Топология усилителя Нортона выражает суть аналоговой техники благодаря использованию продуманных схемотехнических решений, обеспечивающих высокие характеристики при минимальном количестве компонентов. Она является отражением непреходящей аналоговой философии, которая и сегодня продолжает вдохновлять инженеров и любителей. Реализованный в ней подход показывает, почему аналоговые схемы остаются мощными и актуальными даже в нашу цифровую эпоху.
В электронике усилитель Нортона, также известный как дифференциальный усилитель тока, представляет собой специализированную аналоговую схему, функционирующую как источник напряжения, управляемый током. Его выходное напряжение прямо пропорционально разности между двумя входными токами, что делает его идеальным для приложений, требующих точной обработки токовых сигналов.
Концептуально он является аналогом транскондуктивного операционного усилителя, предоставляя дополнительные возможности аналогового проектирования и расширяя набор инструментов для инженеров, работающих с системами, управляемыми током.
Таким образом, в то время как большинство обсуждений усилителей вращается вокруг операционных усилителей и обратной связи по напряжению, усилитель Нортона предлагает более тонкую токовую альтернативу, элегантную в своей простоте и мощную в своем отходе от нормы. Давайте пойдем дальше.
Аналоговая элегантность усилителя Нортона
Как показано на эквивалентной схеме микросхемы LM2900 на Рисунке 1, внутренняя архитектура на удивление проста. Наиболее заметное отличие от традиционного операционного усилителя, обычно основанного на дифференциальной паре, усиливающей напряжение, заключается во входном каскаде. Вместо привычной двухтактной схемы с общим катодным сопротивлением в этом усилителе Нортона используется токовое зеркало, за которым следует усилитель с общим эмиттером.
 |
|
| Рисунок 1. | Эквивалентная схема демонстрирует минималистскую внутреннюю структуру микросхемы усилителя Нортона LM2900. |
Эти устройства существуют уже несколько десятилетий и, очевидно, продолжают интриговать любителей аналоговой техники. Недавно я приобрел партию микросхем LM3900-HLF у интернет-продавца (Рисунок 2). Судя по всему, LM3900-HLF является китайским вариантом классического LM3900 – счетверенного операционного усилителя Нортона, известного своим дифференциальным токовым входом и довольно нетрадиционной топологией. Эти недорогие счетверенные усилители в настоящее время широко используются в аналоговых системах, особенно в среднечастотных системах с однополярным питанием.
 |
|
| Рисунок 2. | Расположение выводов LM3900-HLF обеспечивают простоту использования в практических схемах. |
На мой взгляд, серии LM2900 и LM3900 – это больше, чем просто реликвии; они напоминают о тех временах, когда в аналоговом проектировании изобретательность преобладала над конформизмом. Их дифференциальная токовая архитектура, когда-то бывшая скромной альтернативой ортодоксальным усилителям напряжения, по-прежнему актуальна в сигнальных цепях промышленного оборудования, где важны подавление помех, однополярное питание и низкоомные интерфейсы.
Эти микросхемы не станут флагманами новых разработок, но принципы, которые они воплощают – надежность, элегантность и неброская эффективность, – продолжают определять очертания сенсорных интерфейсов, приводов двигателей и телеметрических систем. Микросхемы, возможно, и устарели, но сама технология продолжает существовать, тихо работая под поверхностью современной инфраструктуры.
Усилитель Нортона LM359, хотя и не так широко романтизированный, как LM3900, остается достаточно мощным выбором для любителей аналоговой техники, которые ценят скорость и элегантность. Специально разработанный для обработки видео и быстрых аналоговых сигналов, он обладает серьезной полосой пропускания и высокой скоростью нарастания. Этот сдвоенный быстродействующий усилитель Нортона обрабатывает широкополосные сигналы со скоростью нарастания до 60 В/мкс, а его произведение усиления на полосу пропускания достигает 400 МГц, что явно превосходит его старших собратьев.
В промышленности и приборостроении дифференциальный токовый входной каскад LM359 до сих пор пользуется уважением за низкое входное смещение, быстрое установление и грациозную работу с емкостной нагрузкой. Его наследие продолжает жить в системах распределения видеосигналов, усилителях импульсов и высокоскоростных аналоговых компараторах, особенно в конструкциях, где скорость и стабильность важнее размаха rail-to-rail.
Завершение с легким ароматом флюса
На данный момент нам больше нечего рассказать об усилителях Нортона, поэтому здесь мы завершим эту немного необычную публикацию. В качестве прощального подарка предлагаю практичную схему на базе LM3900 – как раз того, что нужно тем, кто находит удовольствие в запахе дыма от пайки (Рисунок 3).
 |
|
| Рисунок 3. | Вдохните жизнь в эту схему генератора треугольных/ прямоугольных импульсов на базе LM3900 и оцените ее сдержанную элегантность в стиле Нортона. |
Треугольные импульсы обычно формируются интегратором, на вход которого попеременно подается положительное и отрицательное постоянное напряжение. Усилитель Нортона LM3900 обеспечивает реализацию этой функции в системах с однополярным питанием благодаря наличию токового зеркала на его неинвертирующем входе. Эта функция позволяет генерировать треугольные импульсы без необходимости использования отрицательного входного напряжения.
На приведенной выше схеме усилитель IC1D работает как интегратор. Вначале он работает с током, идущим через резистор R1, формируя отрицательный наклон выходного напряжения. Когда выход усилителя IC1C (триггера Шмитта) переключается на высокий уровень, ток через резистор R5 вызывает рост выходного напряжения.
Для оптимальной симметрии импульсов сопротивление резистора R1 должно быть вдвое больше R5 (здесь R1 = 1 МОм, а R5 = 470 кОм, что достаточно близко). Обратите внимание на схему триггера Шмитта, которая дополнительно обеспечивает прямоугольные выходные импульсы той же частоты.
Почувствовали вдохновение? Запустите свой макет, протестируйте схему или поделитесь своими идеями. Независимо от того, являетесь ли вы опытным мастером или только открываете для себя радость аналоговых технологий, пусть это станет для вас стимулом к дальнейшим исследованиям.
Купить LM2900 на РадиоЛоцман.Цены
