Rodzaje sprzężeń we wzmacniaczach operacyjnych

Zarówno wzmacniacze operacyjne ze sprzężeniem napięciowym (voltage feedback, VFB), jak i wzmacniacze ze sprzężeniem prądowym (current feedback, CFB) mają charakterystyczne właściwości, które kwalifikują je do zastosowań w konkretnych urządzeniach. Przykładowo, wzmacniacze VFB mają większe wzmocnienie w otwartej pętli sprzężenia. Ponadto zapewniają mniejsze wejściowe napięcie niezrównoważenia i mniejszy wejściowy prąd polaryzacji, a w konsekwencji niższe wyjściowe napięcie niezrównoważenia i jego dryft.

Wejściowe prądy polaryzujące są w przybliżeniu równe dla obu wejść i zazwyczaj nie przekraczają kilku mikroamperów (we wzmacniaczach z wejściem FET możliwe jest uzyskanie wartości nawet poniżej kilkuset fA), a wejściowe napięcie niezrównoważenia najczęściej nie przekracza kilku mV (po korekcji nawet kilka μV). Z kolei we wzmacniaczach CFB prądy polaryzujące są różne na obu wejściach przede wszystkim dlatego, że wejścia odwracające i nieodwracające mają zupełnie inną architekturę. Z tego też powodu nawet zewnętrzne obwody korekcji prądu polaryzującego nie są w takim wypadku użyteczne, co ilustruje poniższy przykład.

Rys. 1. Wzmacniacz w konfi guracji odwracającej z obwodem korekcji wejściowych prądów polaryzacji. Ta metoda skutkuje jedynie, gdy używamy wzmacniacza operacyjnego ze sprzężeniem napięciowym

Rys. 2. Porównanie odpowiedzi częstotliwościowych układu z rys. 1 zrealizowanego z wykorzystaniem wzmacniacza operacyjnego VFB (OPA846) i CFB (OPA684)

Rys. 3. Wzmacniacz z regulowanym wzmocnieniem

Przykład 1

Na rysunku 1 przedstawiono przykład wzmacniacza w konfiguracji odwracającej, w którym wykorzystano układ OPA846 ze sprzężeniem napięciowym. Wprowadzono tu obwód korygujący wejściowe prądy polaryzacji, który składa się z rezystora i kondensatora na wejściu nieodwracającym.

Zakładając, że do wejścia wzmacniacza będzie podłączone źródło sygnału o impedancji 50Ω, rezystor korygujący powinien mieć wartość 90,9Ω, co odpowiada zastępczej rezystancji równoległego połączenia rezystorów 100Ω i 1kΩ na wejściu odwracającym. Na rysunku 2 przedstawiono odpowiedzi częstotliwościowe omawianego układu oraz wzmacniacza ze sprzężeniem prądowym: OPA684.

Pasma przenoszenia w obu przypadkach są zbliżone (VFB ok. 130 MHz, CFB ok. 150 MHz). O tym, że do uzyskania większej precyzji lepiej zastosować wzmacniacz VFB, można się przekonać, wyznaczając maksymalne wyjściowe napięcie niezrównoważenia. W przypadku wzmacniaczy CFB należy oddzielnie analizować wejściowe prądy polaryzujące dla obu wejść. Jeżeli na wejściu nieodwracającym wzmacniacza pozostawimy wcześniej wyznaczony rezystor korygujący, to uwzględniając następujące parametry OPA684:

• wejściowe napięcie niezrównoważenia = 3,5mV,
• wejściowy prąd polaryzacji wejścia nieodwracającego = 10μA,
• wejściowy prąd polaryzacji wejścia odwracającego = 16μA oraz to, że wzmocnienie szumu jest równe 11, maksymalne wyjściowe napięcie off setu wyniesie 3,5mV ∙ 11 V/V + 10μA ∙ 90,9Ω ∙ 11V/V – 16μA ∙ 1kΩ = 32,5mV.

Tymczasem we wzmacniaczu VFB OPA846, w którym analogiczne parametry mają następujące wartości:

• wejściowe napięcie niezrównoważenia = 0,6mV,
• wejściowy prąd niezrównoważenia = 0,35μA, maksymalne wyjściowe napięcie offsetu będzie miało wartość 0,6mV ∙ 11 V/V + 1kΩ ∙ 0,35μA= 6,95mV.

Problem GBW

Inną ważną różnicą pomiędzy wzmacniaczami VFB i CFB jest współczynnik GBW, czyli iloczyn wzmocnienia i pasma przenoszenia w szerokim zakresie częstotliwości. O ile we wzmacniaczach VFB jest on stały, to w przypadku wzmacniaczy VFB wymienione parametry są niezależne od siebie. Pasmo przenoszenia w przypadku wzmacniaczy ze sprzężeniem prądowym zależy głównie od rezystancji w pętli sprzężenia zwrotnego i jest całkowicie niezależne od rezystora ustalającego wzmocnienie układu.

Rys. 4. Odpowiedź częstotliwościowa wzmacniacza z regulowanym wzmocnieniem z rys. 3 przy minimalnej i maksymalnej wartości wzmocnienia

Rys. 5. Wzmacniacz sumujący

Rys. 6. Porównanie odpowiedzi częstotliwościowych pojedynczego kanału sumatora z rys. 5 opartego na wzmacniaczu operacyjnym CFB (THS3091) i VFB (THS4031)

Dzięki temu wzmacniacze CFB znajdują zastosowanie np. w aplikacjach ze zmiennym wzmocnieniem, gdzie wymagane jest stałe pasmo przenoszenia w momencie regulacji wzmocnienia. Kolejne dwa przykłady przedstawiają urządzenia, w których przewaga wzmacniaczy ze sprzężeniem prądowym nad wzmacniaczami VFB jest szczególnie widoczna.

Przykład 2

Na rysunku 3 pokazano układ ze wzmacniaczem operacyjnym CFB OPA- -691 w konfiguracji nieodwracającej, w którym za pośrednictwem potencjometru regulowane jest wzmocnienie w przedziale od +2 do +4 V/V. Na rysunku 4 widoczna jest odpowiedź częstotliwościowa tego układu przy minimalnej i maksymalnej wartości wzmocnienia. W celu porównania na tym samym wykresie przedstawiono odpowiedź analogicznego urządzenia zbudowanego z wykorzystaniem wzmacniacza ze sprzężeniem napięciowym OPA690 o parametrach zbliżonych do tych charakteryzujących OPA691.

Przy wzmocnieniu +2 V/V (6dB) w obu przypadkach pasmo przenoszenia ma podobną wartość (>200 MHz). Po zwiększeniu wzmocnienia do +4 V/V (12dB) obwód oparty na wzmacniaczu ze sprzężeniem prądowym utrzymuje pasmo przenoszenia powyżej 200 MHz, natomiast w układzie ze wzmacniaczem VFB pasmo spada do około 100 MHz.

Przykład 3

Na rysunku 5 przedstawiono wzmacniacz sumujący zbudowany na bazie układu THS3091 (CFB). W układach tego typu wymagane jest, aby pasmo przenoszenia było niezależne od liczby sumowanych kanałów i ich wzmocnień. Dlatego lepiej jest w takim wypadku wykorzystać wzmacniacz CFB. W przypadku wzmacniaczy ze sprzężeniem napięciowym pasmo przenoszenia zależy od wzmocnienia szumów.

W omawianym układzie sygnał z pięciu kanałów zostanie zsumowany ze wzmocnieniem –2 V/V, natomiast wzmocnienie szumów wyniesie 11 i tyle razy zostanie zmniejszone pasmo przenoszenia dla wszystkich pięciu kanałów w stosunku do pasma częstotliwości wzmacniacza operacyjnego, przy którym wzmocnienie spada do 1. Wykorzystując wzmacniacz CFB, można uniknąć takiej sytuacji, ponieważ ani liczba, ani wartość rezystorów wejściowych nie wpłynie na pasmo przenoszenia sumatora, co pokazuje rysunek 6.

Rys. 7. Wzmacniacz transimpedancyjny

Rys. 8. Filtr aktywny z wielokrotnym sprzężeniem zwrotnym

Rys. 9. Wzmacniacz różnicowy

Na wspólnym wykresie przedstawiono tu odpowiedzi częstotliwościowe pojedynczego kanału sumatora z rysunku 5 skonstruowanego z wykorzystaniem wzmacniacza CFB THS3091 i analogicznego układu zbudowanego na bazie wzmacniacze ze sprzężeniem napięciowym THS4031 (dla obu pasmo przenoszenia wynosi 200 MHz). Ostatecznie w drugim wypadku pasmo przenoszenia zmniejszy się do około 18 MHz, natomiast w sumatorze ze wzmacniaczem ze sprzężeniem prądowym pasmo przenoszenia pozostanie niezmienne.

CFB tak, ale... nie w każdym filtrze

Ponieważ stabilność wzmacniaczy ze sprzężeniem prądowym zależy od impedancji elementu w pętli sprzężenia zwrotnego, nie sprawdzają się one w urządzeniach, które z różnych powodów wymagają zastosowania w tym miejscu np. kondensatorów. Przykładem takiej sytuacji jest przedstawiony na rysunku 7 wzmacniacz transimpedancyjny realizujący konwersję prądu fotodiody na napięcie.

W celu uzyskania wymaganej charakterystyki częstotliwościowej niezbędne było tu włączenie w pętli sprzężenia zwrotnego rezystora połączonego równolegle z kondensatorem, w związku z czym konieczne było wykorzystanie wzmacniacza VFB – OPA675. Innym przykładem są filtry aktywne. Na rysunku 8 przedstawiono filtr tego typu z wielokrotnym sprzężeniem zwrotnym, którego głównym komponentem jest szerokopasmowy wzmacniacz ze sprzężeniem napięciowym OPA820.

„Problem” w tym wypadku stanowi część filtru w postaci rezystora 200Ω i kondensatora 12,5pF. Przy wysokich częstotliwościach, w związku ze zwarciem kondensatora w pętli sprzężenia zwrotnego wzmocnienie tego układu spada do 1. Z tego względu zaleca się, aby w takich aplikacjach używać wzmacniaczy ze sprzężeniem napięciowym, które są w stanie pracować stabilnie nawet przy bardzo małych wartościach wzmocnienia pętli.

Zdarzają się wyjątki od tej reguły i czasem w filtrach aktywnych warto wykorzystać wzmacniacz CFB. Są to przede wszystkim filtry, w których częstotliwość odcięcia jest bardzo duża, np. rzędu kilku MHz. Wówczas za zastosowaniem wzmacniacza ze sprzężeniem prądowym przemawia głównie niezależność pasma przenoszenia i wzmocnienia charakterystyczna dla tych układów. Wzmacniacze tego typu są często używane w filtrach Sallena-Keya ze względu na to, że pętle sprzężenia zwrotnego wzmacniacza i filtru są tu oddzielne. Dzięki temu możliwe jest włączenie w pętli sprzężenia wzmacniacza dowolnego rezystora o wartości niezbędnej do stabilnej pracy układu bez wpływu na charakterystykę częstotliwościową całego filtru.

Albo, albo

Mimo opisywanych różnic dzielących oba typy wzmacniaczy, większość prostych aplikacji rzeczywiście można skonstruować z równie dobrym skutkiem, wykorzystując zarówno wzmacniacz CFB, jak i VFB. Przykładem jest tu wzmacniacz różnicowy. Na rysunku 9 zamieszczono przykład takiego układu zrealizowanego ze wzmacniaczem ze sprzężeniem napięciowym OPA690.

Rys. 10. Porównanie charakterystyk CMRR w funkcji częstotliwości wzmacniacza różnicowego z rys. 9, w którym wykorzystano układy VFB (OPA690) i CFB (OPA691

Uzupełniono go o rezystor włączony szeregowo na wejściu nieodwracającym w celu korekcji wpływu wejściowych prądów polaryzujących (co jak wykazano w przykładzie 1 wpłynie na obniżenie wyjściowego napięcia niezrównoważenia tylko w układach ze wzmacniaczami VFB).

W przypadku, gdyby analogiczny układ zbudowano w oparciu o wzmacniacz ze sprzężeniem prądowym, należy liczyć się z mniejszą wartością parametru CMRR. Na rysunku 10 przedstawiono charakterystykę zmienności PSRR w funkcji częstotliwości, którą wyznaczono dla układu z rysunku 9 i analogicznego wzmacniacza różnicowego z układem OPA691.

Jak widać, wzmacniacz VFB zapewnia nieznacznie większą wartość współczynnika CMRR w porównaniu z OPA691. Efekt ten jest wynikiem strat wzmocnienia w buforze będącym elementem stopnia wejściowego wzmacniaczy ze sprzężeniem prądowym i jest zjawiskiem powtarzalnym w obrębie danej serii układów CFB. Można ten problem jednak łatwo rozwiązać i zwiększyć CMRR wzmacniacza różnicowego poprzez odpowiednią korekcję rezystancji na wejściu nieodwracającym.

Podsumowanie

Aplikacje, w których z reguły lepiej stosować wzmacniacze ze sprzężeniem prądowym, można ogólnie podzielić na dwie kategorie. Pierwszą z nich są układy, w których niezbędne jest włączenie kondensatora między wejściem ujemnym i wyjściem wzmacniacza. Drugą grupę stanowią układy, w których element w pętli sprzężenia zwrotnego ma być przestrajany oraz układy wymagające dużej precyzji i małych szumów wyjściowych. Z kolei w urządzeniach wymagających niezależnego kształtowania charakterystyki częstotliwościowej i regulacji wzmocnienia lepiej jest wybrać wzmacniacz ze sprzężeniem prądowym.

Monika Jaworowska