Наконец давно обещанная критика ложного мнения уважаемого
mErLin'a. Сначала "за здравие".
В героические для аналоговой электроники времена операционные усилители были предназначены, прежде всего, для выполнения определённых элементарных математических операций - сложения-вычитания, умножения-деления, интегрирования-дифференцирования и т.п. ... Отсюда и название. Первоначально это были просто унифицированные сборки размером с кирпич, от которых есть пошли современные микросхемы-"операционники". При выполнении операций над "вещественными" переменными в аналоговой технике важно было обеспечить жёсткий ноль и строгий баланс между положительной и отрицательной областью. Чтобы ноль не плавал, его надо было сделать, действительно, нулём, а не 0.5Vmax.вх.
С этим я совершенно согласен. Более того, я все это проходил на своей шкуре. В начале 70х мне пришлось даже заниматься моделированием динамики каких-то каналов СУ ракеты на аналоговой ЭВМ образца примерно 60г (лабораторные работы на военной кафедре) и даже удалось слазить внутрь операционного усилителя (ОУ) из этой ЭВМ (НЯП, он был сделан на первых советстких кремниевых транзисторах П101 или вроде того). А с начала 80х и по н.в. одно из основных моих занятий (как разработчика, а не руководителя) - это разработка аналоговых и аналого-цифровых схем (до АЦП включительно) для прецизионной обработки и регистрации аналоговых сигналов с широким динамическим диапазоном (строб-интеграторы импульсов, синхронные детекторы периодических сигналов, уникальные интегрирующие АЦП и т.п.).
До середины 90х я применял отечественные ОУ, компараторы и аналоговые ключи и по причинам, указанным в цитате, применял биполярное питание (обычно +/15В). Но с тех пор ситуация сильно изменилась, так что дальше - "за упокой".
... в сфере усиления сигналов однополярное питание (т.е. 0..+N вольт) вообще считается некошерным.
До середины 70х биполярное питание ОУ было неизбежным, и наиболее "гибкие" ОУ ведущих фирм имели рабочий диапазон напряжения питания от +/-5В до +/-15В. Но с тех пор в мире (за исключением СССР и РФ
) появилось несколько важных новаций во внутренней схемотехнике аналоговых ИС, которые радикально повлияли на их применение и, в частности, на рациональный выбор питания аналоговых схем.
1. Уже в начале 70х (?) появился новый класс ОУ и компараторов - т.н. "Single Supply" (далее - SS), специально для схем с однополярным питанием. ОУ класса SS нормально работают при потенциале входов даже немного ниже минуса питания ("заброс" обычно порядка 0,3 В) и обеспечивают размах выходного напряжения почти до минуса питания (остаточное напряжение - порядка 0,1 В). Одно только это уже позволяет применять однополярное питание в несложных аналоговых схемах.
Классический пример - серия сдвоенных и счетверенных "микромощных" ОУ и компараторов, выпущенная фирмой National Semiconductor в начале 70х и популярная даже сейчас (современная модификация этой серии, категории Industrial, - это ИС типов LM2901...LM2904). Рабочий диапазон напряжения питания этой серии - однополярное от +3В до +36В или биполярное до +/-18В.
Разумеется, однополярное питание усложняет разработку схемы: обычно приходится организовывать "искусственный ноль", потенциал которого умеренно сдвинут в "+", и цепи "перепривязки" сигнала к разным уровням нуля в разных местах схемы. Но в целом несложное аналоговое устройство вместе с однополярным источником питания обычно оказывается проще и компактнее, чем его аналог с биполярным питанием.
2. В середине 80х (?) появился и в течение 90х стал обширным очередной новый класс ОУ - т.н. "Rail-to-Rail" (далее - RR). ОУ класса RR нормально работают в диапазоне потенциала входов, немного выходящем за пределы потенциалов питания ("рельсов") в обе стороны (обычно примерно 0,3В на сторону) и обеспечивают размах выходного напряжения практически в пределах питания. ОУ класса RR позволили делать с однополярным питанием схемы средней точности (точность нуля порядка 0,1% от полной шкалы напряжения и точность масштабирования порядка 1% ).
Появление ОУ класса RR также позволило снизить напряжение питания и сделало стандартными биполярное напряжение +/-5 В и однополярное +5 В. В свою очередь, снижение напряжения питания способствовало значительному повышению быстродействия ОУ, а также появлению нового подкласса ОУ - низковольтных КМОП ОУ (в т.ч., класса RR), с диапазоном напряжения питания от +2,4...2,7В до +5В. Одно из достоинств КМОП ОУ в классе RR - мизерное остаточное напряжение выхода: единицы мВ при достаточно высокоомной нагрузке.
3. С начала 90х (?) значительная часть ИС АЦП стала снабжаться дифференциальным входом, а также появился целый класс т.н. дифференциальных усилителей (ДУ). ДУ - это ИС, содержащая комбинацию нескольких ОУ (обычно 3), которая в целом ведет себя как один ОУ, но имеющий 2 выхода: обычный и инверсный. АЦП с диф входом и/или ДУ позволяют сравнительно легко делать с однополярным питанием даже прецизионные схемы.
Есть и ряд менее важных оснований для широкого применения однополярного питания. Все это вместе произвело революцию в аналоговых схемах, и уже 15...20 лет продвинутые разработчики применяют биполярное питание только в особо тяжелых случаях.
Я человек довольно консервативный и склонный к перестраховке, но тем не менее я в своих делах с начала века применяю биполярное питание (+/-5В) только в следующих случаях.
1) Особо сложные схемы, содержащие десятки ОУ и т.п. (редко, но бывает) - проще сделать биполярное питание, чем по всей схеме тащить цепи сдвига уровня нуля.
2) Ультрамалошумящие фотоприемные устройства (там я применяю встроенный микромощный инвертор полярности питания).
3) Если сигнал принципиально должен быть биполярным (например, для управления специфическим силовым узлом)
А во всех остальных случаях - питание аналоговой части напряжением +5В (как правило, это отдельный канал питания, раздельно от питания логики).
К сожалению, все это относится только к импортным ИС. Отставание по аналоговым ИС и в СССР было значительно сильнее, чем по цифровым (по цифровым оно было очень умеренным - обычно 2-3 года). А сейчас отставание РФ по аналоговым ИС стало катастрофическим.
Есть, конечно, и униполярные микросхемы. Но их область применения специфична, либо внутри имеется свой преобразователь питающего напряжения, а внутренняя структура - симметрична.
А вот это вообще "выше моего разумения" ((С) - так когда-то вежливо ответил академик Мигдал на вопрос о его отношении к какому-то мракобесию)
. Конкретные претензии следующие.
1) Термин "униполярные" до сих пор применяли только к полевым транзисторам (в противоположность "обычным" биполярным), а питание по-русски называется однополярным.
2) Насчет специфичности применения я уже написал.
3) Преобразователей напряжения внутри ИС ОУ, НЯЗ, никогда не было. Есть много специальных ИС преобразователей напряжения (с внешними индукторами и конденсаторами), но это совсем другая история. И есть много типов ИС ультрапрецизионных ОУ со структурой "модулятор-демодулятор" (МДМ), но это не имеет никакого отношения к питанию ИС.
4) Почти симметричная внутренняя структура, НЯЗ (а я при всякой возможности лезу во внутреннюю структуру ИС - это дает много полезной информации для эффективного применения этих ИС, а иногда даже подсказки для моих дел) бывает только в ОУ класса RR, которые как раз созданы, прежде всего, для систем с однополярным питанием.
Dixi