Podzespoły
Odcinek 7
Odcinek 7
W tym i najbliższych odcinkach omówione będą kolejne parametry wzmacniaczy operacyjnych ważne dla praktyka. Do
zrozumienia podanych dalej informacji konieczne są podstawowe wiadomości o działaniu wzmacniaczy operacyjnych,
podane we wspomnianych artykułach z EdW 10/99...2/2000.
Wejściowy prąd za pomocą doboru R2, R3 według rysunków sięcy razy. Do zmiany napięcia wyjściowego
4 i 5 nie da dobrych rezultatów. Ze względu na przykład o 10V wystarczy zmiana napięć
niezrównoważenia
na nieprzewidywalne różnice prądów wej- wejściowych o ułamek miliwolta.
Podczas analizy rysunków 4 i 5 założyliśmy, ściowych dla każdego egzemplarza należało- W idealnym przypadku sytuacja wygląda-
że prądy polaryzujące obu wejść wzmacniacza by żmudnie dobierać inne wartości R2, R3, łaby jak czerwona linia na rysunku 9 (zauważ,
operacyjnego są równe. Założenie to nie jest co jest nierealne w praktyce. że oś pionowa ma skalę w woltach, pozioma
prawdziwe. Prądy te zazwyczaj nie są idealnie w miliwoltach). Niestety, w praktyce charakte-
równe, choćby dlatego, że tranzystory wej- Napięcie rystyka prawie zawsze przebiega inaczej. Przy-
ściowe nie są identyczne. Rysunek 7 pokazu- niezrównoważenia kładowo dla jakiegoś konkretnego egzempla-
je przykład. W katalogach podaje się wartość Rzeczywiste wzmacniacze operacyjne mają rza wzmacniacza operacyjnego będzie wyglą-
wejściowego prądu niezrównoważenia, czy- na wejściu pary tranzystorów bipolarnych al- dać jak zielona linia na rysunku 9, a dla inne-
li właśnie różnicy prądów obu wyjść. bo polowych. Podobnie jak prądy polaryzu- go egzemplarza jak linia niebieska. Aby napię-
Przykładowo, dla jące obu wejść nie są identyczne, tak samo cie wyjściowe egzemplarza o  zielonej cha-
kostki �A741 wej- inne parametry tych tranzystorów nie są do- rakterystyce było równe zeru, napięcie na wej-
ściowy prąd niezrów- kładnie jednakowe. ściu nieodwracającym musi być wyższe od na-
noważenia wynosi ty- Co z tego? pięcia na wejściu odwracającym o 8mV.
powo 20nA, maksy- Zapomnijmy teraz na chwilę o prądach po- We wzmacniaczu idealnym (charaktery-
malnie 200nA, a dla laryzacji wejść. Teoretycznie w układzie z ry- styka czerwona) przy zerowej różnicy napięć
układu TL082 typowo Rys. 7 sunku 8a przy zwarciu obu wejść do masy wejściowych na wyjściu napięcie jest równe
5pA, maksymalnie (lub innego napięcia), napięcie na wyjściu po- zeru. Niestety w rzeczywistych wzmacnia-
200pA, a dla LM358 (LM324) typowo 3nA, winno być równe zeru. Najczęściej tak jednak czach do uzyskania na wyjściu napięcia
maksymalnie 50nA. nie jest. Przy zwarciu wejść do masy, na wyj- równego zeru, na wejście trzeba podać ja-
Co z tego? ściu występuje albo dodatnie, albo ujemne kieś niewielkie napięcie. Przy zerowej różni-
Często nie ma to żadnego znaczenia, napięcie nasycenia. Żeby napięcie wyjściowe cy napięć wejściowych w ogromnej większo-
zwłaszcza gdy prądy polaryzujące są rzędu było równe zeru, napięcia na obu wejściach ści rzeczywistych wzmacniaczy wyjście bę-
pikoamperów albo gdy współpracujące rezy- zwykle muszą się nieco różnić. Ilustruje to dzie w stanie nasycenia - napięcie wyjściowe
stancje są rzędu pojedynczych kiloomów. rysunek 8b 8c pokazujący, że aby uzyskać na będzie bliskie albo dodatniemu, albo ujemne-
Fakt, że prądy wejściowe nie są idealnie wyjściu napięcie równe zeru, na wejście trze- mu napięciu zasilającemu.
równe trzeba uwzględniać tylko w przypadku ba podać jakieś niewielkie napięcie. Oczywi- Może nadal nie czujesz do końca, na
układów precyzyjnych, gdy stosujemy rezy- ście dla poszczególnych egzemplarzy wartość czym tak naprawdę polega problem. W czym
story o dużych wartościach. Aby wyelimino- i biegunowość tego napięcia jest różna. przeszkadza te kilka miliwoltów różnicy?
wać problem, w razie potrzeby należy wyko- Wzmacniacz nigdy nie pracuje w sposób
rzystywać wzmacniacze o małych prądach pokazany na rysunku 8, niemniej zasygnali- Rys. 9
wejściowych lub stosować małe wartości re- zowany problem daje o sobie znać w prak-
zystorów zewnętrznych. tycznych układach pracy. Czasem wzmac-
Warto zwrócić uwagę, że we wzmacnia- niacz operacyjny pracuje w roli komparatora.
czu ze znacznymi prądami polaryzacji Jak wiesz, wzmacniacz ma bardzo duże
i znacznym prądem niezrównoważenia pro- wzmocnienie (stałoprądowe), rzędu setek ty-
sta zasada kompensacji prądów wejściowych
Rys. 8
Elektronika dla Wszystkich
65
Podzespoły
Zwróć uwagę, że wzmacniacz o zielonej
charakterystyce pracuje liniowo tylko wtedy,
gdy różnica napięć na jego wejściach jest bli-
ska 8mV. Już przy 7mV czy 9mV różnicy
wyjście wejdzie w stan nasycenia.
Wynika z tego ważna konsekwencja. Na
przykład w układzie wtórnika napięcie wyj-
ściowe będzie różnić się od wejściowego o tę
niewielką wartość, charakterystyczną dla
danego egzemplarza wzmacniacza. Na ry-
sunku 10 zaznaczyłem napięcia dla trzech
egzemplarzy o charakterystykach z rysunku
9. Czy rozumiesz, dlaczego tak jest?
Napięcie niezrównoważenia to kolejna skrótem Uos lub Vos. Dla popularnych Rys. 11
 wada wrodzona danego egzemplarza. wzmacniaczy napięcie niezrównoważenia
Wynika ona zasadniczo z różnic parametrów może sięgać  20mV...+20mV. Według kata- nów się, jakie będzie napięcie wyjściowe, gdy
dwóch tranzystorów wejściowych  głównie logu dla LM358(LM324) typowo wynosi rezystory będą mieć jednakową wartość.
różnic napięć U w tranzystorach bipolar- ą2mV, maksymalnie ą5mV, dla TL082 typ.
BE
nych i napięć U w tranzystorach polowych. ą5mV, max ą15mV, dla 741 typ. ą2mV, max Podczas normalnej pracy wzmacniacza
GS
Właśnie dlatego mówimy o wejściowym na- ą6mV. operacyjnego między jego wejściami wy-
pięciu niezrównoważenia. Może sobie pomyślisz, że jeden czy nawet stępuje wejściowe napięcie niezrównowa-
Skoncentruj się - doszliśmy do bardzo kilka miliwoltów różnicy napięć na wejściach żenia, wynoszące do kilku miliwoltów.
ważnych informacji. Dotychczas zakładali- ma znaczenie tylko w jakichś bardzo precy- Jednocześnie zmiany napięcia są zni-
śmy, że podczas normalnej pracy napięcia na zyjnych zastosowaniach. Przeanalizuj kilka kome, rzędu ułamka miliwolta, ponieważ
obu wejściach wzmacniacza operacyjnego są dalszych przykładów. Dla uproszczenia zakła- wzmocnienie wzmacniacza jest duże, rzę-
dokładnie takie same, czyli różnica napięć damy tym razem, że prądy wejściowe są po- du dziesiątek i setek tysięcy.
między obydwoma wejściami wzmacniacza mijalnie małe, a napięcie wejściowe jest do-
jest równa zeru. Założenie to wynika z faktu, kładnie równe zeru. Rysunek 11a pokazuje Zauważ, że napięcie niezrównoważenia
że wzmacniacz operacyjny ma bardzo duże wartości napięć we wzmacniaczu idealnym  powoduje powstanie błędu przesunięcia,
wzmocnienie i do zmiany napięcia na wyj- tu wszystko jest jasne. Rysunki 11b i 11c po- a nie błędu wzmocnienia. Wzmocnienie sy-
ściu nawet o kilka woltów wystarczy różnica kazują wartości napięć dla wzmacniaczy gnału użytecznego nadal jest określone przez
napięć wejściowych o wartości mikrowol- o charakterystykach z rysunku 9. Wzmocnie- rezystory pętli sprzężenia zwrotnego i we
tów, co śmiało można zaniedbać. I to w zasa- nie wyznaczone przez rezystory wynosi 100. wszystkich przypadkach z rysunków 11 i 12
dzie jest prawda  zmiany napięcia na wej- Przeanalizuj napięcia i prądy. Zwróć uwagę na wynosi dokładnie 100.
ściach podczas normalnej pracy rzeczywiście zadziwiająco duże napięcia na wyjściach. Czy Jeśli masz wątpliwości, przeanalizuj je-
są rzędu mikrowoltów, ale zazwyczaj mię- dobrze rozumiesz, skąd się biorą? szcze raz materiał i spróbuj samodzielnie
dzy wejściami stale istnieje różnica napięć Nietrudno zrozumieć, że napięcie spoczyn- obliczyć napięcia wyjściowe w układach
rzędu pojedynczych miliwoltów. kowe na wyjściu jest równe wejściowemu na- z rysunków 11 i 12 przy napięciach wejścio-
Różnicę tę nazywamy wejściowym na- pięciu niezrównoważenia pomnożonemu wych równych na przykład  0,1V oraz
pięciem niezrównoważenia. Czasem żargo- przez wzmocnienie (wyznaczone przez rezy-
nowo mówimy o napięciu offsetu lub krótko story sprzężenia zwrotnego). Wpływ wejścio- Rys. 12
o offsecie bądz
przesunięciu. Napięcie nie- wego napięcia niezrównoważenia daje o sobie
zrównoważenia najczęściej oznaczamy znać zarówno we wzmacniaczach odwracają-
cych, jak i nieodwracających  przeanalizuj
Rys. 10 rysunek 12 i porównaj z rysunkiem 11. Zasta-
Elektronika dla Wszystkich
66
Podzespoły
+0,1V, czyli przy różnicy napięć wejścio-
wych 0,2V. Przekonasz się, że wzmocnienie
(dla sygnałów stałych i zmiennych) napraw-
dę jest równe 100. Wykorzystaj rysunki 13
i 14, ilustrujące dwa przykłady  oblicz i uzu-
pełnij brakujące wartości napięć.
Podsumujmy: wartość wejściowego napię-
cia niezrównoważenia jest charakterystyczna
dla danego egzemplarza. Nie ma związku
z prądami wejściowymi, rezystancjami,
wzmocnieniem. Podczas normalnej pracy
wzmacniacza operacyjnego między wejściami
zawsze występuje ta niewielka różnica napięć.
Utrwal sobie ten podstawowy fakt  napię-
cia na obu wejściach rzeczywistego wzmac-
niacza różnią się podczas normalnej pracy
właśnie o wejściowe napięcie niezrównowa-
żenia. Muszą się różnić, by wzmacniacz mógł
poprawnie pracować w liniowym odcinku
charakterystyki. Na wyjściu musi się pojawić
takie napięcie, by zapewnić tę różnicę, charak-
terystyczną dla danego wzmacniacza opera-
cyjnego. Choć wartość wejściowego napięcia
niezrównoważenia jest (w przybliżeniu) stała,
spoczynkowe napięcie wyjściowe zależy od
wzmocnienia. Można powiedzieć, że wzmac- We wzmacniaczach odwracających i ukła- Rys. 15
niacz traktuje swe własne napięcie niezrówno- dach pokrewnych czasem wykorzystujemy
ważenia jak sygnał i wzmacnia je. W związku obwody korekcji wejściowego napięcia nie- wejściowego napięcia niezrównoważenia. Za-
z tym spoczynkowe napięcie wyjściowe zale- zrównoważenia według rysunku 15 z dodat- zwyczaj są to nóżki numer 1 i 5, ale nie za-
ży od (stałoprądowego) wzmocnienia układu. kowym rezystorem i potencjometrem monta- wsze. Do końcówek tych należy dołączyć po-
Rysunki 11 i 12 pokazały tę zależność dla żowym. Dla skompensowania małego napię- tencjometr. Suwak potencjometru w zależno-
dwóch podstawowych wzmacniaczy. cia niezrównoważenia ten dodatkowy rezystor ści od budowy wzmacniacza dołączony jest
Jak usunąć wpływ wejściowego napięcia może i powinien mieć dużą wartość. Zwróć albo do dodatniej, albo ujemnej szyny zasila-
niezrównoważenia? uwagę, że w układzie z rysunku 15d musiałem nia. W każdym przypadku informacji o koń-
Tym razem zmniejszenie zewnętrznych zmniejszyć jego wartość z 1M&! do 910k&!, cówkach do korekcji  offsetu i sposobie do-
rezystancji nie pomoże. Nie można też sku- żeby zmieścić się w zakresie napięć zasilają- łączenia suwaka potencjometru należy szukać
tecznie skorygować wejściowego napięcia cych. Analizę sytuacji z rysunku 15 zawsze w katalogu. Rysunek 16 pokazuje zasadę
niezrównoważenia przez indywidualne do- zaczynaj od wejścia  podajemy napięcie wej- i sposób korekcji wejściowego napięcia nie-
branie wartości zewnętrznych rezystorów. ściowe równe zeru, a napięcie niezrównowa- zrównoważenia kilku popularnych wzmacnia-
Takie sposoby były skuteczne tylko do zre- żenia ma jakąś niezerową wartość, więc przez czy pojedynczych. Tym prostym sposobem
dukowania wpływu wejściowych prądów po- rezystor  wejściowy na pewno płynie nie- można skorygować, a właściwie wyelimino-
laryzujących. wielki prąd. Jeśli napięcie wyjściowe ma być wać napięcie niezrównoważenia  u z
ródła ,
równe zeru, prąd po- nie pogarszając innych parametrów. Właśnie
płynie też przez rezy- ze względu na obecność tych pożytecznych
stor  wyjściowy . końcówek, wzmacniacze pojedyncze są dość
Przez dodatkowy re- często stosowane w obwodach, gdzie trzeba
zystor musi popłynąć eliminować napięcie niezrównoważenia.
prąd równy sumie Pamiętaj o tym!
dwóch wspomnia- Obecnie ze względu na dostępność i cenę,
nych prądów. w wymagających aplikacjach zamiast obwo-
We wzmacniaczu dów korekcyjnych stosujemy po prostu
nieodwracającym wzmacniacze precyzyjne, o małym napięciu
sposób z rysunku 15 niezrównoważenia, rzędu mikrowoltów,
Rys. 13 nie jest dobry, zwła- choćby popularną i tanią kostkę OP-07 o ty-
szcza przy dużych powym napięciu niezrównoważenia, wyno-
Rys. 14 sygnałach. szącym 30�V (max 75�V), czy droższą i lep-
Jest znacznie lep- szą OP-177A z typowym napięciem niezrów-
szy i prostszy sposób noważenia 4�V (max 10�V). Tak skrajnie
stosowany we wszel- małe wartości szkodliwych parametrów uzy-
kiego rodzaju konfi- skuje się już podczas produkcji dzięki indy-
guracjach - więk- widualnej korekcji każdego egzemplarza za
szość pojedynczych pomocą silnego lasera.
wzmacniaczy opera- Nie zawsze jednak trzeba stosować obwo-
cyjnych ma specjalne dy korekcji wejściowego napięcia niezrów-
końcówki do korekcji noważenia albo precyzyjne wzmacniacze.
Elektronika dla Wszystkich
67
Podzespoły
mem. Można zlikwidować problem prądów
polaryzujących, można skorygować napięcie
niezrównoważenia. Nie ma jednak dobrych
sposobów na skompensowanie dryftu ciepl-
nego napięcia niezrównoważenia.
Dziś problem stracił swą ostrość - w wy-
magających aplikacjach trzeba po prostu sto-
sować droższe i lepsze wzmacniacze precy-
zyjne o radykalnie mniejszym dryfcie. Przy-
kładowo popularne LM358 i TL08x mają
TCVos około 7...10�V/oC, natomiast popu-
larny OP-07 tylko około 0,6...1,3�V/oC,
a OP-177A tylko 0,03�V/oC.
Hobbyści w swych konstrukcjach zazwy-
czaj nie muszą uwzględniać tego problemu,
choć powinni go rozumieć.
Rys. 18
Rys. 16
Rys. 17
Wszyscy powinni też wiedzieć, że tempe-
ratura wpływa na wartość wejściowych prą-
dów polaryzujących. We wzmacniaczach
z tranzystorami bipolarnymi zmiany są nie-
wielkie  zwykle prąd polaryzacji wejścia nie-
co maleje przy wzroście temperatury (kilkana-
ście do kilkudziesięciu procent). Naprawdę
nie ma się czym przejmować. Dużo gorzej jest
z tranzystorami polowymi. Zarówno w JFET-
Porównaj dwie wersje przedwzmacniacza ważenia. Charakteryzuje je współczynnik ach, jak i MOSFET-ach wzrost temperatury
audio z rysunku 17, gdzie wzmacniacz ma cieplny wejściowego napięcia niezrównowa- wywołuje radykalny wzrost prądu bramki.
napięcie niezrównoważenia równe 5mV żenia, oznaczany zwykle TCVos. W popular- Rysunek 18 pokazuje zależność prądu wej-
i znikomo małe prądy polaryzujące. Dla sy- nych wzmacniaczach dryft cieplny wynosi ściowego od temperatury popularnego
gnałów zmiennych mają takie samo wzmoc- około 5...10�V na stopień Celsjusza. Znów wzmacniacza operacyjnego TL072 z JFET-
nienie, równe 100. Dzięki dodatkowemu może się to wydawać znikomą wartością. ami na wejściu oraz TLC271 z MOSFET-ami.
kondensatorowi C2 wzmacniacz z rysunku Niestety, zmiany te są wzmacniane, podobnie Typowo, w temperaturze +25oC wejściowy
b ma dla napięć stałych, a więc także dla na- jak napięcie niezrównoważenia. Przykłado- prąd polaryzujący kostki TL072 wynosi tylko
pięcia niezrównoważenia, wzmocnienie rów- wo, jeśli współczynnik TCVos ma wartość 30pA, a kostki TLC271 ma znikomą wartość
ne 1 i wejściowe napięcie niezrównoważenia 10�V/oC, to przy zmianie temperatury struk- 0,7pA. Podane charakterystyki wskazują, że
nie jest wzmacniane (pojemność C2 wraz tury o, powiedzmy, 40oC napięcie niezrów- już przy temperaturze struktury równej +70oC
z R2 określa dolną częstotliwość graniczną, noważenia zmieni się o 0,4mV. Jeśli przykła- prąd jest kilkadziesiąt do stu razy większy.
w tym przykładzie wynosi ona około 33Hz). dowo wzmacniacz będzie miał wzmocnienie Warto przy tym pamiętać, iż wysoka tem-
równe 100, zmiana napięcia wyjściowego peratura wynika nie tylko z temperatury oto-
Wpływ temperatury wyniesie 40mV, co w precyzyjnych układach czenia, ale również z podgrzewania scalonej
Jak wiesz, wiele parametrów elementów okaże się znaczącym błędem. Oczywiście struktury wzmacniacza pod wpływem prą-
elektronicznych zmienia się pod wpływem problem dryftu cieplnego dotyczy tylko pre- dów, zwłaszcza prądu obciążenia (prądu wyj-
temperatury. Niestety, także wejściowe na- cyzyjnych wzmacniaczy stałoprądowych. ściowego). Jest to jeden z istotnych argumen-
pięcie niezrównoważenia zmienia się z tem- Dawniej w wielu precyzyjnych układach po- tów, by nie obciążać wyjścia wzmacniacza
peraturą. Zmiany te nazywamy dryftem cie- miarowych właśnie dryfty były najgorszym operacyjnego znacznymi prądami.
plnym wejściowego napięcia niezrówno- i najtrudniejszym do opanowania proble- Piotr Górecki
Elektronika dla Wszystkich
68