Model Penguat Operasional

Sementara penyebutan penguat operasional biasanya memprovokasi visi perangkat semikonduktor yang dibangun sebagai sirkuit terintegrasi pada chip silikon mini, op-amp pertama sebenarnya adalah sirkuit tabung vakum. Penguat operasional tujuan umum komersial pertama diproduksi oleh George A. Philbrick Researches, Incorporated, pada tahun 1952. Dinamakan K2-W, dibangun di sekitar dua tabung trioda kembar yang dipasang dalam rakitan dengan oktal (8-pin) soket untuk kemudahan pemasangan dan servis pada sasis peralatan elektronik pada masa itu. Majelis terlihat seperti ini:

Diagram skematik menunjukkan dua tabung, bersama dengan sepuluh resistor dan dua kapasitor, desain sirkuit yang cukup sederhana bahkan menurut standar tahun 1952:

Bagaimana Cara Kerja Tabung Vakum?

Jika Anda tidak terbiasa dengan pengoperasian tabung vakum, mereka beroperasi mirip dengan transistor IGFET tipe deplesi N-channel:yaitu, mereka melakukan lebih banyak arus ketika grid kontrol (garis putus-putus) dibuat lebih positif sehubungan dengan katoda (garis bengkok di dekat bagian bawah simbol tabung), dan mengalirkan arus lebih sedikit ketika kisi-kisi kontrol dibuat kurang positif (atau lebih negatif) daripada katoda. Tabung triode kembar di sebelah kiri berfungsi sebagai pasangan diferensial , mengubah input diferensial (sinyal tegangan input pembalik dan non-pembalik) menjadi sinyal tegangan tunggal yang diperkuat yang kemudian diumpankan ke grid kontrol triode kiri dari pasangan triode kedua melalui pembagi tegangan (1 MΩ—2.2 MΩ). Triode tersebut memperkuat dan membalikkan output dari pasangan diferensial untuk mendapatkan tegangan yang lebih besar, kemudian sinyal yang diperkuat digabungkan ke triode kedua dari tabung dual-triode yang sama dalam konfigurasi penguat non-pembalik untuk mendapatkan arus yang lebih besar. Kedua "tabung cahaya" neon bertindak sebagai pengatur tegangan, mirip dengan perilaku dioda zener semikonduktor, untuk memberikan tegangan bias pada sambungan antara dua trioda penguat ujung tunggal.

Dengan tegangan suplai ganda +300/-300 volt, op-amp ini hanya dapat mengayunkan outputnya +/- 50 volt, yang sangat buruk menurut standar saat ini. Itu memiliki gain tegangan loop terbuka 15.000 hingga 20.000, laju perubahan tegangan +/- 12 volt/µdetik, arus keluaran maksimum 1 mA, konsumsi daya diam lebih dari 3 watt (tidak termasuk daya untuk filamen tabung !), dan biayanya sekitar $24 pada tahun 1952 dolar. Performa yang lebih baik dapat dicapai dengan menggunakan desain sirkuit yang lebih canggih, tetapi hanya dengan mengorbankan konsumsi daya yang lebih besar, biaya yang lebih besar, dan penurunan keandalan.

Dampak Transistor Solid State pada Op-Amp

Dengan munculnya transistor solid-state, op-amp dengan konsumsi daya yang jauh lebih sedikit dan keandalan yang meningkat menjadi layak, tetapi banyak parameter kinerja lainnya tetap hampir sama. Ambil contoh model Philbrick P55A, op-amp solid-state serba guna sekitar tahun 1966. P55A memiliki gain loop terbuka 40.000, laju perubahan tegangan 1,5 volt/µdetik dan ayunan output +/- 11 volt ( pada tegangan catu daya +/- 15 volt), arus keluaran maksimum 2,2 mA, dan biaya $49 (atau sekitar $21 untuk versi "tingkat utilitas"). P55A, serta op-amp lain dalam jajaran Philbrick saat itu, memiliki konstruksi komponen-diskrit, transistor, resistor, dan kapasitor penyusunnya ditempatkan dalam "bata" padat yang menyerupai paket sirkuit terintegrasi besar.

Tidak terlalu sulit untuk membangun penguat operasional mentah menggunakan komponen diskrit. Skema dari salah satu rangkaian tersebut ditunjukkan pada Gambar di bawah ini.

Penguat operasional sederhana yang terbuat dari komponen terpisah.

Sementara kinerjanya agak suram menurut standar modern, ini menunjukkan bahwa kompleksitas tidak diperlukan untuk membuat op-amp yang berfungsi minimal. Transistor Q₃ dan T₄ membentuk jantung dari rangkaian pasangan diferensial lain, semikonduktor yang setara dengan tabung triode pertama dalam skema K2-W. Seperti pada rangkaian tabung vakum, tujuan dari pasangan diferensial adalah untuk memperkuat dan mengubah tegangan diferensial antara dua terminal input menjadi tegangan output ujung tunggal.

Dampak Teknologi Sirkuit Terpadu pada Desain Op-Amp

Dengan munculnya teknologi sirkuit terpadu (IC), desain op-amp mengalami peningkatan dramatis dalam kinerja, keandalan, kepadatan, dan ekonomi. Antara tahun 1964 dan 1968, Fairchild Corporation memperkenalkan tiga model IC op-amp:702, 709, dan 741 yang masih populer. Sementara 741 sekarang dianggap ketinggalan zaman dalam hal kinerja, itu masih menjadi favorit di kalangan penggemar untuk kesederhanaan dan toleransi kesalahan (perlindungan hubung singkat pada output, misalnya). Pengalaman pribadi menyalahgunakan banyak 741 op-amp telah membawa saya pada kesimpulan bahwa itu adalah chip yang sulit untuk dibunuh. . .

Diagram skematik internal untuk op-amp model 741 ditunjukkan pada Gambar di bawah ini.

Diagram skema op-amp model 741.

Dengan standar sirkuit terpadu, 741 adalah perangkat yang sangat sederhana:contoh integrasi skala kecil , atau SSI teknologi. Bukan masalah kecil untuk membangun sirkuit ini menggunakan komponen diskrit, sehingga Anda dapat melihat keuntungan dari teknologi sirkuit terintegrasi paling primitif sekalipun dibandingkan komponen diskrit yang melibatkan jumlah suku cadang yang tinggi.

Perbandingan Spesifikasi Performa Beberapa Op-Amp

Untuk penghobi, pelajar, atau insinyur yang menginginkan kinerja yang lebih baik, ada ratusan model op-amp yang dapat dipilih. Banyak yang menjual kurang dari satu dolar masing-masing, bahkan eceran! Instrumentasi tujuan khusus dan op-amp frekuensi radio (RF) mungkin sedikit lebih mahal. Pada bagian ini saya akan menampilkan beberapa op-amp yang populer dan terjangkau, membandingkan dan membedakan spesifikasi kinerjanya. Yang terhormat 741 dimasukkan sebagai "patokan" untuk perbandingan, meskipun, seperti yang saya katakan sebelumnya, dianggap sebagai desain yang usang.

Penguat operasional yang banyak digunakan

Model Perangkat/paket Sumber daya Bandwidth Arus bias Kecepatan perubahan kecepatan Arus keluaran angka (hitungan) (V) (MHz) (nA) (V/µS) (mA) TL082212 / 36481317LM301A110 / 3612500.525LM318110 / 40155007020LM32443 / 321450.2520LF353212 / 36481320LF356110 / 36581225LF411110 / 364201525741C110 / 3615000.525LM833210 / 36151050740LM145826 / 361800

Tercantum dalam Tabel di atas hanyalah beberapa model penguat operasional berbiaya rendah yang tersedia secara luas dari pemasok elektronik. Kebanyakan dari mereka tersedia melalui toko perlengkapan ritel seperti Radio Shack. Semua di bawah biaya $1,00 langsung dari produsen (harga tahun 2001). Seperti yang Anda lihat, ada variasi substansial dalam kinerja antara beberapa unit ini. Ambil contoh parameter arus bias input:CA3130 memenangkan hadiah untuk yang terendah, pada 0,05 nA (atau 50 pA), dan LM833 memiliki yang tertinggi pada sedikit di atas 1 A. Model CA3130 mencapai arus bias yang sangat rendah melalui penggunaan transistor MOSFET pada tahap inputnya. Satu pabrikan mengiklankan impedansi input 3130 sebagai 1,5 tera-ohm, atau 1,5 x 10 ¹² ! Op-amp lain yang ditampilkan di sini dengan gambar arus bias rendah menggunakan transistor input JFET, sedangkan model arus bias tinggi menggunakan transistor input bipolar.

Sementara 741 ditentukan dalam banyak skema proyek elektronik dan dipamerkan di banyak buku teks, kinerjanya telah lama dilampaui oleh desain lain dalam setiap ukuran. Bahkan beberapa desain yang awalnya didasarkan pada 741 telah ditingkatkan selama bertahun-tahun hingga jauh melampaui spesifikasi desain aslinya. Salah satu contohnya adalah model 1458, dua op-amp dalam paket DIP 8-pin, yang pada satu waktu memiliki spesifikasi kinerja yang sama persis dengan 741 tunggal. Dalam inkarnasi terbarunya, ia menawarkan rentang tegangan catu daya yang lebih luas, tingkat 50 kali lebih besar, dan hampir dua kali lipat kemampuan arus keluaran dari 741, sambil tetap mempertahankan fitur perlindungan hubung singkat keluaran dari 741. Op-amp dengan transistor masukan JFET dan MOSFET jauh melebihi kinerja 741 dalam hal arus bias, dan secara umum berhasil mengalahkan 741 dalam hal bandwidth dan laju perubahan tegangan juga.

Rekomendasi pribadi saya untuk op-amp adalah sebagai berikut:ketika arus bias rendah menjadi prioritas (seperti pada rangkaian integrator kecepatan rendah), pilihlah 3130. Untuk pekerjaan penguat DC tujuan umum, 1458 menawarkan kinerja yang baik (dan Anda mendapatkan dua op-amp dalam satu paket). Untuk peningkatan kinerja, pilih model 353, karena merupakan pengganti yang kompatibel dengan pin untuk 1458. 353 dirancang dengan sirkuit input JFET untuk arus bias yang sangat rendah, dan memiliki bandwidth 4 kali lebih besar dari 1458, meskipun batas arus keluarannya lebih rendah (tetapi masih terlindungi dari hubung singkat). Mungkin lebih sulit untuk menemukannya di rak rumah pasokan elektronik lokal Anda, tetapi harganya sama terjangkaunya dengan 1458.

Jika tegangan catu daya rendah merupakan persyaratan, saya merekomendasikan model 324, karena berfungsi serendah 3 volt DC. Persyaratan arus bias inputnya juga rendah, dan menyediakan empat op-amp dalam satu chip 14-pin. Kelemahan utamanya adalah kecepatan, terbatas pada bandwidth 1 MHz dan laju perubahan tegangan keluaran hanya 0,25 volt per s. Untuk rangkaian penguat AC frekuensi tinggi, 318 adalah model "tujuan umum" yang sangat baik.

Contoh Bandwidth Tinggi dan Op-Amp Arus Tinggi

Op-amp tujuan khusus tersedia dengan biaya sederhana yang memberikan spesifikasi kinerja yang lebih baik. Banyak dari ini disesuaikan untuk jenis keunggulan kinerja tertentu, seperti bandwidth maksimum atau arus bias minimum. Ambil contoh op-amp, keduanya dirancang untuk bandwidth tinggi pada Tabel di bawah ini.

Penguat operasional bandwidth tinggi

Model Perangkat/paket Sumber daya Bandwidth Arus bias Kecepatan perubahan kecepatan Arus keluaran angka (hitungan) (V) (MHz) (nA) (V/µS) (mA) CLC404110 / 1423244,000260070CLC42515 / 14190040,00035090

CLC404 terdaftar di $21,80 (hampir sama dengan op-amp komersial pertama George Philbrick, meskipun tanpa koreksi untuk inflasi), sedangkan CLC425 sedikit lebih murah di $3,23 per unit. Dalam kedua kasus, kecepatan tinggi dicapai dengan mengorbankan arus bias tinggi dan rentang tegangan catu daya yang terbatas. Beberapa op-amp, yang dirancang untuk output daya tinggi tercantum dalam Tabel di bawah ini.

Penguat operasional arus tinggi

Model Perangkat/paket Sumber daya Bandwidth Arus bias Kecepatan perubahan kecepatan Arus keluaran angka (hitungan) (V) (MHz) (nA) (V/µS) (mA) LM12CL115 / 800.71000913,000LM717115.5 / 3620012,0004100100

Ya, LM12CL sebenarnya memiliki nilai arus keluaran 13 amp (13.000 miliampere)! Ini terdaftar di $ 14,40, yang tidak banyak uang, mengingat kekuatan mentah perangkat. LM7171, di sisi lain, memperdagangkan kemampuan output arus tinggi untuk kemampuan output tegangan cepat (laju perubahan tegangan tinggi). Ini terdaftar di $1,19, kira-kira serendah beberapa op-amp "tujuan umum".

Paket penguat juga dapat dibeli sebagai rangkaian aplikasi lengkap sebagai lawan dari penguat operasional telanjang. Perusahaan Burr-Brown dan Analog Devices, misalnya, keduanya telah lama dikenal dengan lini produk amplifier presisi mereka, menawarkan amplifier instrumentasi dalam paket pra-desain serta perangkat amplifier khusus lainnya. Dalam desain di mana presisi tinggi dan pengulangan setelah perbaikan penting, mungkin menguntungkan bagi perancang sirkuit untuk memilih "blok" penguat pra-rekayasa daripada membangun sirkuit dari op-amp individu. Tentu saja, unit ini biasanya sedikit lebih mahal daripada op-amp individual.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Penguat Operasional Dasar