Prądy polaryzacji wzmacniaczy operacyjnych

Prąd polaryzacji może zniszczyć słuchawki?

Rys. 4. Schemat komparatora temperatury nieuwzględniający prądów polaryzacji

Schemat na rysunku 2 przedstawia wzmacniacz kieszonkowy słuchawkowy zaprojektowany jako układ do samodzielnego montażu. Autor projektu zaleca zastosowanie w miarę przewidywalnego układu OPA132 ze stopniem wejściowym typu FET.

Co się stanie, gdy zamiast niego użyty zostanie teoretycznie lepszy wzmacniacz LM6172, często wybierany do zastosowań audio? Jego prąd polaryzacji wynosi 1,2μA, maks. 4μA. W najgorszym przypadku prąd ten wymusi na rezystorze R2 (jedyna droga prądu polaryzującego wejście nieodwracające) spadek 0,4V.

Prąd wejścia odwracającego płynący przez równoległe połączenie R3 i R4 wywoła tylko 3,6mV, więc można go pominąć. Napięcie tej wielkości, obecne na wejściu wzmacniacza audio przy braku sygnału użytkowego, nie może być pominięte.

W przytoczonym przykładzie wzmacniacza nieodwracającego napięcie to ulegnie wzmocnieniu 11 razy i na słuchawce podłączonej do wyjścia pojawi się stałe napięcie 4,4V. Nawet jeśli założymy prąd 1,2μA, to słuchawka i tak będzie zasilana stałym napięciem około 1,3V przy braku sygnału użytkowego.

Jeśli nie ulegnie zniszczeniu w krótkim czasie, to i tak moc dźwięku odtwarzanego bez zniekształceń będzie skutecznie ograniczona. Pierwszą próbę rozwiązania problemu podpowiada nota aplikacyjna wzmacniacza.

Wynika z niej, że wejściowy prąd niezrównoważenia jest znacznie mniejszy niż prąd polaryzacji, co pozwala z powodzeniem zastosować metodę równych impedancji widzianych z obydwu wejść wzmacniacza poprzez taki dobór rezystorów, aby spełniona była zależność R2 = R3 || R4.

Zmniejszanie rezystora R2 nie jest dobrym pomysłem ze względu na zmniejszanie impedancji wejściowej, bo rezystancja obciążająca potencjometr powinna być dziesięciokrotnie większa od jego rezystancji całkowitej oraz z uwagi na pogorszenie przenoszenia niskich częstotliwości, które trzeba wówczas ratować użyciem kondensatora wejściowego większego nie tylko pod względem wartości pojemności, ale i wymiarów, co dla wzmacniacza kieszonkowego nie jest korzystne.

Pozostaje zwiększenie R3 i R4 tak, aby uzyskać wartość jak najbliższą 100kΩ przy połączeniu równoległym. Pojawia się jednak kolejny problem - każdy z rezystorów musi mieć wartość większą od 100kΩ, zatem utrzymanie wzmocnienia w pobliżu 10 razy wymusza zastosowanie R4 o wartości ponad 1MΩ.

Rys. 5. Prawidłowe połączenie obwodu wejściowego termoogniwa

Szum termiczny wywołany przez zastosowanie tak dużych wartości rezystancji zacznie pogorszy parametry szumowe wzmacniacza. W omawianym przykładzie odstęp sygnału od szumu zmniejszy się o ponad 7dB, co może być słyszalne. Ponadto, zastosowany wzmacniacz LM6172 charakteryzuje się dużo szerszym pasmem niż proponowany w oryginalnym projekcie układ OPA132.

Konieczne będzie zatem włączenie kondensatora równolegle do rezystora R4 w celu wyeliminowania możliwości pojawienia się niepożądanych oscylacji. Aby nie spowodował on ograniczenia pasma akustycznego przy tak dużej wartości rezystora R4, musi mieć wartość poniżej 10pF.

Zastosowanie takiej wartości zmusza nas do kolejnego kompromisu związanego z utratą jakości sygnału, gdyż bardzo trudno zdobyć kondensatory polipropylenowe lub polistyrenowe o tak małych wartościach pojemności.

Analiza tak prostego projektu pokazuje, że warto przeanalizować wpływ prądu polaryzacji na dany obwód już na etapie wyboru wzmacniacza operacyjnego, aby uniknąć lawiny problemów z doborem elementów czy utrzymaniem parametrów układu.

Dlaczego nie działa?

Rys. 6. Filtr dolnoprzepustowy

Rozważmy teraz najprostszy układ porównujący temperaturę w punkcie pomiaru z temperaturą odniesienia, w której znajduje się układ pomiarowy. Wykorzystuje on termoogniwo, na którego wolnych końcach powstaje siła termoelektryczna proporcjonalna do różnicy pomiędzy temperaturą złącza i wolnych końców.

Wzmacniacz operacyjny, jako układ o bardzo dużym wzmocnieniu w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego, którego napięcie wyjściowe zależy od różnicy napięć na wejściach, nadaje się doskonale do budowy prostego komparatora temperatury.

Układ przedstawiony na rysunku 4 powinien, przy różnicy temperatur między złączem a wolnymi końcami termoogniwa, mieć napięcie bliskie dodatniemu lub ujemnemu napięciu zasilania, które ulega przełączeniu na przeciwne, gdy temperatura złącza przechodzi przez wartość równą temperaturze układu pomiarowego.

Układ jednak nie zadziała, ponieważ warunkiem prawidłowego zadziałania rzeczywistego wzmacniacza jest, jak już wspomniano, zapewnienie przepływu wejściowego prądu polaryzacji.

Ponieważ prądy polaryzacji wejść nigdy nie są równe i zwykle mają ten sam zwrot, nie jest możliwe, przepływ obydwu prądów w zamkniętej pętli termoogniwa. Na szczęście rozwiązanie problemu jest w tym przypadku bardzo proste. Wystarczy dołączyć jeden z przewodów wejściowych do masy (rys. 5), umożliwiając właściwą polaryzację każdego z wejść wzmacniacza.