Prądy polaryzacji wzmacniaczy operacyjnych

Rys. 1. Wejściowe prądy polaryzacji

Niestety, parametry rzeczywistych wzmacniaczy operacyjnych mogą okazać się na tyle istotne w konkretnym zastosowaniu, że ich pominięcie sprowadzi na projektanta kłopoty. Zawsze należy pamiętać o tym, że model idealnego wzmacniacza operacyjnego można stosować wtedy, gdy wzmacniacz pracuje w obszarze liniowym.

Taką pewność mamy dopiero po analizie wpływu parametrów rzeczywistych wzmacniacza na projektowany układ. Zaprezentowane w artykule przykłady problemów spowodowanych przez wejściowe prądy polaryzacji pokazują, dlaczego jest to tak istotne - niefrasobliwe zapominanie o ich istnieniu może skutkować zaskakującym niedziałaniem układu.

Prąd polaryzacji - nie taki mały jak się wydaje

Rys. 2. Prąd polaryzacji wytwarza dodatkowe napięcie niezrównoważenia

Model idealnego wzmacniacza operacyjnego zakłada nieskończoną impedancję wejściową, czyli brak prądu wejściowego wpływającego do obydwu wejść. Rzeczywisty wzmacniacz charakteryzuje się określonymi wartościami prądu polaryzacji (bias current) każdego z wejść, zgodnie z rysunkiem 1.

W przypadku wzmacniaczy z wejściowym stopniem różnicowym zbudowanym w oparciu o tranzystory bipolarne jest to prąd bazy tych tranzystorów, który potrzebny jest do polaryzacji wewnętrznych układów wzmacniacza. W przypadku wejść z tranzystorami polowymi jest to prąd wynikający z upływności bramki.

Wartości prądów Ib1 i Ib2 zwykle się różnią, a w zależności od struktury stopnia wejściowego płyną w jednym kierunku (proste stopnie wejściowe z tranzystorami bipolarnymi lub polowymi) lub mogą zmieniać kierunek w zależności od warunków pracy (złożone stopnie wejściowe spotykane we wzmacniaczach ze sprzężeniem prądowym lub z kompensacją prądu polaryzacji).

W pierwszym przypadku zwykle podaje się wartość prądu polaryzacji jako średnią prądów wpływających do obydwu wejść oraz wartość prądu niezrównoważenia (off set current) jako różnicę pomiędzy tymi prądami. Jeśli prądy polaryzacji obydwu wejść mocno się różnią i zmieniają kierunek, zwykle podaje się tylko ich graniczne możliwe wartości.

Warto w tym miejscu wspomnieć o znanej metodzie zmniejszenia wpływu prądu polaryzacji na pracę układu, polegającej na zastosowaniu równych rezystancji widzianych z obydwu wejść. Niestety - jest ona skuteczna tylko przy małych wartościach prądu niezrównoważenia w stosunku do wartości prądu polaryzacji, tzn. gdy prądy wpływające do obydwu wejść są w przybliżeniu równe.

W przypadku wzmacniaczy z wewnętrzną kompensacją prądu polaryzacji, stosowanie dodatkowych rezystancji może nawet pogorszyć pracę układu. W tabeli 1 zgromadzono przykładowe wartości prądów polaryzacji wzmacniaczy wykonanych w różnych technologiach.

Tabela 1. Prądy polaryzacji i niezrównoważenia wybranych modeli wzmacniaczy

Generalnie stopnie wejściowe z tranzystorami bipolarnymi charakteryzują się większymi wartościami prądu polaryzacji niż wejścia z tranzystorami polowymi, jednak w tych drugich prąd podwaja się ze wzrostem temperatury o każde 10°C, czyli przy wzroście temperatury o 100°C rośnie 1000-krotnie. Prąd polaryzacji bywa też większy we wzmacniaczach projektowanych z myślą o wysokich częstotliwościach pracy niż w produktach ogólnego przeznaczenia.

Niezależnie od wybranego modelu wzmacniacza należy zawsze mieć na uwadze to, że prąd polaryzacji po prostu musi popłynąć, aby wzmacniacz mógł zadziałać. Ponieważ musi płynąć przez elementy zewnętrzne, powoduje powstawanie spadków napięć, których wartość zależy od impedancji elementów w obwodzie wejściowym (rys. 2).

Napięcia te ulegają często wzmocnieniu i mogą powodować pojawienie się nieoczekiwanego, znaczącego napięcia niezrównoważenia na wyjściu przy braku sygnału wejściowego, czyniąc układ bezużytecznym. Przykładowo - niezbyt duży, często pomijany prąd rzędu 100nA na rezystorze o wartości 100kΩ wytworzy napięcie 10mV.

Takie napięcie powstałe w obwodzie wejściowym prawie nigdy nie jest pomijalne. Gdy zostanie ono wzmocnione przez układ o wzmocnieniu 100, na wyjściu pojawią się wartości niedopuszczalne dla większości zastosowań.

Rys. 3. Schemat wzmacniacza słuchawkowego

Ciekawsze efekty zaskakują projektanta, który zapominając o prądzie polaryzacji, przypadkiem "postawił" na jego drodze kondensatory. Jeśli prąd polaryzacji nie ma zapewnionej stałoprądowej ścieżki do masy lub innego punktu zasilania, to układ działa tak długo, jak długo będą ładowały się pojemności na ścieżce prądu polaryzacji.

Albo więc nie zadziała w ogóle, albo przy zastosowaniu dużych pojemności i wzmacniaczy o małym prądzie polaryzacji będzie działał przez pewien krótki czas od momentu włączenia zasilania. Poniższe przykłady, chyba najbardziej popularnych zastosowań wzmacniaczy operacyjnych, jak wzmacniacz audio, wzmacniacz pomiarowy, filtr aktywny, ilustrują wspomniane problemy w oparciu o rzeczywiste układy.