Co je LM2902N a jak funguje?

Mnoho elektronických systémů potřebuje zesílit, porovnat, filtrovat nebo upravit malé analogové signály, než mohou tyto signály používat jiné obvody. LM2902N je nízkoenergetický čtyřnásobný operační zesilovač od společnosti Texas Instruments, který poskytuje čtyři nezávislé op-ampy v jednom 14pinovém pouzdře. Může pracovat z jednoho nebo rozděleného napájení, snímat vchody blízko uzemnění a fungovat v širokém teplotním rozmezí. Tento průvodce vysvětluje specifikace LM2902N, vnitřní provoz, zapojení obvodu, výpočty zisku, praktické obvody zesilovačů a další.

Katalog

Základy LM2902N Op-Amp IC

LM2902N je nízkoenergetický IC obsahující čtyři nezávislé, vysoce ziskové operační zesilovače. Každý zesilovač je interně frekvenčně kompenzován a pomáhá udržovat stabilní provoz bez nutnosti externích kompenzačních součástí.

IC pracuje z jednoho napájení v širokém rozsahu napětí. Může také používat rozdělená napájení, pokud je to nutné. Jeho proudový odběr zůstává relativně stabilní, když se mění napětí napájení. Vstupní společný mód zahrnuje negativní napájecí kolejnici, což umožňuje LM2902-N snímat signály blízko uzemnění.

Nicméně, LM2902-N není operační zesilovač s rail-to-rail. Jeho vstup a výstup obvykle nemohou dosáhnout pozitivní napájecí kolejnice. Pokud máte zájem o koupi LM2902-N, neváhejte se s námi spojit ohledně cen a dostupnosti.

Pinout a CAD modely LM2902N

Pinout LM2902N

Pin Název	Pin Číslo	Typ	Přepsaný popis
VÝSTUP1	1	O	Zesílený výstup z kanálu 1
VSTUP1−	2	I	Invertující signál pro kanál 1
VSTUP1+	3	I	Neinvertující signál pro kanál 1
V+	4	P	Pozitivní připojení napájení
VSTUP2+	5	I	Neinvertující signál pro kanál 2
VSTUP2−	6	I	Invertující signál pro kanál 2
VÝSTUP2	7	O	Zesílený výstup z kanálu 2
VÝSTUP3	8	O	Zesílený výstup z kanálu 3
VSTUP3−	9	I	Invertující signál pro kanál 3
VSTUP3+	10	Já	Neinvertující vstup signálu pro kanál 3
GND	11	P	Spojení země pro provoz na jedné napájecí soustavě nebo záporné napájení pro dvouvrstvý provoz
VSTUP4+	12	Já	Neinvertující vstup signálu pro kanál 4
VSTUP4−	13	Já	Invertní vstup signálu pro kanál 4
VÝSTUP4	14	O	Zesílený výstup z kanálu 4

CAD Modely

Technické specifikace LM2902N

Atribut produktu	Specifikace
Výrobce	Texas Instruments
Série	LinCMOS
Balení	Trubice
Stav produktu	Aktivní
Typ zesilovače	Standardní zesilovač pro obecné použití
Počet okruhů	4
Zisk-Šířka pásma	1 MHz
Vstupní biasový proud	45 nA
Vstupní offsetní napětí	2 mV
Napájecí proud	1,5 mA
Výstupní proud na kanál	40 mA
Minimální rozsah napájecího napětí	3 V
Maximální rozsah napájecího napětí	32 V
Provozní teplota	−40°C až +85°C (TJ)
Typ montáže	Průchozí otvory
Balení/Pouzdro	14-DIP (0.300 in, 7.62 mm)
Balení zařízení dodavatele	14-PDIP
Základní číslo produktu	LM2902

Vlastnosti a výhody LM2902N

Vlastnosti

• Čtyři operační zesilovače v jednom pouzdře: Obsahuje čtyři nezávislé operační zesilovače v jednom IC.

• Interně frekvenčně kompenzované: Podporuje stabilní provoz s jednotkovým ziskem bez externích kompenzačních komponent.

• Vysoký zisk DC: Poskytuje typický otevřený zisk napětí 100 dB.

• Šířka pásma 1 MHz: Vhodné pro zpracování signálů se slabými frekvencemi a pro obecné použití.

• Široký rozsah napájení: Provozuje se od 3 V do 32 V na jedné soustavě nebo ±1,5 V do ±16 V na dvou soustavách.

• Nízký napájecí proud: Odebírá přibližně 700 µA s omezenou závislostí na napájecím napětí.

• Nízký vstupní biasový proud: Mívá typický vstupní biasový proud 45 nA.

• Nízký vstupní offset: Nabízí typické vstupní offsetní napětí 2 mV a offsetní proud 5 nA.

• Vstup pro detekci země: Jeho vstupní oblast společného režimu zahrnuje zápornou napájecí lištu nebo zem.

• Široký výstupní rozsah: Výstup se může přiblížit k zemi a typicky se dostává až o přibližně 1,5 V pod kladnou lištu.

Výhody

• Podporuje obvody s jedním napájením: Často odstraňuje potřebu samostatných kladných a záporných napájení.

• Ušetří místo na desce: Čtyři zesilovače snižují počet komponentů a plochu PCB.

• Vhodné pro zařízení napájená z baterií: Nízká spotřeba proudu pomáhá snižovat spotřebu energie.

• Zpracovává signály referencované na zem: Vstupy a výstupy mohou pracovat blízko země.

• Výkon s teplotní kompenzací: Šířka pásma a vstupní biasový proud zůstávají konzistentnější při změnách teploty.

Jak LM2902N pracuje vnitřně?

LM2902N obsahuje čtyři nezávislé operační zesilovače, které sdílejí stejné připojení napájení. Diagram ukazuje vnitřní obvod jednoho kanálu zesilovače. Každý kanál porovnává napětí aplikovaná na jeho inverzní (−) a neinverzní (+) vstupy. Pak zesiluje rozdíl mezi těmito dvěma napětími.

Na vstupní úrovni tvoří tranzistory Q1 až Q4 diferenciální vstupní obvod. Zdroje proudu a tranzistory Q8 a Q9 zajišťují stabilní provozní proudy a převádějí vstupní rozdíl na signál pro další úroveň. Když se jedno vstupní napětí změní ve vztahu k druhému, vnitřní rozdělení proudu se odpovídajícím způsobem změní.

Signál pak prochází vysokoziskovou úrovní, kterou tvoří převážně Q10 a Q11. Kondenzátor C_C poskytuje vnitřní frekvenční kompenzaci a pomáhá předcházet nechtěné oscilační při použití záporné zpětné vazby. Zbývající tranzistory tvoří výstupní úroveň, která dodává nebo odebírá proud k řízení výstupu. V uzavřeném okruhu externí zpětná vazba nepřetržitě upravuje výstup, dokud se dvě vstupní napětí téměř neopakují.

Pochopení vstupních a výstupních limitů LM2902N

Vstupní společný režim LM2902N zahrnuje zem, když je napájen z jednoho zdroje. To mu umožňuje měřit signály blízko 0 V. Nicméně by měl vstupní napětí obvykle zůstat alespoň 1,5 V pod kladným napájecím napětím při pokojové teplotě. V rámci celého teplotního rozsahu může být zapotřebí větší rezervy. Například při 5 V napájení se doporučený vstupní rozsah obvykle rozšiřuje od 0 V do přibližně 3,5 V.

Výstup může také kmitat blízko země, zejména při lehkém zatížení, ale obvykle nemůže dosáhnout kladného napájecího napětí. Jeho nejvyšší úroveň výstupu je typicky přibližně 1,5 V pod V+, a dostupný kmit se zmenšuje s těžšími zátěžemi. Proto zdroj 5 V nemůže produkovat plný výstupní signál 0–5 V.

Požadované vstupní a výstupní napětí musí zůstat v těchto mezích. Jinak se může výstup omezit, saturace, reagovat pomalu nebo produkovat nepresný signál. Přesné meze závisí na napájecím napětí, zátěžovém proudu, teplotě a specifikacích výrobce.

Jak využít op-amp LM2902N

LM2902N může být použit tak, že nejprve připojíte pin 4 k kladnému napájecímu napětí a pin 11 k zemi pro provoz na jedno napětí. Keramický bypass kondenzátor s hodnotou 0,1 µF by měl být umístěn blízko těchto napájecích pinů, aby se snížil šum. Požadovaný vstupní signál je pak připojen k jednomu kanálu zesilovače, zatímco rezistory jsou přidány k vytvoření záporné zpětné vazby a nastavení napěťového zisku.

Schéma ukazuje použití Kanálu 1 jako neinverzního zesilovače. Vstupní signál z potenciometru RV1 je připojen k neinverznímu vstupu na pinu 3. Rezistor R1 spojuje inverzní vstup na pinu 2 se zemí, zatímco R2 spojuje výstup na pinu 1 zpět na inverzní vstup.

Napěťový zisk se vypočítá jako:

Při vstupu přibližně 0,73 V je očekávaný výstup přibližně 7,37 V. Před sestavením obvodu potvrďte, že vstup, výstup, napájecí napětí a zátěž zůstávají v limitu provozu LM2902N. Správně připojte nepoužívané kanály, abyste předešli nestabilním nebo hlučným výstupům.

Návrh obvodu LM2902N a výpočty zisku

LM2902N používá externí zpětnovazební rezistory k ovládání jeho uzavřeného ziskového napětí. Před výběrem hodnot rezistorů definujte vstupní rozsah, požadovaný výstupní rozsah, napájecí napětí, frekvenci signálu a zátěž. Vypočítaný výstup musí zůstat v mezích vstupních a výstupních limitů LM2902N, aby nedošlo k oříznutí nebo nepresnému provozu.

Neinverzní zesilovač

Neinverzní zesilovač produkuje výstup se stejnou polaritou jako vstup. Jeho napěťový zisk je:

Pokud R_f=9.1kΩ a Rg=1kΩ:

Při vstupu 0,5 V:

V_out=0.5×10.1=5.05V

Inverzní zesilovač

Inverzní zesilovač obrací polaritu signálu. Jeho zisk je:

Pokud Rf=20kΩ a Rin=10kΩ:

Vstup 0,5 V produkuje ideální změnu výstupu -1 V vzhledem k referenčnímu napětí obvodu. Obvod s jediným napájením může vyžadovat střední referenci, protože LM2902N nemůže generovat záporný výstup, když je napájen pouze kladným napětím a zemí.

Napěťový sledovač

Napěťový sledovač připojuje výstup přímo k inverznímu vstupu. Jeho zisk je:

Av=1

Výstup sleduje vstupní napětí. Tato konfigurace poskytuje vysokou vstupní impedanci a nižší výstupní impedanci, což je užitečné pro vyrovnání signálu, aniž by se zvyšovalo jeho napětí.

Kontrola šířky pásma

Dostupná šířka pásma se s rostoucím uzavřeným ziskem snižuje. Lze ji odhadnout pomocí:

Při ziskovém pásmovém produktu přibližně 1 MHz a zisku 10:

Toto je jen odhad. Konečný návrh musí také zohlednit rychlost změny, toleranci rezistoru, vstupní offset, zátěžový proud, teplotu a kmitání výstupního napětí.

Praktické obvody aplikací LM2902N

Neinverzní zesilovač LM2902N

V prvním obvodu pracuje jeden kanál LM2902N jako neinverzní zesilovač. Signál 300 mV vstupuje do neinverzního vstupu, zatímco rezistory R0 a R1 tvoří síť záporné zpětné vazby. LM2902N porovnává napětí na svých dvou vstupech a automaticky upravuje výstup, dokud není zpětné napětí na inverzním vstupu téměř rovno vstupnímu signálu.

R0 vrací část výstupního napětí na inverzní vstup, zatímco R1 jej připojuje k zemi. Poměr jejich odporu kontroluje, jak moc je vstupní signál zesílen. S R0 na 100 kΩ a R1 na 10 kΩ má obvod zisk 11. Proto vstup 300 mV se stává přibližně 3,3 V na výstupu. Tento obvod funguje jako zesilovač signálu, aniž by obracel polaritu signálu.

Zesilovač míry LM2902N

Ve druhém obvodu tvoří tři kanály LM2902N instrumentační zesilovač. První dva kanály přijímají vstupní napětí V₁ a V₂. Poskytují vysoký vstupní impedance, což brání obvodu v kladení těžké zátěže na připojené senzory nebo signální zdroje. Rezistory R1 a R_g kontrolují zesílení této první fáze.

Třetí kanál funguje jako diferencovací zesilovač. Porovnává výstupy prvních dvou kanálů, odmítá napětí, které je společné pro oba signály, a zesiluje jejich rozdíl. Obvod produkuje výstup úměrný V₂-V₁. Tato funkce je užitečná, když je třeba oddělit malý diferenční signál od nežádoucího společného šumu. Přesné sladění rezistorů je nutné pro dobrou přesnost měření a odmítání šumu.

LM2902N vs Srovnatelné operační zesilovače

Operační zesilovač	Kanály	Napájecí rozsah	Typická šířka pásma	Typ vstupu	Hlavní rozdíl
LM2902N	4	3–26 V nebo ±1,5–±13 V	1 MHz	Bipolární	Čtyřnásobný zesilovač s teplotním rozsahem −40°C až +85°C
LM324N	4	3–32 V nebo ±1,5–±16 V	1 MHz	Bipolární	Podobné uspořádání pinů s širším napájecím rozsahem, ale užším hodnocením 0°C až +70°C
LM2902B	4	3–36 V nebo ±1,5–±18 V	1,2 MHz	Bipolární	Novější verze pro snadnou výměnu s vylepšeným offsetem, EMI filtrováním a teplotním výkonem
LM358N	2	3–32 V nebo ±1,5–±16 V	1 MHz	Bipolární	Poskytuje dva zesilovače místo čtyř
LM2904N	2	3–26 V nebo ±1,5–±13 V	1 MHz	Bipolární	Dvoutalentá verze s podobným teplotním rozsahem
TL074	4	Obvykle 7–36 V	3 MHz	JFET	Rychlejší, vyšší vstupní impedance, ale jeho vstupní rozsah nezahrnuje zem

Alternativy a náhrady

• LM2902B

• LM2902BA

• LM2902K

• LM2902KV

• LM2902KAV

• LM2902-Q1

• LM324N, atd.

Mechanické rozměry

Výrobce

Texas Instruments má rozsáhlé schopnosti v navrhování a výrobě analogových polovodičů, jako je LM2902N. Jeho výrobní proces zahrnuje výrobu waferů, testování waferů, montáž čipů, balení do 14pinového PDIP, elektrické testování a konečnou kontrolu kvality. TI provozuje interní zařízení pro výrobu waferů a montáž a testování, což zajišťuje větší kontrolu nad kvalitou výrobků, výrobní kapacitou a kontinuitou dodávek. Během výroby je každý zařízení testováno, aby se potvrdilo, že splňuje specifikované elektrické požadavky, včetně napěťového zesílení, šířky pásma, vstupního offsetového napětí, biasového proudu, napájecího proudu a teplotních limitů. TI také provádí kvalifikaci a průběžné sledování spolehlivosti a poskytuje informace o souladu s materiály pro LM2902N/NOPB, které je v souladu s RoHS a REACH a používá povrchovou úpravu NiPdAu.

PDF datový list

Datové listy LM2902N:

Často kladené otázky [FAQ]

1. Jak by měly být připojeny nepoužité kanály zesilovače LM2902N?

Každý nepoužitý kanál nakonfigurujte jako napěťový sledující obvod. Připojte jeho výstup k inverznímu vstupu a připojte neinvazivní vstup k zemi nebo jinému platnému referenčnímu napětí. Nenechávejte vstupy „lfloat“, protože by mohly shromažďovat šum a přepínat nepředvídatelně.

2. Může být LM2902N použit jako komparátor?

Může provádět pomalá, základní porovnání napětí, ale je navržena jako operační zesilovač. Obnova ze saturace může být pomalá a výstup není určen pro rychlé spínání. Vhodnější je specializovaný komparátor pro přesné nebo vysokorychlostní detekce.

3. Proč by měl být bypass kondenzátor umístěn blízko LM2902N?

0,1 µF keramický kondenzátor mezi napájecími piny pomáhá absorbovat vysokofrekvenční šum a náhlé změny proudu. Umístěte ho blízko pinů 4 a 11 s krátkými spojeními pro účinné odrušení.

4. Může LM2902N přímo řídit relé, motor nebo vysoce výkonnou LED?

Ne. Jeho výstup je určen pro malé zátěže signálu a nemůže bezpečně dodávat proud požadovaný většinou relé, motorů nebo výkonových LED. Použijte externí tranzistor nebo MOSFET s potřebnými ochrannými komponenty.

5. Co způsobuje zkreslení přechodu v AC zesilovači LM2902N?

Jeho výstupní stupeň může produkovat zkreslení blízko bodu, kde se mění proud z dodávajícího na uzemňující, zejména s AC spojenou zátěží. Vhodný rezistor z výstupu na zem může zvýšit bias proud a snížit tento efekt.

6. Jak ovlivňuje hodnota rezistoru přesnost obvodu LM2902N?

Velmi vysoké hodnoty rezistorů zvyšují chyby způsobené vstupním bias proudem, šumem a únikem. Velmi nízké hodnoty zvyšují zátěž výstupu a spotřebu energie. Hodnoty v rozmezí nízkých kilohmů po několik set kilohmů jsou běžné, v závislosti na obvodu.

7. Co je třeba zkontrolovat před výměnou LM2902N za jiný operační zesilovač?

Ověřte pinout, balení, rozsah napájení, rozsah společného režimu vstupu, výkyv výstupu, šířku pásma, offsetové napětí, výstupní proud, teplotní hodnocení a stabilitu kapacitní zátěže. Součástka kompatibilní s piny není automaticky elektricky bezpečná náhrada.