Выбор операционного усилителя: частота единичного усиления, скорость нарастания и шум

При выборе операционного усилителя для измерительного или преобразовательного тракта три параметра удобно проверять в связке: запас по частоте единичного усиления относительно рабочей полосы, способность обеспечить нужное время установления и уровень искажений при работе с АЦП, а также спектральная плотность шума с учётом импеданса источника. Такой порядок позволяет отсеять неподходящие компоненты до детального сравнения схем включения.

Запас по частоте единичного усиления

Частота единичного усиления должна минимум в 10…20 раз превышать максимальную рабочую частоту сигнала при заданном замкнутом усилении. Этот запас нужен, чтобы петлевое усиление на рабочей частоте оставалось достаточным для подавления искажений и сохранения устойчивости каскада.

Согласование усилителя с АЦП

Для драйвера АЦП высокой разрядности ключевым становится время установления: требуемое значение должно быть близко к 1 мкс при использовании 16-разрядного 1 Msps АЦП или чуть меньше 1,25 мкс для 18-разрядного 800 Ksps АЦП. Спецификации операционных усилителей обычно задают время установления на уровне 0,1 или 0,01% от полного размаха, а не 0,0015%, которое требуется для обеспечения 16-разрядной точности, поэтому паспортное значение приходится пересчитывать под нужную разрядность.

Искажения драйвера должны быть заметно ниже искажений самого АЦП: для комбинации операционный усилитель/АЦП 16-разрядной точности THD обычно должен быть не хуже –100 дБ. Это требование проверяют на рабочей частоте сигнала, а не только по типовому значению из краткой таблицы параметров.

Шум и импеданс источника

Для прецизионных измерительных трактов в медицине, промышленной автоматике или весовом оборудовании критично выбирать компоненты с напряжением шума менее 10 нВ/√Гц, а для сверхточных задач — менее 5 нВ/√Гц. В лучших операционных усилителях спектральная плотность шума может быть даже ниже 1 нВ/√Гц, однако ориентироваться только на этот параметр недостаточно.

Шум создают не только активные компоненты: типовой шум, генерируемый резистором номиналом 1 кОм при комнатной температуре, составляет примерно 4 нВ/√Гц. При высоких значениях входного импеданса ограничивающим фактором шумовых характеристик системы часто становится шумовой ток, поэтому выбор между малошумящим биполярным и полевым входом определяется сопротивлением источника, а не только паспортной плотностью напряжения шума.

Практическая последовательность проверки

Сначала фиксируют максимальную рабочую частоту и замкнутое усиление, затем подбирают усилитель с запасом по частоте единичного усиления не менее десятикратного. Далее проверяют время установления и THD в связке с конкретным АЦП, после чего оценивают суммарный шум с учётом резисторов цепи и импеданса источника. Многие дорогие операционные усилители для аудио часто подвержены фальсификации, поэтому покупать их следует только в надёжных местах — это снижает риск получить компонент с параметрами, отличными от заявленных.