Операцио́нный усили́тель с то́ковой обра́тной свя́зью (ОУ с ТОС, ОУ ТОС), реже трансимпедансный усилитель — электронный усилитель с двумя входами, инвертирующий вход которого, обычно используемый для отрицательной обратной связи, имеет низкое входное сопротивление и управляется током, а не напряжением, как это принято в классических операционных усилителях (ОУ) с дифференциальным входом.
Основное преимущество ОУ ТОС перед классическими ОУ с отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению — высокое быстродействие, а именно: высокая скорость нарастания выходного напряжения (до 9 В/нс в серийных интегральных схемах), малое время установления и большая полоса пропускания. Частота среза серийного ОУ ТОС в схеме с ООС составляет от 100 МГц до 2 ГГц — она зависит только от величины сопротивления цепи ООС и встроенной корректирующей ёмкости и практически не зависит от заданного коэффициента усиления. ОУ ТОС обычно совпадает с его частотой среза для малого сигнала и превосходит аналогичный показатель классического ОУ. Нелинейные искажения ОУ ТОС на высоких частотах ниже, чем у классического ОУ.
Высокие показатели быстродействия достигаются асимметрией и схемотехнической простотой входного каскада и, как следствие, низкой точностью. ОУ ТОС применяются преимущественно для усиления и фильтрации сигналов в широкополосных устройствах на частотах выше 100 МГц: в радиолокации, видеотехнике, в системах кабельной и оптоволоконной связи и цифровой обработки высокочастотных сигналов. Популярность ОУ ТОС ограничивают некоторая сложность применения и недостаточная точность. Основные схемы включения ОУ ТОС топологически совпадают со схемами включения классического ОУ, реализация других типовых схем затруднена или вовсе невозможна. Возможно, что дальнейшее развитие схемотехники классических ОУ ещё более сузит область применения ОУ ТОС.
Принцип действия
В большинстве аналоговых электронных устройств носителем информации, или аналоговым сигналом, выступает электрическое напряжение, а основным структурным узлом обработки сигнала — электронный усилитель напряжения. Вплоть до середины 1990-х годов в аналоговой электронике доминировали операционные усилители, управляемые напряжением — универсальные усилители напряжения, способные реализовать практически все необходимые функции обработки аналогового сигнала.
Быстродействие любого усилителя напряжения ограничено временем перезарядки ёмкостей аналогового тракта — прежде всего, миллеровских ёмкостей транзисторов, и во вторую очередь, паразитных ёмкостей иных компонентов и проводников схемы. Быстродействие классического ОУ дополнительно ограничивает корректирующая ёмкость, намеренно встроенная в схему для обеспечения устойчивости на высоких частотах. Паразитные индуктивности проводников ограничивают скорость нарастания токов и также снижают быстродействие, но в реальных интегральных схемах (ИС) влияние индуктивностей намного меньше влияния ёмкостей. По этой причине усилители тока всегда опережают в быстродействии усилители напряжения, построенные на сопоставимой элементной базе. В идеальном усилителе тока перезарядка ёмкостей не происходит вообще, так как напряжения на элементах схемы остаются неизменными. Если же входными и выходными сигналами усилителя тока должны служить напряжения, то на входе и выходе размещаются согласующие двухтактные эмиттерные повторители, способные быстро заряжать и разряжать паразитные ёмкости.
Именно по такой схеме (входной повторитель напряжения → токовое зеркало → преобразователь тока в напряжение → выходной повторитель напряжения) строятся операционные усилители с токовой обратной связью. Будучи некоторым аналогом классических ОУ с обратной связью по напряжению, ОУ ТОС отличаются от них двумя особенностями архитектуры: Входным каскадом ОУ ТОС служит не дифференциальный усилитель, а повторитель напряжения, высокоомный вход которого является неинвертирующим входом ОУ ТОС, а низкоомный выход — инвертирующим входом ОУ ТОС. Таким образом, даже при разомкнутой цепи ООС напряжение на инвертирующем входе всегда повторяет напряжение на неинвертирующем входе. Сигналом ошибки служит не дифференциальное входное напряжение, а протекающий через инвертирующий вход ток . Усиление напряжения в ОУ ТОС реализовано не на каскаде с общим эмиттером, а на преобразователе тока инвертирующего входа в напряжение, который здесь фактически представляет собой усилительный каскад с общей базой. Выходное напряжение идеального ОУ ТОС определяется не дифференциальным входным напряжением, а исключительно током инвертирующего входа: , где — частотно-зависимый коэффициент преобразования входного тока в выходное напряжение (трансимпеданс).
В альтернативном представлении ОУ ТОС представляет собой неинвертирующий токовый конвейер второго поколения (CCII+), нагруженный на трансимпеданс и согласованный с внешней нагрузкой выходным повторителем напряжения. Трактовка ОУ ТОС в терминах теории токовых конвейеров бытует в академической среде, тогда как сами производители эти термины не используют. Трансимпеданс серийных ОУ ТОС велик настолько, что они, как и классические ОУ, применяются исключительно в схемах с глубокой ООС.
История разработки Современные токовые аналоговые ИС восходят к двум фундаментальным идеям: изобретённому в 1968—1970 годы и токовому конвейеру и предложенному в 1975 году Барри Гилбертом принципу транслинейности. Базовая схема ОУ ТОС, дополняющая токовый конвейер второго поколения транслинейным выходным повторителем, была разработана в начале 1980-х годов группой инженеров Hewlett-Packard во главе с Дэвидом Нельсоном. В 1983 году Нельсон подал патентную заявку на изобретение, занял у родственников 50 тысяч долларов и основал независимую компанию Comlinear. Первые выпущенные ею ОУ ТОС использовались в выходных каскадах измерительных генераторов Hewlett-Packard.
Вскоре усилители Нельсона, выгодно отличавшиеся от предшественников простотой интеграции в существующие схемы и широчайшей для своего времени полосой пропускания (от постоянного тока до сотен МГц), прочно вошли в арсенал конструкторов телевещательной и радиолокационной техники. Это были громоздкие, по современным меркам, гибридные сборки в металлических корпусах промышленного типа. Реализовать схему Нельсона в монолитной полупроводниковой ИС в те годы было невозможно — технологии начала 1980-х годов не позволяли формировать на кристалле высокочастотные pnp-транзисторы, а медленные боковые pnp-транзисторы, доступные разработчикам 1970-х и начала 1980-х годов, были совершенно непригодны для построения ОУ ТОС. Лишь в 1987 году компания Elantec вывела на рынок первый монолитный ОУ ТОС EL2020. В 1988 году за ней последовали монолитные ИС Comlinear CLC400, Analog Devices AD846 и AD811 — один из самых коммерчески успешных ОУ ТОС. Тогда же произошло разделение серийных ОУ ТОС на два неравных класса: со встроенной корректирующей ёмкостью (абсолютное большинство изделий) и с возможностью внешней коррекции (Z-выход) — AD844, OPA660 и их аналоги.
В начале XXI века массовая область применения ОУ ТОС — усилители широкополосного сигнала DSL и систем связи по ЛЭП, где выходным усилителем типичного DSL-модема служит сдвоенный ОУ ТОС. Все серийные ОУ ТОС начала XXI века изготовляются по дорогим, сложным в производстве биполярным техпроцессам кремний на изоляторе, которые позволяют формировать на кристалле быстрые pnp- и npn-транзисторы с хорошо согласованными параметрами. Неустранимый недостаток этих технологий — плохой отвод тепла от транзисторов — порождает заметные тепловые искажения сигнала на низких частотах, но в типичных применениях ОУ ТОС они не критичны. Существуют альтернативные токовые топологии на МОП-структурах, но ни одна из них не сумела потеснить в производстве биполярные ОУ ТОС.
Вопросы терминологии В литературе по электронике понятие «обратной связи по току» или «токовой обратной связи» () традиционно применялось и продолжает применяться к усилителям, сигнал ООС которых пропорционален току через нагрузку, а понятие «обратной связи по напряжению» — к усилителям, сигнал ООС которых пропорционален напряжению на нагрузке. Для обеих конфигураций цепи ООС сам усилитель, как правило, управляется напряжением. Первым исключением из этого правила стали прямые предшественники ОУ ТОС — ламповые «усилители с токовой обратной связью», в которых ток (а не напряжение) обратной связи подавался в низкоомную цепь катода входной лампы. Понятие усилителя с токовой обратной связью использовалось в этом, альтернативном, смысле уже в 1930-е годы, например в обзорной работе Фредерика Термана 1937 года, — сам же принцип был известен со времён работ Ли де Фореста и Эдвина Армстронга 1920-х годов. В англоязычной литературе 1970—1990-х годов понятие «усилителя с токовой обратной связью» применялось к интегральным токоразностным усилителям Нортона.
Усилители по схеме Нельсона поначалу именовались в англоязычной литературе «усилителями Comlinear» (), затем верх взял термин «усилители с токовой обратной связью» (, сокращённо CF amplifier, CFA, CFB). Ещё в 1990 году его заключали в кавычки, чтоб отличать от традиционного понятия (в русскоязычных статьях кавычки применяются и в XXI веке). Затем новая трактовка закрепилась в литературе, несмотря на нежелательную двусмысленность — с традиционной точки зрения ОУ ТОС охвачены обратной связью по напряжению. Альтернативный термин — трансимпедансный усилитель — используется реже и не вполне корректен. Трансимпедансный усилитель (источник напряжения, управляемый током) может быть реализован на ОУ любого типа, тогда как понятие ОУ ТОС подразумевает, в том числе, особую схемотехнику входного каскада, принципиально отличную от схемотехники классических ОУ.
На рынке существуют микросхемы, совмещающие свойства и «чистых» ОУ ТОС, и классических ОУ. Быстродействующие ИС, в которых между инвертирующим входом и ядром, выполненным по схеме ОУ ТОС, встроен дополнительный буферный каскад (LM7171 и аналоги) позиционируются производителями не как ОУ ТОС, а как ОУ с обратной связью по напряжению. Микромощные ИС с особо низким выходным сопротивлением, в которых входной повторитель ОУ ТОС охвачен глубокой обратной связью по напряжению (линейка «CFB plus» Burr-Brown и Texas Instruments), позиционируются как подкласс ОУ ТОС. Немногочисленный подкласс ОУ ТОС с возможностью внешней коррекции (Burr-Brown OPA660, Analog Devices AD846 и другие) особого названия не получил, в научной литературе они обычно рассматриваются не как ОУ, а как токовые конвейеры.
В документации Burr-Brown 1990-х годов входной токовый конвейер OPA660 получил название diamond transistor (в русском переводе «бриллиантовый транзистор»), а выходной повторитель — diamond buffer («бриллиантовый» буфер). Смысл первого из этих названий был в том, что токовый конвейер второго поколения рассматривался как идеальный трёхвыводной усилитель тока, своего рода «транзистор» (его «эмиттером» служил выход повторителя, а «коллектором» — выход токовых зеркал). Предложенные термины не прижились, но словосочетание diamond transistor («бриллиантовый транзистор») иногда применяется для обозначения двухтактного эмиттерного повторителя. В отечественной практике конструкторов усилителей мощности звуковых частот похожая базовая схема получила в 1980-х годах название «параллельный» усилитель.
Схемотехника