94

Wzmacniacze operacyjne

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

Znana z produkcji precyzyjnych, ale

i kosztownych układów scalonych fir−
ma BurrBrown ma w swej ofercie ele−
ment, nazywany “diamentowym tran−
zystorem” (diamond transistor).

Skąd ta nazwa? Czy jest to zwia−

stun nowej epoki? Czyżby miałby to
być nowy element, mający zastąpić
klasyczne tranzystory bipolarne? Do
czego można go wykorzystać? Czy
Czytelnicy EdW powinni zakupić i wy−
próbować taki element?

Symbol “diamentowego tranzysto−
ra” pokazany jest na rysunku 1.
Dwie strzałki w obwodzie emitera
wskazują, że prąd emitera może
płynąć w obu kierunkach. A jeśli
prąd emitera, to zapewne także
prąd bazy... Intuicja podpowiada,
że taki element mo−
że pracować za−
równo w roli tran−
zystora NPN wg
rysunku 2a, jak
i PNP według ry−
sunku 2b.

W zasadzie jest

to prawda, jednak
nie warto wyrzucać na śmietnik posiadanych
tranzystorów bipolarnych. Sprawa nie jest
wcale taka prosta, jak sugeruje schemat no−
wego elementu. Diamentowe tranzystory nie
zdominują rynku z kilku powodów. Aby do−
brze zrozumieć ich działanie, a także możli−
wości i ograniczenia, należy przypomnieć
właściwości zwykłych tranzystorów bipolar−
nych. Przyda się też wyobrażenie elementów
elektronicznych jako czarnych skrzynek, wy−
kazujących właściwości określone prostymi
wzorami. Wbrew pozorom nie jest to wcale

trudne, a wnioski okażą się rewelacyjne i za−
skakujące. Zaczynajmy więc! I nie denerwuj
się, że tak szeroko omawiamy różne czarne
skrzynki. Nie pomiń tych rozważań, bo
później okażą się bardzo potrzebne.

Jak wiadomo,

tranzystor bipolar−
ny zaczyna się
otwierać, gdy na−
pięcie baza−emiter
ma

wartość

0,5V...0,7V. W tym
zakresie

napięć

bardzo małe zmiany napięcia U

BE

wywołują

duże zmiany prądu kolektora. Tranzystor
można więc nazwać konwerterem (zmian) na−
pięcia U

BE

na prąd I

C

– ilustruje to rysunek 3.

Można też określić “współczynnik przetwa−
rzania” napięcia na prąd będący stosunkiem
zmian prądu Ic do zmian napięcia U

BE

.

Współczynnik taki nazywamy transkonduk−
tancją. Wszystko wskazuje, że czym większy
ten “współczynnik przetwarzania”, tym lepiej.
Gdy maleńkie zmiany napięcia wejściowego
tranzystora wywołają duże zmiany prądu wyj−
ściowego, wtedy nie trzeba się będzie na przy−
kład obawiać zniekształceń nieliniowych.

Czarna skrzynka z rysunku 3 nie repre−

zentuje jednak tranzystora, choćby z tego
względu, że ma tylko dwie końcówki. Prze−
cież napięcie zawsze mierzy się między dwo−
ma punktami. Dla końcówki bazy potrzebny
jest jakiś punkt odniesienia. W tranzystorze
jest to wyprowadzenie emitera.

Narysowanie tego punktu odniesienia jak

na rysunku 4 jest w zasadzie słuszne, ale
może wprowadzić w błąd. Sugeruje bowiem,
że istotne jest tu jedynie napiecie U

BE

. Tym−

czasem emiter to nie tylko wejściowa koń−
cówka odniesienia. Jest to jednocześnie koń−
cówka wyjściowa – przecież przez końcówkę

emitera

płynie

prąd, praktycznie
taki sam, jak prąd
kolektora (pomija−
jąc prąd bazy). Po−
nieważ emiter jest
w sumie i wejściem, i wyjściem, niewłaści−
we skojarzenia może też wywołać przedsta−
wienie go w postaci czarnej skrzynki z ry−
sunku 5a. Może należałoby narysować go
inaczej, tak jak na rysunku 5b?

Najlepiej jednak narysować go w jednej

z postaci z rysunku 6, zaznaczyć przepływ prą−
du i opisać jego właściwości za pomocą bardzo
prostych wzorów (pomijamy mały prąd bazy).
Przeanalizuj zależności podane na rysunku 6
i przekonaj się, iż rzeczywiście opisują one
tranzystor (idealny lub zbliżony do ideału).

Zwróć uwagę zwłaszcza na rysunek 6b.

Czy widzisz, że w istocie jest to źródło prą−
dowe sterowane napięciem? Mamy tu naj−
prawdziwszy konwerter napięcie−prąd, tyl−
ko trochę dziwny, bo w jednej z końcówek

Idealny tranzystor

czyli...

znów o wzmacniaczach operacyjnych

Idealny tranzystor

czyli...

znów o wzmacniaczach operacyjnych

Rys. 1

Rys. 2

Rys. 3

Rys. 4

Rys. 5

Rys. 6

część 1

wejściowych płynie prąd równy prądowi
wyjściowemu. Dalsze rozważania będą ła−
twiejsze, jeśli intuicyjnie przedstawisz sobie
działanie tranzystora właśnie w ten sposób.

Ponieważ napięcie na emiterze podąża za

napięciem bazy, można to sobie wyobrazić,
że między bazą a emiterem umieszczony jest
swego rodzaju bufor. Z kolei prąd emitera
jest praktycznie równy prądowi kolektora.
Dlatego w literaturze spotyka się także sche−
mat zastępczy czy też model mniej więcej ta−
ki jak na rysunku 7. Początkującym może to
wydać się dziwne, dlatego pozostańmy przy
czarnej skrzynce z rysunku 6b.

Pierwsza niespodzianka

A teraz powróćmy na chwilę do rysunku 4. Wy−
obraźmy sobie element albo lepiej układ, który
ma dwa równorzędne wejścia, przez które
praktycznie nie płynie prąd i w którym prąd
wyjściowy zależy od różnicy napięć miedzy tymi
wejściami. Układ taki i opisujące go wzory
można znaleźć na rysunku 8. Teraz powinieneś
zauważyć i dobrze zrozumieć różnicę między
czarnymi skrzynkami z rysunków 6b i 8. Wzo−
ry różnią się w jednym szczególe – wartością
prądu I

E

. W mode−

lu reprezentują−
cym

tranzystor

(rys. 6) prąd I

E

=

I

C

. W modelu z ry−

sunku 8 I

E

= 0 prąd

nie płynie, czyli
wejście E ma bardzo dużą rezystancję.

Czy model z rysunku 8 nie przypomina

trochę wzmacniacza operacyjnego?

Rzeczywiście przypomina, ale nie jest to

klasyczny wzmacniacz operacyjny, bo sto−
pień wyjściowy jest źródłem prądowym. Te−
raz uwaga! Jest to wzmacniacz transkon−
duktancyjny (transconductance ampli−
fier), albo inaczej transkonduktancyjny
wzmacniacz operacyjny (operational
transconductance amplifier, w skrócie
OTA), w którym prąd wyjściowy zależy od
różnicy napięć wyjściowych. Schemat za−
stępczy takiego wzmacniacza pokazany jest
na rysunku 9. Wzmacniacze takie są produ−
kowane jako układy scalone, przykładem są

opracowania oznaczone
LM13600 i

ulepszony

LM5517, mające zresztą
dodatkowe funkcje. Upro−
szczony blokowy schemat
kostek

LM13600

i NE5517 po−
kazany jest na
rysunku 10.
G e n e r a l n i e
układy

te

d z i a ł a n i e m
przypominają
w z m a c n i a c z
o p e r a c y j n y,
ale mają do−
datkowe ob−
wody, dodat−
kowe

koń−

cówki i dodat−
kowe funkcje.
Objaśnienie ich roli wykracza poza ramy te−
go artykułu. Dokładniejszy opis wymienio−
nych kostek może się ukazać w EdW, o ile

Czytelnicy upomną się o to w ramach mi−
niankiety.

W poszukiwaniu ideału
− druga niespodzianka

I oto poszukując idealnego tranzystora na−
tknęliśmy się na transkonduktancyjny
wzmacniacz operacyjny, skądinąd bardzo po−
żyteczny, stosowany kiedyś dość często
w układach elektronicznej regulacji sygna−
łów audio, dziś już mniej popularny.

Choć z pewnością nie jest to nasz wyma−

rzony cudowny tranzystor, jesteśmy już od
niego o jeden drobny kroczek.

Teraz już wiemy, iż wzmacniacz trans−

konduktancyjny (rysunki 8, 9) różni się od
poszukiwanego idealnego tranzystora jed−
nym drobnym, ale niepokojącym szczegółem
− prądem wyprowadzenia E. W przypadku
zwykłego tranzystora sprawa jest bardzo ła−
twa do intuicyjnego pojęcia – rozpływ prą−
dów, pokazany na rysunku 2, jest oczywisty.
Tak, ale w obwodzie wyjściowym (kolekto−
rze) prąd może płynąć tylko w jednym kie−
runku, a w poszukiwanym idealnym tranzy−
storze powinien płynąć w obu kierunkach.
Jak to możliwe?

I oto nadeszła pora, by uchylić rąbka taje−

mnicy. Już po pobieżnym przejrzeniu infor−

macji technicznych okazuje się, że “diamen−
towy tranzystor” o symbolu z rysunku
11a to nie pojedynczy element, lecz... układ
scalony, zawierający przynajmniej kilka tran−
zystorów bipolarnych. Pokazuje to rysunek
11b. Ściślej biorąc, “diamentowy tranzystor”
jest zaznaczoną różowym kolorem częścią
układu scalonego OPA660, układu wcale nie
nowego, produkowanego od dobrych kilku
lat. (Na marginesie dodam, że oznaczenie
OPA nie ma nic wspólnego z wcześniejszym
OTA. OPA to firmowe oznaczenie wielu
układów opracowanych przez BurrBrown.)

Wygląda jednak na to, że jest to kolejna

odmiana wzmacniacza operacyjnego, a nie
żaden tranzystor. Oczywiście nie ma tu mo−
wy o otwieraniu przy napięciu 0,5V...0,7V.
Działanie w uproszczeniu jest następujące:

− przy zerowym napięciu miedzy końców−

kami B−E prąd “kolektora”, czyli końcówki
C, jest równy zeru;

− przy pojawieniu się dodatniego napięcia

na bazie, prąd “kolektora’ jest, powiedzmy,
dodatni;

− przy pojawieniu się na bazie napięcia ujem−

nego, prąd wyjściowy jest, powiedzmy, ujemny.

Ponieważ “współczynnik przetwarzania”

napięcia na prąd, ściślej transkonduktancja
ma dużą wartość, do dużych zmian prądu
wyjściowego wystarczą bardzo małe zmiany
napięcia, rzędu miliwoltów.

I to jest działanie “zwykłego” wzmacnia−

cza transkonduktancyjnego. Jednak układ
z rysunku 11 rzeczywiście przypomina tro−
chę tranzystor, bo trzecia końcówka jest jed−
nocześnie i wejściem, i wyjściem. Prąd “emi−
tera” zawsze ma (a przynajmniej powinien
mieć) wartość równą prądowi “kolektora”.

Wydaje Ci się to dziwne? Nie przejmuj się

zbytnio. Działanie tego dziwoląga przeanali−
zujemy za miesiąc i zapewne znów będziesz
zaskoczony. Wcześniejsze rozważania doty−
czące czarnych skrzynek, zwykłego tranzy−
stora i wzmacniacza transkonduktancyjnego
okażą się konieczne, by w pełni zrozumieć
działanie naszego głównego bohatera.
A więc do zobaczenia za miesiąc!

Piotr Górecki

95

Wzmacniacze operacyjne

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

Rys. 7

Rys. 10

Rys. 11

Rys. 8

Rys. 9