Operationsverstärker, warum haben sie so niedrige Ausgangsströme?

Eine Einführung in meine Frage ist, dass Operationsverstärker letztendlich etwas mit ihrer Ausgangsstufe treiben (dh sie liefern oder senken Strom). Für den Rest dieser Frage betrachte ich speziell das aktuelle Beschaffungsszenario.

Der Strom, den ein Operationsverstärker liefern kann, wird manchmal auf dem Datenblatt als Ausgangsstrom angezeigt , und noch seltener wird auch ein Kurzschluss gegen Massestrom angegeben. Sehr oft sind diese Werte sehr niedrig, vielleicht einstellige mA oder maximal 10-20 mA. Die Hersteller weisen schnell darauf hin, wie wenig Strom ihre Operationsverstärker verbrauchen, aber für viele Schaltungen ist die Treiberfähigkeit der Operationsverstärker von größter Bedeutung. Ohne Antriebsfähigkeit muss man zusätzliche Verstärkungsstufen hinzufügen, die die wunderbaren Eigenschaften des Operationsverstärkers (z. B. Rauschen, Offset usw.) reduzieren.

Diese Stromtreiberfähigkeit scheint sehr gering zu sein, und ich frage mich, warum die Operationsverstärker so ausgelegt sind, dass sie so wenig Strom liefern, was einen dazu zwingt, nach dem Operationsverstärker eine weitere aktive Stufe zur Stromverstärkung hinzuzufügen, um größere Lasten anzutreiben.

Um höhere Ströme zu erhalten, muss man sich in die Welt der sogenannten Leistungsverstärker wagen, aber diese haben oft viel schlechtere Eigenschaften auf ihrem Datenblatt als gute Operationsverstärker. Außerdem sind sie viel teurer für anständige (z. B. 10x so teuer).

Ist die niedrige Antriebsfähigkeit von Operationsverstärkern ein Nebeneffekt des Versuchs, ihnen ihre guten Eigenschaften zu verleihen? Verschlechtern sich diese Eigenschaften, wenn ein Operationsverstärker so ausgelegt ist, dass er mehr als etwa 20 mA Strom liefert, was der Grund dafür ist, dass er in seiner Antriebsfähigkeit so begrenzt ist?

Update Vielleicht ist ein Aspekt meiner Frage, warum es eine so große Lücke zwischen Operationsverstärkern und Leistungsverstärkern gibt (dh den Sprung von 10-20 mA auf 2 A).

Operationsverstärker sind für bestimmte Zwecke konzipiert. Wenn Sie einen kleinen signalverstärkenden Operationsverstärker benötigen, hat er wahrscheinlich nur begrenzte Ausgangsstromfähigkeiten, aber wenn Sie sich Leistungs-Operationsverstärker ansehen, können sie mehrere Ampere ausgeben. Aber warum sollten Sie für diese Funktion in Ihrem Design bezahlen, wenn Sie sie nicht benötigen?
Für die meisten Anwendungen sind diese 10-20 mA ausreichend . Wenn Sie mehr brauchen, gibt es Lösungen dafür. Vergleichen Sie das Datenblatt eines solchen 10-20-mA-Ausgangsstrom-Operationsverstärkers mit einem, der 2 A treiben kann, wie der opa544. Schauen Sie sich den aktuellen Verbrauch an, gewinnen Sie BW usw. Auch den Preis . (2A-Transistoren benötigen Siliziumfläche, vielleicht sogar zusätzliche Bonddrähte, weniger Chips passen auf einen Wafer, auch nur wenige Leute brauchen dies, das alles erhöht den Preis). Der opa544 kann 2 A treiben, aber auf Kosten von Kompromissen an anderer Stelle.
Sie machen Power-Opamps. Sogar der TCA0372 in einem kleinen Paket. Aber die Hitze muss man dann auch wieder loswerden!
Zu Ihrem Update: Es gibt viele Operationsverstärker mit Ausgangsströmen zwischen 20 mA und 2 A. TI verfügt über 678 Operationsverstärker mit einem typischen Ausgangsstrom zwischen 40 mA und 1 A. Zugegeben, einige davon sind Single/Dual/Quads mit dem gleichen Operationsverstärker-Design, aber es gibt dennoch viele in diesem Bereich.
Sehen Sie sich Spitze an. apexanalog.com
In welchen Schaltungen sind die aktuellen Treiberfähigkeiten eines Operationsverstärkers "von größter Bedeutung"? Können Sie einige Beispiele für Schaltungen nennen, die Stromtreiberfähigkeiten in der Lücke zwischen 10-20 mA und 2 A benötigen? Das könnte helfen, die Frage besser zu formulieren.
Die Wärmetechnik ist dabei ein sehr wichtiger Bestandteil.

Antworten (2)

Ganz einfach: Hersteller machen, was Kunden kaufen! Das ist der gleiche Grund, warum Ferrari keinen Anhänger am Heck seiner Autos anbringen wird ...

Der Preis spielt dabei natürlich eine sehr wichtige Rolle, und der Preis ist an die Siliziumfläche, den Prozess, die Ausbeute und natürlich die Verpackung gebunden.

Beispielsweise verbraucht ein Operationsverstärker mit einer Versorgung von +/- 12 V und einem Ausgangsstrom von 1 A mehrere Watt, sodass es sich nicht um ein Standard-Operationsverstärkerpaket wie SO-8 handeln kann. Daher schrumpft seine Zielgruppe auf Kunden, die bereit sind, dieses spezifische Paket zu verwenden, das nicht Standard sein wird, sodass es keine zweite Quelle gibt, falls der erste Hersteller nicht vorrätig ist. Das nicht standardmäßige Paket bedeutet auch, dass es nicht an Kunden vermarktet werden kann, die einen Standard-Operationsverstärker wollen, es sei denn, es ist so etwas wie ein SO-8 mit einem Wärmeleitpad, das seine eigenen Probleme hat, es ist thermisch viel schlechter als TO- 220-5 LM1875 zum Beispiel.

Vergleichen Sie dies beispielsweise mit einem NE5532. Für den unwahrscheinlichen Fall, dass es nicht vorrätig ist, gibt es tonnenweise Äquivalente. Das Paket ist Standard ... es ist ein Jellybean-Teil.

Wir sind noch nicht auf die eigentlichen technischen Einschränkungen eingegangen, und die Wirtschaftlichkeit favorisiert bereits den Chip, der das größte Publikum bedienen wird, in diesem Fall Schaltungen mit kleinen Signalen und niedrigem Strom. Selbst wenn das thermisch verbesserte Paket nur 5 Cent zu den Kosten des stärkeren Operationsverstärkers hinzufügt, sind es 5 Cent zu viel, wenn Sie die Fähigkeit nicht benötigen.

Nun erfordert ein höherer Ausgangsstrom größere Ausgangstransistoren, also mehr Siliziumfläche: Es wird teurer. Es wird auch langsamer.

Angenommen, Sie stellen einen ADA4898 her , einen erstklassigen Operationsverstärker für alles. Der Prozess dafür ist wahrscheinlich verdammt teuer, außerdem werden alle Chips, die die strengen Spezifikationstests nicht bestehen, weggeworfen, sodass die Ausbeute ein Problem sein kann. Die Leute von AD werden die Ausgangstransistoren nicht vergrößern, wenn dies nur 5% der Kunden für dieses Produkt interessiert ... weil dies es für die anderen teurer machen würde, also würden sie einen anderen Operationsverstärker auswählen ...

Vielleicht können die Hersteller das nicht? Nun, nein. Wenn es einen Markt gibt, werden sie hineinstürmen. Überprüfen Sie zum Beispiel ADA4311 , es ist ein Treiber für PLC/DSL/was auch immer Twisted Pair, es ist schnell, rauscharm, hoher Strom usw. Aber es ist ein Stromgegenkopplungsverstärker mit hohem Offset und miesen DC-Spezifikationen, da diese für die Anwendung keine Rolle spielen , daher würde die Entscheidung für ein Präzisionsdesign nur die Kosten erhöhen.

Überprüfen Sie nun LM1875 , einen Audio-Leistungs-Operationsverstärker. Es ist alt, mies und langsam, also kann es wahrscheinlich mit einem billigen alten Verfahren mit hoher Ausbeute hergestellt werden. Es könnte besser sein, sicher ... aber es ist gut genug für die Anwendung.

Wenn Sie einen Operationsverstärker mit guten Kleinsignalspezifikationen (DC-Offset, Rauschen usw.) und Hochstromantrieb wünschen, ist es am einfachsten, eine Leistungsendstufe darauf zu kleben oder eine Verbindung herzustellen, bei der der erste Operationsverstärker einen kräftigeren ansteuert. Wenn der zweite Operationsverstärker schneller ist, ist keine zusätzliche Kompensation erforderlich. Wenn es langsamer ist, ist eine Kompensation erforderlich.

Eine wunderbare Antwort. Ich habe nur eine Frage zu Ihrer Antwort: Sie haben erwähnt, dass ich eine Leistungsendstufe hinzufügen muss, wenn ich gute Kleinsignalspezifikationen mit einem Hochstromantrieb haben möchte. Aber würde eine Leistungsendstufe diese guten Kleinsignalspezifikationen im Tausch gegen mehr Stromlieferfähigkeit nicht vollständig verschlechtern? Mit anderen Worten, würde das Hinzufügen dieser zusätzlichen Stromverstärkungsstufe über beispielsweise einen Durchgangstransistor oder einen Leistungs-Operationsverstärker die Vorteile des Präzisions-Operationsverstärkers davor nicht vollständig zunichte machen?
Normalerweise bestimmt der erste Operationsverstärker DC-Offset, Rauschen und im Grunde alles außer Geschwindigkeit, Verzerrung und ob der Ausgang Rail-to-Rail ist. Wenn die von Ihnen hinzugefügte Ausgangsstufe beispielsweise einen DC-Offset von beispielsweise 1 V hat, weil es sich nur um einen Emitterfolger handelt, wird der Offset durch die Open-Loop-Verstärkung des Operationsverstärkers reduziert, die bei DC normalerweise "viel" ist. Und das meiste Rauschen kommt auch von der Eingangsstufe des Operationsverstärkers, da das Rauschen in der Ausgangsstufe durch Rückkopplung reduziert wird.
Das Problem ist eine Crossover-Verzerrung, wenn die Ausgangsstufe schlecht ausgelegt ist, und eine Geschwindigkeit, wenn sie eine geringere Bandbreite als der Operationsverstärker hat. Dann wird eine Phasenverschiebung hinzugefügt, die den Operationsverstärker instabil macht. Dies erfordert zusätzliche Kompensationskappen. Da Hochstromtransistoren normalerweise langsamer sind, sollten Sie darauf achten.
@MichaelGoldshteyn: Die erste Stufe in einem Verstärker ist für fast das gesamte SnR verantwortlich. Wenn es eine Verstärkung von 1000 hat, besteht der Eingang zur nächsten Stufe fast ausschließlich aus Signal (und verstärktem Rauschen). Dem Ausgang der ersten Stufe hinzugefügtes tatsächliches Rauschen wird zu einem bereits großen Signal hinzugefügt. Siehe electronic.stackexchange.com/questions/305128/… und e2e.ti.com/blogs_/archives/b/thesignal/archive/2013/01/21/… für mehr darüber, warum eine hochwertige erste Stufe eine gute Sache ist .
Ferrari bietet es vielleicht nicht an, aber das hält die Kunden nicht davon ab, es selbst zu tun . Obwohl ich mir vorstelle, dass das Endergebnis das gleiche wäre wie die Überlastung einer elektronischen Komponente – wenn Sie es zu viel tun, wird der magische Rauch aus dem Auto freigesetzt und es wird nicht mehr funktionieren.

Hohe Ausgangsströme bedeuten hohe Verlustleistung und hohe thermische Verzerrung, da das Eingangsdiffpaar leicht unterschiedliche Temperaturen erfährt. Wie möglich, wenn "symmetrisches Layout"? Weil die Metallisierung in der Nähe der Diff-Paare nicht ausgeglichen wird und das Metall als Wärmepfad unausgeglichene Temperaturen an den Diff-Paaren erzeugt.

Wenn die thermische Verformung nicht wichtig ist, wenn das leichte Unterschwingen von 0,01 % aufgrund thermischer Rückkopplung oder das nicht so geringe Überschwingen von 0,1 % aufgrund thermischer Rückkopplung nicht wichtig sind, ist Ihre Designaufgabe einfacher.

Aber Vorsicht bei der PAM-Signalverarbeitung mit mehreren Sensoren in jedem Operationsverstärker.

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