices, предназначенном для управления 16-разрядными преобразователями, улучшены сразу два основных параметра, служащих источниками погрешности схем усилителей: снижены уровни вносимых искажений (до -90 дБ на частоте 10 МГц) и шума (до 0,95 нВ/√Гц) (рис. 1). Утверждается, что такое сочетание пока не достигнуто ни в одном другом ОУ. Ток потребления составляет 15 мА, скорость нарастания выходного сигнала — 1600 В/мкс, граничная частота при коэффициенте преобразования 10 равна 5 ГГц. При коэффициенте преобразования, равном 2, скорость нарастания выходного напряжения составляет 6 В/мкс. Изготовлен усилитель по запатентованной технологии XFCB (extra Fast Complementary Bipolar process — сверхбыстрый комплементарный биполярный процесс). Температурный диапазон работы — от -40 до 125°С.
Для улучшения эксплуатационных характеристик и стабильности AD8099 монтируется в корпус LFCSP с выводной рамкой размером с кристалл (3×3 мм). Модификация расположения выводов корпуса позволила снизить их взаимную индуктивность, вызываемую взаимодействием положительного входа и отрицательного вывода источника питания. Кроме того, в корпусе предусмотрены два выхода, предназначенные для снижения паразитных параметров цепи обратной связи. ОУ может поставляться и в традиционном восьмивыводном корпусе SOIC-типа.
Новый ОУ успешно работает с высокопроизводительными прецизионными АЦП фирмы Analog Devices, в том числе и с семейством преобразователей последовательного приближения PulSAR, превосходящих в два раза имеющиеся преобразователи этого типа по быстродействию и низкому уровню потребляемой мощности. Благодаря своим характеристикам по постоянному и переменному току AD8099 также перспективен для применения в автоматическом тестовом оборудовании, контрольно-измерительных системах и системах сбора данных. Серийное производство нового ОУ фирма планировала начать в ноябре 2003 года. Цена при закупке партии в 1 тыс. шт. — 1,98 долларов.
Rail-to-rail
Тенденция к снижению напряжения питания наряду с желанием изготовителей конечной аппаратуры получить «универсальный» ОУ приводит к появлению все большего числа микросхем ОУ с архитектурой rail-to-rail. Но по мере снижения напряжения питания перепад напряжения уменьшается, и разработчикам приходится уделять все больше внимания проблемам сохранения минимального уровня нелинейных искажений и высокого разрешения. При перепаде напряжения питания в пределах от -12 до +12 В минимизировать нелинейные искажения за счет удержания сигнала ОУ в этих пределах не трудно. Но при снижении напряжения питания до менее 5 В (а уже появились микросхемы, работающие от 1-В источника питания) сохранять низкий уровень искажений и высокое разрешение становится все сложнее. В общем случае разрешение ОУ с rail-to-rail архитектурой может ухудшиться на порядок в сравнении с традиционными усилителями. Тем не менее, для ряда применений заказчики требуют поставки ОУ с rail-to-rail входом и выходом. Поэтому все больше поставщиков операционных усилителей обращаются к такой архитектуре.
В 2002 году фирма Texas Instruments выпустила семейство высокопроизводительных КМОП-микросхем ОУ, работающих с однополярным источником питания на низкое напряжение: 1,8 (+0,9) — 5,5 (±2,75) В. К достоинствам этих миниатюрных ОУ семейства ОРА363/364 относится низкий коэффициент ослабления синфазного сигнала (типичное значение -90 дБ). Это достигнуто благодаря модификации однокаскадного rail-to-rail входного блока ОУ с управляемым источником тока (рис.2). Максимальное значение напряжения смещения нуля микросхем семейства равно 500 мкВ, рабочий ток -750 мкА/канал. Предусмотрена возможность отключения выхода усилителя, при этом потребляемый ток не превышает 1 мкА/канал. Скорость нарастания выходного сигнала составляет 5 В/мкс.
Рис. 2. Упрощенная блок-схема ОУ семейства ОРА 363/364
ОУ семейства предназначены в основном для управления АЦП со средним быстродействием (до 100 кГц), таких как 14-бит ADS8324, работающий от источника питания на напряжение 1,8 В и выполняющий 50 Квыборок/с (рис.3).
Рис. 3. Непосредственное управление АЦП типа ADS 8324
Одинарные ОУ поставляются в MicroSIZE- корпусах типа SOT23-5 и в корпусах SO-8, сдвоенные устройства — в корпусах MSOP-8, MSOP-110 и SO-8, счетверенные — в TSSOP-14 и SO-14. Цена от 0,55 до 0,8 долл. при закупке партии в 1 тыс. штук.
Рис. 4. Конфигурация с тремя ОУ. использующая микромощные усилители в качестве прецизионных усилителей контрольно-измерительного оборудования
Нельзя не упомянуть микросхемы ОУ с rail-to-rail входом и выходом типа МАХ 4194/4197 фирмы Maxim Integrated Products. Эти усилители отличаются высокой точностью и широкой полосой пропускания (250 кГц на уровне 3 дБ для МАХ 4194). Ослабление синфазного сигнала составляет 115 дБ. МАХ 4194 имеет регулируемый коэффициент усиления, остальные усилители серии поставляются с фиксированным усилением. При этом в последних трех ОУ предусмотрена возможность переключения в режим отключения выхода, при котором ток потребления составляет 8 мкА (в рабочем режиме ток потребления всех микросхем серии — 93 мкА). Работают ОУ от однополярного источника питания на напряжение 2,7-7,5 В или от двухполярного на ±(1,35-3,75) В. Размах rail-to-rail входов и выходов может достигать от 200 мВ ниже отрицательной шины до 1,1 В положительной шины. Для получения высокой точности по постоянному току ОУ серии включаются по традиционной трехусилительной схеме (рис.4). Поставляются микросхемы в восьмивыводном корпусе SO по цене 1,69 долл. при закупке 1 тыс. штук.
Какая технология предпочтительнее?
Современные микросхемы ОУ, помимо традиционной биполярной технологии, выполняются по КМОП-, БиКМОП-, комплементарной биполярной (КБ), кремний-германиевой и арсенидгаллиевой технологиям, причем, как и во всей микроэлектронике, предпочтение отдается КМОП-схемам. Правда, сегодня КМОП-технология уже не обеспечивает требуемые в некоторых применениях точность и размах напряжения. Более того, большая емкость затвора больших МОП-транзисторов может вызвать проблемы, связанные со стабильностью работы или рассеиваемой мощностью. С другой стороны, КБ-микросхемы превосходят КМОП-устройства по сочетанию таких параметров, как частотная стабильность, малые искажения и рассеиваемая мощность. Высокое пробивное напряжение быстродействующих биполярных транзисторов позволяет создавать КБ-микросхемы драйверов с большим перепадом выходного напряжения. Вот почему около 70% современных ОУ с rail-to-rail архитектурой выполнены по комплементарной биполярной технологии. Так, КБ-микросхемы ОУ с обратной связью по току и rail-to-rail выходом типа LT6210 фирмы Linear Technology отличаются впечатляющими характеристиками, в том числе возможностью регулировки тока потребления в пределах от 300 мкА до 6 мА в зависимости от ширины полосы, изменяемой в пределах 10-200 МГц (рис.5). Для установления нужного значения тока потребления достаточен один резистор или источник тока. Это облегчает выбор оптимального соотношения быстродействие-потребляемая мощность для конкретного проекта. Благодаря сочетанию малой потребляемой мощности, высокого быстродействия, малых уровней шума (6,5 нВ/√Гц) и нелинейных искажений (-70 дБ на 1 МГц) LT6210 перспективен для применения в самом разнообразном оборудовании — от портативного до быстродействующих систем передачи данных. Скорость нарастания выходного напряжения ОУ составляет 700 В/мкс, время установления — 20 не. Работает микросхема от однополярного источника питания на напряжение 3-12 В или от двухполярного источника на ±( 1,5 — 6) В. Поставляется в шестивыводном корпусе типа ThinSOT по цене 1,2 долл. при закупке партии в 1 тыс. штук.
Рис. 5.а. Применение микросхемы ОУ типа LT621O в качестве усилителя с программируемой обратной связью по току при регулировке тока потребления в пределах 300 мкА-6 мА
Рис . 5.б Зависимость усиления от частоты на малом сигнале при различных значениях тока потребления
| IS | Rуст | RG | RF | RНАГ |
| 6мА | 20 кОм | 887 Ом | 887 Ом | 150 Ом |
| 3мА | 56кОм | 1,1 ЮМ | 1,1 кОм | 150 Ом |
| 300 мкА | 1 M | 11 кОм | 11 кОм | 1 кОм |
Тем не менее, все больше поставщиков отдают предпочтение КМОП-микросхемам, особенно при создании ОУ с rail-to-rail архитектурой для видеосистем таких портативных устройств, как цифровые камеры, персональные цифровые помощники и сотовые телефоны. Например, все ОУ фирмы Microchip Technology с rail-to-rail входом и выходом выполнены по КМОП-технологии.
Удачный пример быстродействующих КМОП-микросхем ОУ с уровнем шума 6 нВ/√Гц на частоте 100 кГц (уровень шумов традиционных ОУ подобного типа — 20-30 нВ/√Гц) — семейство усилителей ОРА 725/726 фирмы Texas Instruments, работающих от однополярного 12-В источника питания. Отличные характеристики по переменному току — граничная частота 20 МГц, скорость нарастания выходного сигнала 30 В/мкс — делают эти ОУ пригодными для применения в системах связи, высококачественной аудиоаппаратуре и активных фильтрах. Работают ОУ от однополярного источника на 4-12 В или от двухполярного источника на ±(2-6) В.
А что же корпус?
Одна из важных проблем современных высокопроизводительных ОУ — уменьшение габаритов корпуса. Производители отдают предпочтение корпусам с поверхностным монтажом, корпусам, сопоставимым по размерам с кристаллом, и монтажу методом перевернутого кристалла. Сегодня самые популярные корпуса для ОУ -SOIC-8, SOT-23 и SC70. Поскольку по мере уменьшения габаритов и роста быстродействия ОУ длина выводов и размеры контактных площадок оказывают все большее влияние на характеристики микросхемы, некоторые изготовители предпочитают монтировать приборы в безвыводные корпуса, такие как двойной плоский безвыводной (Dual Flat No-lead — DFN) корпус, в котором поставляется 150-мкА прецизионный ОУ с rail-to-rail выходом типа LT6011 фирмы Linear Technology (рис.6). Площадь основания этого корпуса размером 3x3x0,8 мм такая же, как и у корпуса SOT-23. Помимо малых габаритов LT6011 отличается низким тепловым сопротивлением, что делает его весьма перспективным для применения в системах с ограниченными размерами. Температурный дрейф напряжения смещения нуля не превышает 0,8 мкВ/°С. Цена ОУ 1,95 долл. в партии из 1 тыс. штук.
Рис. 6. Безвыводной DFN-корпус для монтажа прецизионного ОУ типе LT6011 фирмы Linear Technology
Тенденция к уменьшению габаритов корпусов стимулирует создание конструкций, объединяющих все большее число функций (преобразователи данных и другие устройства). В 2002 году фирма National Semiconductor выпустила первые «встраиваемые в микрофон усилители» типа LMV1012/1014 для малогабаритных электретных конденсаторных микрофонов (ЭКМ) (рис.7). Они предназначены для замены используемых сегодня усилителей на полевых транзисторах с целью увеличения срока службы батарей, повышения помехоустойчивости и, тем самым, улучшения эксплуатационных характеристик микрофона. До сих пор размеры смонтированных в корпус микросхем усилителей не позволяли их размещать в ЭКМ. Специалисты National Semiconductor сумели усовершенствовать конструкцию схемы и корпус, значительно улучшив такие параметры ОУ, как чувствительность, нелинейные искажения и ток потребления.
Рис. 7. Принципиальная схема ОУ для встроенного микрофона (а) и встраиваемого электретного микрофона (б)
Усилители серии LMV1012 работают при напряжении питания 2,2-5,0 В с фиксированными значениями коэффициента усиления по напряжению 7,8, 15,6 и 23,8 дБ. Эти ОУ предназначены для двухвыводных ЭКМ и могут непосредственно заменять предыдущие усилители на полевых транзисторах. Суммарное значение коэффициента нелинейных искажений микрофона, выполненного на базе LMV1012, составляет 0,09%, отношение сигнал-шум превышает 55 дБ, а потребляемый ток не превышает 180 мкА. Такие микрофоны найдут применение в мобильных средствах связи, вспомогательном оборудовании автомобилей, сотовых телефонах и PDA. Поставляется LMV1012 в монтируемом на поверхность микрокорпусе толщиной 1,3 или 1,8 мм с четырьмя контактными наплавлениями по цене 0,39 долларов.
Усилители типа LMV1014 используются в трехвыводных малошу-мящих ЭКМ. Они потребляют ток менее 40 мкА, выходной импеданс их равен 200 Ом. Коэффициент подавления изменения напряжения питания превышает 60 дБ, отношение сигнал-шум — 55 дБ. Усилитель предназначен для микрофонов с высокой помехоустойчивостью, работающих при малых токах и используемых в системах беспроводной связи Bluetooth-стандарта, портативных записывающих устройствах и PDA. Поставляется в монтируемом на поверхность микрокорпусе с четырьмя контактными наплавлениями по цене 0,49 долл. при закупке партии в 1 тыс. шт.
Нужна помощь? обращайтесь
Так как же пробраться к нужному прибору в джунглях ОУ, описываемых более чем 30 параметрами? Большинство поставщиков микросхем ОУ пытаются облегчить решение этой задачи, предоставляя средства онлайнового поиска ОУ с нужными параметрами. Так, фирма Maxim Integrated Products предлагает web-услугу, позволяющую получить по электронной почте через 24 часа после запроса квалифицированную рекомендацию специалиста по применению ОУ.
Еще дальше пошла фирма National Semiconductor, объявившая в конце 2003 года о создании онлайнового средства проектирования, ускоряющего поиск, разработку и тестирование многих типов 0У, используемых в медицинском, научном, промышленном и автомо-бильном оборудовании. Средство «Простого конструирования уси-лителей» (Amplifiers Made Simple) на базе созданного инженерами фирмы инструментария ведет быстрый и аккуратный поиск ОУ в портфеле аналоговых изделий National Semiconductor. Оно дает пользователю мгновенный доступ к SPICE-моделям, данным о па раметрах и информации о корпусах, позволяя разработчику одно временно сравнивать эксплуатационные характеристики многих приборов. Пользователь выбирает нужную стандартную топологию и вводит требования разрабатываемой системы, после чего Amplifiers Made Simple ведет поиск наиболее подходящих ОУ среди изделий фирмы и проектирует специализированную схему. Средст-во Amplifiers Made Simple позволяет на базе 60 типов ОУ фирмы проектировать более 450 систем для четырех различных областей применения. В текущем году фирма планирует расширить возмож-ности онлайновой системы проектирования с тем, чтобы она могла оперировать полным списком выпускаемых фирмой ОУ, включаю-щим 420 приборов, и разрабатывать более чем 4 тыс. схем для 30 различных приложений. Доступ к средству Amplifiers Made Simple на! сайте www.national.com можно получить бесплатно.
Следует отметить, что при проведении онлайнового выбора суще-ствует опасность избыточного «урезания» числа рассматриваема приборов, что может привести к исключению заслуживающих внимание устройств. Поэтому поиск рекомендуется начинать с изучения таких «не подлежащих уступке» параметров, как напряжение питания, ширина полосы пропускания и напряжение смещения нуля, при этом следует убедиться, что они приведены для требуемого диапазона температур. Зачастую полезно бегло просмотреть небольшую таблицу параметров с тем, чтобы выявить компромиссные решения, принимаемые изготовителями микросхем. Для портативного оборудования важнейшие параметры — входной ток и плотность упаковки, для контрольно-измерительного — входное напряжение смещения нуля, ток смещения или характеристики синфазного сигнала.
При выборе ОУ следует также помнить, что даже у одного и того же поставщика параметры приборов могут измеряться при различных условиях (на разных частотах, при разных значениях напряжения питания и нагрузки и т.п.). Часто большое значение имеют и не указываемые в спецификации параметры, например, какова реакция выхо-| да усилителя на превышение входным напряжением значения напряжения питания. А что если нагрузка становится емкостной? Поставщики высококачественных ОУ не только указывают такие параметры в своих спецификациях, но и проверяют их в ходе разработки прибора.
Пользователю, не достаточно хорошо знакомому с ОУ, нужна микросхема, принимающая выходной сигнал датчика и обрабатывающая его «на месте». Это значит, что микросхема должна содержать как ОУ, так и преобразователь данных. Не все производители считают объединение ОУ и датчиков на одном кристалле хорошей идеей, поскольку при этом ухудшается гибкость конструкции. Но учитывая тенденцию к увеличению уровня интеграции ОУ, можно сказать, что появление микросхемы с ОУ, датчиками и всеми необходимыми устройствами обработки сигнала — лишь дело времени.
OPA Amplifier style
Статья состоит из 2 блоков:
1. Выбор rail-to-rail input output (RRIO) операционного усилителя для широкого применения.
И для гиков:
2. Создание своего усилителя. Пример.
Цель 1. Первый блок
Выбор правильного rail-to-rail input output (RRIO) и недорогого операционного усилителя для широкого применения из готовых устройств.
При создании мощного усилителя для трансивера, а также усилителя для сабвуферов серии SubAMP, встал вопрос измерения напряжения впритирку полок питания. А именно, к примеру, нам нужно измерять ток на малосигнальном датчике шунта на высоком плюсовом потенциале источника питания, т.е. сделать High Side Current Sense. А именно на самом плюсе, причем питание операционных усилителей не должно его превышать.
Есть уже готовые датчики тока, но мы извратники, хотим дешево и оригинально.
С измерениями у земли все понятно- существует куча особо операционистых усилителей, предназначенных для этого, типа lm124 (lm324), 2904, компараторов 199, 139, 311 и им подобных с p- канальной дифференциальной парой на входе. Старые аудиооперационики типа tl07x и 08x, jrc4558,ne5532 имеют ту же входную p-пару для предпочтительной работы около земли/минуса питания операционного усилителя.
А знающим известно, что такая пара не может измерять сигналы близко к положительному собственному питанию из-за запаса напряжения, необходимого для работы токовых зеркал. К тому же p-channel транзисторы менее высокочастотны. Спасает включение опера с n-канальной парой на входе, но и это не полный выход из нашего положения. Для полной кошерности, чтобы работать с любым уровнем сигналов около минуса и плюса полок питания операционного усилителя, надо использовать rail-to-rail входную структуру. А чтобы уж совсем хорошо было, надо использовать эту фишку по входу и выходу, т.е. юзать RRIO OPA -rail-to-rail input output. Есть еще другое название для заманухи -beyond the rail OPAmp.
Как сделана rail-to-rail структура? OPA inside
N-канальная пара внутри большинства ОУ работает в диапазоне от чуть выше минимума до чуть выше максимума питания (но не всегда), а p-канальная от чуть ниже максимума до чуть ниже минимума. В итоге, обьединяя их токово, имеем полное перекрытие по входу не только всей шины питания операционного усилителя, но и на примерно 0,2-0,5V за его пределы в обе стороны, до срабатывания защитных ограничителей по лапкам микрушек.
Найти n-канальные по входу операционные усилители с наскока не удалось. Пошерстив еще, удалось отрыть при беглом осмотре древнючие AD826 и LM360/361, да к тому же они не rail по входу. В общем, разочаровались. А это как всегда у нас приводит к созданию чего-то своего (см. цель 2).
Зато натолкнулись сразу на райл ту райл оперы. Но мы маньяки-извращенцы, нам и этого мало. Многие просмотренные усилители rail to rail структуры имели много изьянов. Если посмотреть даже на официальные графики в даташитах, то все становится еще хуже. У многих при большом сигнале закладывает уши заворачивает фронт щелчком после выхода с полок питания, на так называемом восстановлении. Эта бяка у очень многих даже дорогих оперов встречается, а хочется чего-нибудь линейного и правильного. И у некоторых даже фронты прямоугольника передаются ломаной линией. Это вообще никуда не годится.
Также не все приятно с нагрузочной способностью и входными токами/дрейфами. По-настоящему rail-to-rail структуру можно встретить редко. Даже из дорогих оперов фирмы AD почти все не понравились, то одно у них, то другое, и цена большая.
Пришлось посидеть-повыбирать, какие из RRIO OPA имеют терпимые параметры для широкого и качественного применения. Как ни странно, нормальных оказалось мало. Причем выбирались они исключительно по даташитам, и даже там глюков полно. Не говоря уж о реальной работе, в ней все казусы проявляются в полную силу.
Итог цели 1. Выбор готового RRIO операционного усилителя для повседневных нужд.
Ниже приводится список качественных операционных усилителей с комментариями, достойные, на наш взгляд, внимания для rail-to-rail применений, и он будет дополняться по ходу наталкивания на них.
Здесь составляется список истинных rail-to-rail input output (RRIO) и beyond-the-rail операционных усилителей широкого применения с кратким описанием их достоинств и недостатков, чтобы можно было выбрать лучший или быстро прикинуть нужное, а потом детально изучить его в даташите.
LMV931,932 1.8-5V, все хорошо, но питание низкое
LMV981,982 1.8-5V, корежит форму, питание низкое
NCS7101, 1.8-10V, аналогичный LMV931, питание лучше
NCS2001,2002 0.9-5V, аналогичный LMV931
MC33201/2/4 0.9-12V, аналогичный LMV931, питание лучше, Input Offset Voltage большой, ок. 10мВ
LM7301- 1.8. 32V, кривоват прямоугольник, single only
ADA4092 3-30V, засечки на прямоугольниках
MC33201 1.8. 12V, кривоват прямоугольник
AD8614/8644 5-18V, unprotected 70mA out
Преамбула к цели 2.
Красота спасет микросхемы
При анализе огромной кучи даташитов заметили интересный момент- чем симметричнее и красивее на вид схематическая структура операционного усилителя, тем все его параметры правильнее, предсказуемее и аналогично красивее. А также параметры у разных краев питания, ограничений и нагрузок получаются симметричными и красивыми, понятными по графикам и поведению.
Вот например, когда смотришь на это 
Что в голове сразу представляется? Правильно, глаза б мои его не видели, да еще на трезвую голову. Это кусок одного широко известного опера.
А на это уже приятно посмотреть, и параметры достаточно хорошие. Это AD8614_8644. 
Цель 2. Второй блок. Создание своего операционного усилителя мечты с нужными параметрами.
Проектирование своего rail to rail IO усилителя.
Вот не удержался и решил сделать операционный усилитель мечты, да еще не просто rail to rail, а fully differential rail to rail operational amplifier FD RRIO OPA с полностью дифференциальным райл ту райл входом и выходом, такой высококачественный операционный усилитель широкого применения по всем правилам микросхемного проектирования.
Полностью дифференциальные усилители. Fully differential OPA
Такие усилители можно использовать и как обычные одновыходовые OPA (ОУ), не заюзав 1 из выходов, и как нормальные дифф. усилители для почти всех современных трактов аналоговой техники. Полностью дифференциальная структура сейчас все чаще нужна даже в обычной обработке сигналов, не говоря уже про АЦП и ЦАП, которые почти все имеют полноценную дифф. структуру. Этот тип передачи сигналов позволяет частично устранить помехи в шинах и оптимизировать токопередачу и токотеки. В конце концов USB, SATA, PCIE, а также вся оперативная память, которую видел, и скоростные шины в компьютерах и серверах, имеют дифференциальную структуру. Ну или двухфазную, на звук и свет товарищей нет. Дифференциальное улучшение касается всех электрических систем, аналоговых и цифровых. Ведь кроме токов и напряжений там ничего нет.
Дальше пойдет исключительно радиоэлектронная порнография.
Собираем по кусочкам. Опора
Как в хорошей цифровой технике крайне важно наличие качественной тактовой (временнОй) опоры, так здесь в аналоговой технике важно наличие неуплывающих от разных воздействий источников стабильного тока и/или напряжения. Хотя бы чего-то одного. Другое можно сделать с помощью этого.
Сначала создал стабильный температурно-скомпенсированный источник стабильного напряжения- BandGap в обиходе, так называемый источник напряжения с диапазонным зазором, то бишь стабилизатор 1v с копейками напряжения с компенсацией в некотором температурном участке одного уплывания приплыванием другим.
Тут ничего сложного нет, достаточно переделать его из известных решений и допилить под наши нужды. Схемы валяются в shared инете.
Весь усилитель питается от него через токовые мультитрансляторы и зеркала. Его стабильности и шумы определяют работу и по большей части температурные стабильности всего усилителя в целом.
Естественно, эта версия BandGap исследована в широком температурном & разбросном диапазоне и показала хорошую стабильность. На него теперь можно по-настоящему опереться.
Получилась вот такая схема. Как говорится, на лицо ужасная, но добрая внутри. Но в ней сложно упростить. 
Она содержит некоторую кучу токовых трансляторов для размножения и питания увеселителя и собственно элемент BandGap (выделен пунктиром).
Токовые мультипликаторы и повторители в ассортименте. 
Может быть, в следующих статьях расскажу, что и как работает в этих усилителях, и для чего нужны какие элементы.
Inputs for fully differential rail-to-rail amplifier
Затем просчитал структуру входного полностью дифференциального каскада с минимизацией шумов и rail to rail входом, и с полностью симметричной структурой.
Для минимизации шумов использованы крупные транзисторы и большие длины каналов. Большая длина канала полевого транзистора хоть и уменьшает его усиление (крутизну для корректности), но зато уменьшает градиент потенциала по длине транзистора, что также уменьшает вероятность возникновения грязевых шумов типа pop corn и просто облегчает работу транзистора. 
Это подобно матрице в фотоаппарате, где большие крупные пикселы при не большом разрешении кропнутой матрицы, скажем, 3Mpix, дает качество изображения лучше, чем мелкие шумные пылинки в любой 7-14 Mpix камере. Не видел такую, которая не сильно шумит при малых размерах матрицы, и при диком разрешении в ней.
А при крупных пикселах в топовых проф. матриц, да и не очень, изображение приобретает попиксельную детализацию. Чего не скажешь о современном многомегапиксельном мыле. До сих пор не понимаю, зачем фотик 14Mpix, если на итоговом фото все все равно размыто. Прихожу к выводу, что правильной является не величина разрешения снимка (это всего лишь количество, которое можно нарастить), а величина самого пиксела, его размеры. А пиксель в современных фотоаппаратах- это по сути транзистор, точнее- фототранзистор, но это сути не меняет. Поехали дальше.
2nd stage amp, csda/vcda-type schematics. Балансный токовый предусилитель
Затем прикинул и реализовал структуру предоконечного каскада с балансом токов и оконечного полностью дифференциального каскада. Единичная полоса частот получилась в районе 50 мегагерц, и причем легко, даже на крупных 180nm транзисторах. Для стабильности этой полосы и запаса по фазе в топологии предусмотрены защитные развязывающие кольца, экраны и внутренние карманы. 
В процессе пришлось изучить, как лучше делать folded cascode и просто хорошие каскодные источники тока, какова их устойчивость и как делать качественные зеркала и многоканальные правильные устойчивые трансляторы тока (каскоды, резисторы в истоках).
Output stage DIY RRIO Amplifier. Выходные каскады
Что касается оконечника, то здесь особо не вымудрствовались, никаких switched capacitor решений, класса I, вольтдобавок E, и прочих современных улучшалок. Только махровый Class AB. Для питание имеено этого усилка составляет 3.0-3.6V, т. к. делал на 3.3-вольтовой LV библиотеке. Другой под рукой просто не было. А так, в мире есть и 140V оперы LTC6090, и, возможно, и более высоковольтные. Допустимое напряжение- проблема лишь библиотек, из которых сделано устройство. Хотя всегда можно замутить вольтдобавку или конверсию, если не хватает напруги.
Полная схема ядра усилителя без обвески и необходимого огорода приведена ниже. 
Testing
Тестирование проходило на пыточном столе, который по этическим соображениям здесь не показан. В общем- это всевозможный набор идеальных источников/нагрузок/воздействий, которые только себе можно представить даже в страшном сне. Пока он выдержал все, был изготовлен в микросхеме, и подтвердил свои параметры.
Проверял макет по многочисленным параметрам, на устойчивость к технологическим разбросам и вероятностным разбросам. Вот не лень, а не лень, когда делаешь для себя и с любовью.
Каждый блок перед вставкой его в блок уровнем выше тестировался отдельно и в системе.
Природные принципы построения
До этого момента макет был умышленно подтянут на нужные входные режимы с помощью внешних источников. Все настраивалось по самому главному принципу- получить максимально нужные показания без общей обратной связи, то есть получить структуру изначально максимально линейной, и только затем вводить внешнюю обратную связь, для исследования и окончательных замеров. Я думаю, тут никто спорить не будет, это постулат всей линейной электроники и аналоговой схемотехники.
До этого такие тувылзы писывало, пока не начал следовать главным принципам конструирования. Аккуратность, красота и лаконичность- наши лучшие друзья. И все ничинает работать приятно, потому, что становится понятно. Повышается надежность систем, потому, что видишь каждый шаг, он ясен и понятен.
Common mode voltage feedback- CMFB for RRIO FD OPAmp
И напоследок залепил ему третим входом CMFB, когда все остальное стало прекрасно работать. Тогда усь заклокотал как надо, прямо аж радость берет!
Кто не в курсе, cmfb -это common mode feedback, устаканивающая все выходы операционного усилителя относительно заданной на третий вход CM опоры. Это такая отрицательная обратная связь для средней точки усилителя. Иначе откуда он будет знать, относительно какой линии давать размах на выходах усилителя?
Вот это и есть тот самый третий вход с байпассирующим кондюком, нужный, как правило, для общей линии всех устройств тракта до усилителя, после, и его самого. Что-то типа такого 
Уровень общей точки (или, по-другому- виртуальной земли, средней точки, common mode) составляет обычно половину от полок питания, но может быть и другой. И еще может быть не только потенциальной, но и токовой, какая нам разница- напряжение, это результат тока на резисторе, следствие тока, и мы всегда получим напряжение, когда захотим.
Вот система continious time voltage CMFB этого усилителя. 
Она подключается к двум его выходам и воздействует своей репутацией на эрогенную точку в виде двух входов параллельного усилителя, подключенного к выходному каскаду. Что-то типа знакомых shunt regulator серии TL432.
CMFB -это по сути усилитель в усилителе, второй контур, который должен быть быстрее основного для обеспечения усилителю глобальной устойчивости. Кстати, все, о чем пишу здесь- вещи многолетней давности, захотелось все свести воедино, и самому поглядывать, вспоминать. Такой экспресс-обзор некоторых нужных вещичек.
Что мы получили? И что можно получить?
Итоги цели 2
Параметры, получившиеся на этой библиотеке, не суперские, зато стабильные, почти такие, какие хотелось получить, к тому же их всегда можно мультиплицировать на большие мощности\токи. Да, забыл сказать, этот опер планировался для внутренних отделочных работ в микросхеме, не для внешки. Для внешки сделаны другие и отдельно. Они кратко описаны чуть ниже.
Краткие параметры получившегося OPA.
FEATURES OPA:
Fully Differential Opamp
Supply Voltage Range: 3 V… 3,6 V
Unity Gain-Bandwidth: 54 MHz
Slew Rate: 129 V/us
Output Current: up to 1 mA sink/source @each channel
DC Voltage Offset: 1.2 mV max
Supply Current: 0,87 mA
Open Loop Gain: 74 dB
Этого уся вполне хватает для работы внутри микросхем, и он для этого родился. Output Impedance его в районе 500 Ohm нисколько не смущает микросхемных соседей. Для особо ретивых есть драйверы с низкоомным импедансом.
Внутрисхемные электронные изделия, как оказалось на практике, делать несложно, сам аж удивился, приведу до кучи кое-что еще.
Обкатаны нанотоковые 1.8 и 3.3- вольтовые устройства, а также switching cap системы, track-hold, ADC, sc comparators, delay, eq,linear phase filters, PGA,DAC,charge pump, vco-pll, mixers, rf pa, limiting amp, multiphase pwm и еще куча всякого мусора. Все в принципе оказалось просто.
Driving IC PADs
Для выкидывания сигнала наружу, чтобы прокачать ножку PADа микросхемы и емкость внешней нагрузки, придумана умощненная версия этого усилителя, а также специальные аналоговые буферы на ее основе. 
Вот еще помудренее, детишек пугать. 
Эти буферы все не очень красивые, они делались еще до осинения и явно в бреду. У них полоса в районе 400 MHZ и устойчивая работа на емкостную нагрузку.
В общем, аналоговая техника не так страшна, как ее малюют.