Wzmacniacze operacyjne – kompensacja wejściowego napięcia niezrównoważenia

Przyczyną występowania napięcia niezrównoważenia na wejściu wzmacniaczy są przede wszystkim rozbieżności parametrów poszczególnych komponentów ich stopni wejściowych, na przykład tranzystorów. Rozrzut parametrów wynika głównie ze specyfiki procesów produkcyjnych, w ramach których struktura układu scalonego jest wytwarzana. Dlatego wartość wejściowego napięcia offsetu próbuje się ograniczać już na etapie produkcji wzmacniaczy.

Dynamiczna kompensacja offsetu

Rys. 1. Schemat blokowy wzmacniacza z kompensacją z przetwarzaniem

Korekcja komponentów stopni wejściowych wzmacniaczy jest dość skutecznym sposobem. Jednak w trakcie zamykania układu w obudowie na skutek wpływu różnych czynników, na przykład wahań temperatury i naprężeń struktury, napięcie niezrównoważenia znów wzrasta. Również w trakcie użytkowania wzmacniacza pod wpływem zmian temperatury i starzenia się jego układów wejściowych napięcie offsetu zmienia się. Stopień tej zmiany określa jego dryft .

Dlatego lepszym rozwiązaniem jest dynamiczna kompensacja offsetu, którą przeprowadza się w czasie pracy wzmacniacza. Dwie najpopularniejsze metody tego typu to autozerowanie oraz kompensacja z przetwarzaniem. Pozwalają one zmniejszyć napięcie offsetu do poziomu nV, a także znacznie ograniczyć jego dryft . Przy okazji redukują też tzw. szumy 1/f wzmacniacza. Obie metody różnią się zasadniczo pod względem konstrukcji i zasady działania. Częścią układu z autozerowaniem są układy próbkująco-pamiętające, natomiast w kompensacji z przetwarzaniem wykorzystuje się modulację amplitudy.

Kompensacja z przetwarzaniem

Rys. 2. Kompensacja w układzie z autozerowaniem przebiega dwuetapowo

Na rysunku 1 przedstawiono uproszczony schemat blokowy wzmacniacza z kompensacją z przetwarzaniem oraz przebiegi sygnału w wybranych punktach tego układu. Na wstępie sygnał wejściowy jest kluczowany, w efekcie czego zostaje przekształcony w ciąg impulsów (napięcie U1). Przebieg ten, z którego najpierw wycinana jest składowa stała (U2), jest następnie wzmacniany we wzmacniaczu głównym W1 (U3). Po wycięciu składowej stałej (U4) sygnał jest ponownie kluczowany (przełączniki S1 i S2 są zsynchronizowane). Ostatecznie na wyjściu układu całkującego uzyskujemy wzmocniony sygnał bez offsetu (Uwy).

Autozerowanie – etap 1

Schemat układu wzmacniacza z autozerowaniem został przedstawiony na rysunku 2. Jego główne komponenty to wzmacniacz główny (WB), wzmacniacz pomocniczy zerujący (WA), kondensatory (C1 i C2) oraz klucze (A i B). Oba wzmacniacze mają dodatkowe zaciski (U_nA, U_nB) o regulowanym wzmocnieniu umożliwiające korygowanie wartości offsetu (rys. 3).

Rys. 3. Oba wzmacniacze w układzie z autozerowaniem mają dodatkowy zacisk Un o regulowanym wzmocnieniu umożliwiający korygowanie wartości offsetu

W przeciwieństwie do kompensacji z przetwarzaniem autozerowanie jest realizowane w dwóch etapach. W pierwszym (rys. 2a) klucze A są zamknięte, natomiast klucze B pozostają otwarte. Sygnał wejściowy jest wówczas doprowadzony do głównego wzmacniacza W_B.

Na jego wejście zerujące U_nB jest jednocześnie podawane napięcie kompensujące napięcie offsetu z kondensatora C2. W tym samym czasie wejścia wzmacniacza zerującego W_A są zwarte. Jego napięcie wyjściowe, które jest doprowadzone jednocześnie do wejścia zerującego U_nA, wzrasta do wartości, przy której iloczyn tego napięcia i wzmocnienia wejścia zerującego będzie w przybliżeniu równy wartości wejściowego napięcia niezrównoważenia wzmacniacza W_A. Wartość ta zostaje „zapisana” w kondensatorze C1.

Autozerowanie – etap 2

W drugim etapie (rys. 2b) oba klucze B są zamknięte, podczas gdy klucze A pozostają otwarte. Wejścia wzmacniacza zerującego są zatem połączone z wejściowymi zaciskami głównego wzmacniacza. Napięcie na kondensatorze C1 jest w tym czasie dołączone do wejścia zerującego wzmacniacza W_A i kompensuje jego napięcie offsetu.

Różnicowy sygnał wejściowy jest wzmacniany we wzmacniaczu zerującym, a następnie jest dalej wzmacniany na wejściu zerującym głównego wzmacniacza. Napięcie to jest też bezpośrednio wzmacniane przez główny wzmacniacz. Tymczasem napięcie wyjściowe wzmacniacza W_A, które przyjmie wartość niezbędną na wejściu U_nB do wyzerowania różnicy napięć wejściowych wzmacniacza głównego, zostanie „zapisane” w kondensatorze C2. W kolejnym cyklu napięcie na C2 będzie kompensować napięcie offsetu głównego wzmacniacza. Opisane fazy powtarzają się cyklicznie z częstością ustalaną przez wewnętrzny zegar.

Efekt autozerowania

Rys. 4. Uproszczony schemat wzmacniacza stabilizowanego przetwarzaniem. Blok oznaczony na rysunku jako wzmacniacz stabilizujący stanowi wzmacniacz z przetwarzaniem, analogiczny jak na rysunku 1

W rezultacie całkowite wzmocnienie w otwartej pętli układu z rysunku 2 będzie równe w przybliżeniu iloczynowi wzmocnienia wzmacniacza zerującego i wzmocnienia wejścia zerującego wzmacniacza głównego. Z kolei całkowite napięcie niezrównoważenia takiego układu będzie równe sumie napięć offsetu wzmacniacza głównego i zerującego, podzielonej przez wzmocnienie zacisku zerującego głównego wzmacniacza. Bardzo duże wzmocnienie na tym wejściu skutkuje tym, że cały układ ma bardzo małe napięcie niezrównoważenia.

Zalety...

Zmniejszenie napięcia niezrównoważenia uzyskane dzięki zastosowaniu dynamicznej kompensacji wpływa też na poprawę innych parametrów wzmacniacza, takich jak np. CMR i PSR. Ponieważ offset jest w sposób ciągły na bieżąco korygowany, maleje też jego dryft w czasie i przy zmianie temperatury. W pierwszym wypadku osiągane są wartości w zakresie kilkudziesięciu nV/miesiąc. Dryft temperaturowy maleje do wartości nawet kilku nV/°C. Ponadto kompensacja offsetu umożliwia ograniczenie szumów 1/f, czyli zakłóceń, których gęstość widmowa mocy maleje przy wzroście częstotliwości. Ponieważ szumy te dominują w zakresie małych częstotliwości, zarówno w układzie z autozerowaniem, jak i w konfiguracji z przetwarzaniem są podobnie jak błąd offsetu usuwane.

...i wady dynamicznej kompensacji

W przypadku metody kompensacji z przetwarzaniem problemem jest wąski zakres częstotliwości sygnału wejściowego ograniczany przez częstotliwość kluczowania. Z tego powodu układ w najprostszej wersji przedstawionej na rysunku 1 znajduje zastosowanie przede wszystkim w przetwarzaniu sygnałów wolnozmiennych. Alternatywą jest układ wzmacniacza stabilizowanego przetwarzaniem (rys. 4). By rozszerzyć zakres częstotliwości sygnałów wejściowych, zastosowano w nim dodatkowy tor przetwarzania. Ponieważ jednak wzmacniacz kompensujący jest podłączony do wejścia nieodwracającego wzmacniacza głównego, cały układ może pracować wyłącznie w konfiguracji odwracającej.

Wadą układów z autozerowaniem jest z kolei zjawisko wstrzykiwania ładunku, które występuje, gdy klucze się otwierają i zamykają. Generuje to zakłócenia o częstotliwości zegara kluczującego i jej harmonicznych. W porównaniu do szumów wzmacniacza zakłócenia te mają znaczną amplitudę i stąd są poważnym źródłem błędów. Przełączanie powoduje też zniekształcenia intermodulacyjne sygnału wyjściowego, tym większe, im częstotliwość sygnału wejściowego jest bliższa częstotliwości kluczowania.

W efekcie w sygnale wyjściowym pojawiają się dodatkowe składowe o częstotliwościach sumy i różnicy częstotliwości wejściowej i kluczującej. Sposobem na zmniejszenie zniekształceń intermodulacyjnych jest zastosowanie pseudolosowej zmiany częstotliwości kluczowania. Ponadto w przypadku wzmacniaczy z autozerowaniem, w których wykorzystuje się kondensatory, problemem jest również długi czas powrotu ze stanu nasycenia wyjścia (overload recovery). Jest to problemem, zwłaszcza gdy są wykorzystywane zewnętrzne kondensatory. W układach z wbudowanymi kondensatorami problem ten jest mniej dokuczliwy, jednak nadal czas regeneracji jest rzędu milisekund.

Monika Jaworowska