Операционный усилитель - универсальное оружие в мире аналоговой схемотехники. С его помощью специалист может сделать очень многое. Но пользоваться этим оружием нужно ещё уметь. Иногда кажется, что достаточно нарисовать волшебный треугольник на схеме, рассыпать вокруг резисторов с конденсаторами, и дело в шляпе. На самом же деле операционники не такие идеальные, как в теории, и отличаются друг от друга довольно сильно. В этой заметке я хочу упомянуть лишь парочку параметров, от которых начинающему следует ждать подвоха.
Начнем с популярного. Допустим, есть сигнал с маленькой амплитудой, который нам надо умножить перед подачей на АЦП. При этом с питанием ОУ и АЦП, ровно как и с опорой АЦП, никто не заморачивался, и все описанное богатство работает на 5 вольтах. Если в качестве ОУ использовалась вездесущая LM358, то поздравляю - мы только что отгрызли треть диапазона АЦП, и может даже исказили сигнал, срезав его верхушку. Здесь надо обратить внимание на параметр Output Swing Voltage. Для LM358 максимальное напряжение на выходе в будет примерно на 2 вольта ниже, чем напряжение питания (на 1.5 вольта при комнатной температуре). Кстати говоря, если у логики и у операционника одинаковое питание, то это же свойство помешает использовать LM358 вместо компаратора - логическая единица получится невнятной. Однако бывают операционники с размахом пошире. Если ОУ может выдать почти весь диапазон между землёй и питанием, то на первой странице даташита производитель гордо напишет слова Rail-to-Rail. На скриншоте видно, как выход LM358 недотягивает до питания (около 9 В) примерно столько, сколько и было написано в даташите.
Другой подвох нас будет ждать, когда мы попробуем скормить операционнику быстроизменяющийся сигнал. Например, синус с частотой в сотню килогерц или нечто с крутыми фронтами, вроде пилы или меандра. Открываем даташит на нашу любимую LM358 и видим, что полоса пропускания у него 1.1 МГц. Радуемся? Не так быстро! Сделать-то мы что хотели с тем сигналом? Если повторить или усилить, то листаем дальше и натыкаемся на параметр Slew Rate, показывающий предельную скорость изменения сигнала на выходе.
То есть самое крутое изменение выходного сигнала - примерно 0.3..0.6 вольт за 1 микросекунду. Проявление этого параметра в реальной жизни показано на скриншотах ниже. Желтый график - вход, синий - выход, коэффициент усиления во всех замерах оставался неизменным. При увеличении частоты входного сигнала до такой степени, что выход перестает укладываться в 0.3..0.6 В/мкс, амплитуда выходного сигнала начинает уменьшаться (что очень хорошо видно на скринах), а форма - искажаться, постепенно превращаясь в ровный треугольник (что видно уже не так хорошо из-за кривого источника синуса).
UPD: Спустя долгий промежуток времени я решил немного поправить пост. Сюда давно напрашивался скриншот получше, потому что пример с кривым синусом после R2R-лестницы не слишком нагляден. Поэтому ниже добавлен пример с прямоугольным сигналом - видно, как меандр 25 кГц превратился в треугольник. При 20 мкс на клетку и размахе 7.4 В легко посчитать, что Slew Rate получился 0.37 В/мкс, что соответствует даташиту.
Если нужен операционный усилитель без указанных выше недостатков, то можно обратить внимание на AD823 - rail-to-rail, скорость нарастания выходного напряжения 22 В/мкс! Однако и ценник у него конский.
На этом, конечно, ловушки не заканчиваются. Параметров у операционников уйма - всякие напряжения смещения, дрейфы, шумы и прочее... Но это уже за рамками этого поста :)