„WZMACNIACZ OPERACYJNY”
Pojęcie wprowadził po raz pierwszy J.R. Ragazzini w artykule opublikowanym w roku 1947, a dotyczącym przede wszystkim stosowania tych wzmacniaczy w układach do rozwiązywania równań całkowo-różniczkowych.
Wzmacniaczem operacyjnym nazywany jest najczęściej układ scalony charakteryzujący się bardzo dużą rezystancją wejściową i bardzo małą wyjściową, posiadający bardzo duże wzmocnienie napięciowe w obszarze liniowej części charakterystyki przejściowej. Podstawowymi elementami z jakich zbudowany jest wzmacniacz operacyjny są tranzystory.
Oznaczenia wzmacniacza operacyjnego przedstawiono na rysunku 1. Posiada on pięć wyprowadzeń: dwa wejściowe, dwa zasilające i wyjście. Przy analizie działania można pominąć zasilanie. Wiele wzmacniaczy operacyjnych posiada dodatkowe wyprowadzenia służące do podłączania zewnętrznych elementów poprawiających właściwości wzmacniacza (symetryzacja, kompensacja częstotliwościowa, eliminacja wzbudzeń).
Terminologia
Każde wyprowadzenie wzmacniacza operacyjnego oprócz swego przeznaczenia posiada także specyficzną nazwę. Wyprowadzenia wejściowe to wejście odwracające oznaczone znakiem "-" i wejście nieodwracające oznaczone znakiem "+". Znaki "+" i "-" nie mają związku z polaryzacją sygnału wejściowego, a jedynie wskazują zmianę fazy sygnału wyjściowego względem wejściowego. Oba wejścia razem tworzą tzw. wejście symetryczne zwane także różnicowym.
Kolejne dwa wyprowadzenia przeznaczone są do doprowadzenia napięcia zasilającego. Wzmacniacze operacyjne zasila się najczęściej napięciami symetrycznymi względem punktu odniesienia, czyli masy (np. +12V i -12V). Dlatego nazywane są odpowiednio zasilaniem dodatnim i zasilaniem ujemnym. Zadaniem napięcia zasilającego jest zapewnienie odpowiednich warunków pracy elementów składowych wzmacniacza (tranzystorów) i dostarczenie energii do obciążenia podłączonego do wyjścia wzmacniacza.
Wzmacniacz operacyjny posiada jedno wyjście zwane wyjściem niesymetrycznym. Spotyka się układy z dwoma wyjściami, na których występują sygnały o przeciwnych fazach. Jest to tzw. wyjście symetryczne. Pięć wyprowadzeń wzmacniacza operacyjnego, a zwłaszcza doprowadzone do nich napięcia i prądy powinny być jednoznacznie określone, aby nie wprowadzać niepotrzebnych wieloznaczności i nieporozumień. Pomocnym jest tutaj wprowadzenie wymienionego już wcześniej poziomu odniesienia. Stanowi on punkt, węzeł wspólny dla wejścia i wyjścia zwany popularnie masą lub uziemieniem. Oznaczenie napięć doprowadzonych do wzmacniacza z wykorzystaniem poziomu odniesienia pokazano na rysunku 2.
Parametry wzmacniaczy operacyjnych
Przy projektowaniu układów ze wzmacniaczami operacyjnymi, a także przy wyborze odpowiedniego typu wzmacniacza do określonego zastosowania, jest niezbędna znajomość właściwości wzmacniacza, które są podawane przez producentów jako parametry katalogowe. Ze względu na znaczną liczbę wytwarzanych typów wzmacniaczy oraz firm je produkujących istnieje duża różnorodność parametrów i dowolność w sposobie ich określania. Poniżej podano definicję najważniejszych parametrów wzmacniaczy operacyjnych zgodnie z najczęściej spotykanymi w katalogach i publikacjach.
Wzmocnienie napięciowe wzmacniacza z otwartą pętlą lub różnicowe wzmocnienie napięciowe
Jest to stosunek zmiany napięcia wyjściowego U0 do wywołującej ją zmiany różnicowego napięcia wejściowego UId przy stałej wartości składowej sumacyjnej UIC napięcia wejściowego
Wzmocnienie Aud jest wyrażane w woltach na wolt lub decybelach i określane przy ustalonych wartościach napięcia zasilającego i temperatury, gdyż silnie zależy od tych czynników. Ponieważ charakterystyka U0=f(UId) wykazuje dobrą liniowość, więc wzmocnienie Aud jest często definiowane nie jako wartość przyrostowa, lecz jako wartość pochodnej
przy U0=0.
Wejściowe napięcie niezrównoważenia
Jest to napięcie UI0, które trzeba doprowadzić między wyprowadzenia wejściowe wzmacniacza, aby na wyjściu otrzymać napięcie równe zeru. Napięcie niezrównoważenia jest określane przy jednakowych rezystancjach wewnętrznych źródeł napięć wejściowych doprowadzonych do obu wejść oraz przy zerowej wartości składowej sumacyjnej UIC napięcia wejściowego
Ważną właściwością wzmacniacza jest charakterystyka zależności napięcia niezrównoważenia od temperatury, niestety dość rzadko podawana w katalogach. W danych katalogowych jest na ogół określana watość współczynnika cieplnego wejściowego napięcia niezrównoważenia wyrażona w mikrowoltach na stopień Celcjusza.
Wejściowe prądy polaryzacji
Dla prawidłowej pracy wzmacniacza jest konieczny przepływ wejściowych prądów IIB1 i IIB2 polaryzujących stopień wejściowy i nazywanych wejściowymi prądami polaryzacji. W katalogach jako wejściowy prąd polaryzacji podaje się zwykle średnią wartość obu prądów zmierzonych przy zerowym wejściowym napięciu sumacyjnym i zerowym napięciu wyjściowym
Wejściowy prąd niezrównoważenia
Wejściowy prąd niezrównoważenia jest definiowany jako różnica wejściowych prądów polaryzacji
Ważną właściwością wzmacniacza jest zależność prądu niezrównoważenia od temperatury. W danych katalogowych jest podawany współczynnik cieplny wejściowego prądu niezrównoważenia wyrażany w nanoamperach na stopień Celcjusza lub w pikoamperach na stopień Celcjusza.
Wzmocnienie napięciowe składowej sumacyjnej
W sygnale napięciowym na wejściach wzmacniacza operacyjnego można wyróżnić prócz składowej różnicowej także tzw. składową sumacyjną, która odpowiada współbieżnym zmianom napięcia w obu wejściach przy zachowaniu między wejściami stałej różnicy potencjałów. Wzmocnienie składowej sumacyjnej jest definiowane jako stosunek zmiany napięcia wyjściowego do wywołującej ją zmiany sygnału sumacyjnego
lub jako pochodna
przy wartości Uo=0.
We wzmacniaczu idealnym składowa sumacyjna powinna być całkowicie tłumiona. W rzeczywistości występuje niewielkie wzmocnienie AuC wynikające z niesymetrii stopnia wejściowego. To wzmocnienie jest zawsze znacznie mniejsze od wzmocnienia różnicowego.
Współczynnik tłumienia składowej sumacyjnej
Współczynnik CMRR (ang. common mode rejection ratio) definiuje się jako stosunek wzmocnienia różnicowego do wzmocnienia składowej sumacyjnej
Współczynnik CMRR jest zwykle wyrażany w decybelach i w katalogach jest podawana jego wartość średnia w całym zakresie wzmacnianych napięć. Tłumienie składowej sumacyjnej jest różne przy sygnałach o różnych częstotliwościach.
Rezystancja wejściowa
Definiuje się dwie składowe rezystancji wejściowej wzmacniacza operacyjnego:
składową różnicową RId,
składową sumacyjną RIC,
określone wzorami
lub
przy czym:
UId - wejściowe napięcie różnicowe,
IIB1, IIB2 - prądy wejściowe wzmacniacza,
UIC - wejściowe napięcie sumacyjne.
Rezystancja wejściowa RI podawana w katalogach odpowiada równoległemu połączeniu RId i RIC, przy czym w praktyce składowa sumacyjna jest o kilka rzędów wielkości większa od składowej różnicowej, więc rezystancja wejściowa jest w przybliżeniu równa RId. Impedancję wejściową definiuje się podobnie jak rezystancje.
Rezystancja wyjściowa
Ze względu na dużą nieliniowość charakterystyki wyjściowej Io=f(Uo) wzmacniacza rezystancja wyjściowa jest definiowana przyrostowo
Podobnie określa się impedancję wyjściową.
Współczynnik tłumienia wpływu zasilania
Współczynnik PSRR (ang. power supply rejection ratio) jest wyrażany za pomocą stosunku zmiany wejściowego napięcia niezrównoważenia do wywołującej ją zmiany napięcia zasilającego. W katalogach jest podawany w woltach na wolt lub decybelach.
Zakres zmian napięcia wejściowego
Jest to zakres zmian napięcia na każdym z wejść w stosunku do masy, przy którym wzmacniacz pracuje prawidłowo. Często określa się też w katalogach dopuszczalne napięcie różnicowe między wejściami.
Maksymalny zakres zmian napięcia wyjściowego
Ta wielkość jest określana jako największy zakres zmian napięcia wyjściowego uzyskiwany bez nasycenia wzmacniacza. Zakres ten zależy od częstotliwości sygnału. Maksymalny zakres zmian napięcia wyjściowego jest także funkcją wartości rezystancji obciążenia oraz zależy od rodzaju zastosowanej kompensacji charakterystyk częstotliwościowych.
Maksymalny prąd wyjściowy
Maksymalny prąd wyjściowy określa się jako maksymalną wartość prądu pobieranego z wyjścia wzmacniacza, przy której wzmacniacz działa prawidłowo. Ponieważ większość wzmacniaczy ma zabezpieczenie przeciwzwarciowe, więc w ich danych katalogowych podaje się prąd zwarciowy oraz dopuszczalny czas trwania zwarcia, który zwykle jest nieskończenie długi. Przy obliczaniu prądu pobieranego z wyjścia wzmacniacza trzeba pamiętać o uwzględnieniu prądu nie tylko w obwodzie obciążenia, lecz także w obwodzie sprzężenia zwrotnego.
Pobór mocy
Pobór mocy wzmacniacza określa się zwykle przy napięciu wyjściowym i prądzie obciążenia wzmacniacza równym zeru. Czasem jest podawana wartość prądu zasilającego. Zarówno pobór mocy, jak i prąd zasilający są zależne od temperatury i napięcia zasilającego.
Szumy wzmacniacza
W danych katalogowych zwykle podaje się wartości skuteczne równoważnego wejściowego napięcia szumów i równoważnego wejściowego prądu szumów. Są to takie wartości napięcia szumów i prądu szumów na wejściu wzmacniacza, jakie spowodowały odtworzenie szumów wyjściowych przy założeniu, że sam wzmacniacz jest idealnie bezszumowy. Podając wartości skuteczne równoważnego wejściowego napięcia i prądu szumów określa się jednocześnie szerokość pasma częstotliwości, w którym szumy zostały zmierzone, lub wyraża się wartości skuteczne odniesione do jednostkowej szerokości pasma częstotliwości.
Częstotliwość graniczna
Częstotliwość graniczna należy do grupy parametrów obrazujących dynamiczne właściwości wzmacniacza. Jest to częstotliwość, przy której moduł różnicowego wzmocnienia napięciowego przy pętli otwartej maleje o 3 dB w stosunku do wartości odpowiadającej zakresowi bardzo małych częstotliwości.
Częstotliwość graniczna dla wzmocnienia jednostkowego
Jest to częstotliwość, przy której moduł różnicowego wzmocnienia napięciowego dla wzmacniacza przy pętli otwartej osiąga wartość równą jedności. Bardzo użyteczną charakterystyką wzmacniacza, prawie zawsze podawaną w katalogach, jest zależność różnicowego wzmocnienia napięciowego Aud od częstotliwości. Z tej charakterystyki można odczytać zarówno częstotliwość graniczną fg, jak i ft.
Odpowiedź impulsowa
Właściwości impulsowe wzmacniacza operacyjnego charakteryzuje się przez podanie wartości czasu narastania oraz przerzutu impulsu wyjściowego będącego odpowiedzią wzmacniacza przy pobudzeniu wejścia idealnym impulsem jednostkowym. Wartości te są mierzone w układzie z zamkniętą pętlą o wzmocnieniu równym jedności (wtórnik napięciowy) przy małym sygnale wejściowym (10 lub 20 mV) i przy określonych wartościach elementów kompensujących częstotliwościowo oraz elementów obciążenia.
Maksymalna szybkość narastania napięcia wyjściowego
Jest to parametr wyrażający dynamiczne właściwości wzmacniacza przy pracy z dużymi sygnałami. Wielkość SUOM (ang. slew rate) jest definiowana jako maksymalna szybkość narastania napięcia na wyjściu wzmacniacza mierzona w układzie wtórnika napięciowego pobudzanego impulsem jednostkowym o dużej amplitudzie (np. równej maksymalnemu napięciu wyjściowemu).
Wzmacniacze TL 080
Wzmacniacze operacyjne serii TL 080 wykonane są w technologii BiFET polegającej na wykonywaniu w jednej kostce tranzystorów bipolarnych i złączowych tranzystorów unipolarnych FET. Układy BiFET są produkowane głównie przez firmy National Semiconductor i Texas Instuments.
Serię wzmacniaczy operacyjnych TL 080 opartych na technologii BiFET opracowano w firmie Texas Instruments. W skład serii wchodzą:
pojedyncze wzmacniacze TL 080 i TL 081,
podwójne wzmacniacze TL 082 i TL 083,
poczwórny wzmacniacz TL 084.
Wszystkie wzmacniacze, oprócz TL 080, mają wewnętrzną kompensację charakterystyk częstotliwościowych. Wzmacniacze TL 080, TL 081 oraz TL 083 są wyposażone w końcówki do kompensacji napięcia niezrównoważenia. Przy wytwarzaniu wzmacniaczy serii TL 080 zastosowano implantację jonów, co umożliwiło uzyskanie bardzo symetrycznych para wejściowych złączonych tranzystorów unipolarnych. Dzięki temu wzmacniacze mimo prostej budowy odznaczają się dość dobrymi parametrami wejściowymi. Wartość typowa wejściowego napięcia niezrównoważenia jest równa 5mV, a wejściowego prądu niezrównoważenia 5pA. Maksymalna szybkość narastania napięcia wyjściowego wynosi 12v/us. Z uwagi na dobre parametry uzyskane przy niskich kosztach produkcji, a więc nie wysokiej cenie, a także ze względu na mały pobór prądu zasilającego (2,8mA na jeden wzmacniacz) i wielokrotność układów, wzmacniacze serii TL 080 nadają się do uniwersalnego zastosowania, szczególnie w aparaturze przemysłowej.
Na rysunku 3 pokazano schemat ideowy pojedynczego wzmacniacza serii TL 080. Układ odznacza się prostotą budowy, co umożliwia wykonywanie w jednej obudowie wzmacniacza wielokrotnego - podwójnego lub poczwórnego. Stopień wejściowy tworzy para złączowych tranzystorów unipolarnych T4 i T5 z obciążeniem czynnym składającym się z tranzystorów T1, T2, T3. W układach TL 081 i TL 083 emitery tranzystorów T1 i T2 są dołączone do końcówek zewnętrznych umożliwiając kompensacje napięcia niezrównoważenia. We wzmacniaczu TL 080 wyprowadzono w tym celu końcówki połączone z kolektorami tranzystorów T1 i T2.
Drugi stopień wzmacniający zawiera tranzystory T6 i T7. Dioda D1 zabezpiecza tranzystor T7 przed nasyceniem i tranzystor T6 przed przepływem nadmiernego prądu. Stopień wyjściowy T11, T15 pracuje w klasie AB, a odpowiedni punkt pracy ustalają tranzystory T8 i T9. Zabezpieczenie przeciwzwarciowe jest realizowane za pomocą rezystorów pomiędzy emiterami tranzystorów T11 i T15 i rezystora na wyjściu układu.
Stopień wejściowy i drugi stopień wzmacniający pobierają prąd ze specjalnego układu polaryzującego składającego się z tranzystorów T12, T13, T14 i diody D2. Unipolarny tranzystor T13 zasila diodę Zenera określonym prądem i ustala napięcie na bazie tranzystora T14. W obwodzie kolektora tego tranzystora płynie prąd, przepływający przez tranzystor T12, który polaryzuje źródła prądowe zbudowane na tranzystorach T10 i T16 zasilające stopnie wzmacniające.
Kompensacja charakterystyk częstotliwościowych jest realizowana za pomocą monolitycznego kondensatora C między wejściem i wyjściem drugiego stopnia wzmacniającego. Układ TL 080 nie zawiera tego kondensatora i istnieje w nim możliwość kształtowania charakterystyki częstotliwościowej za pomocą kondensatora zewnętrznego.
Wyszukiwarka