Prądy polaryzacji wzmacniaczy operacyjnych

Zbyt mało aktywny filtr dolnoprzepustowy

Rys. 7. Modyfi kacja fi ltru rozwiązująca problem prądów polaryzacji z zachowaniem przenoszenia składowej stałej sygnału

Prawdopodobieństwo tego, że prąd polaryzacji sprawi kłopoty, rośnie ze wzrostem komplikacji układu, kiedy rośnie liczba problemów związanych z samym osiągnięciem założeń projektowych. Dobrym przykładem jest tutaj układ dolnoprzepustowego filtru aktywnego.

Wysiłek projektowy związany z uzyskaniem pożądanej funkcji przejścia filtru jest na tyle duży, że o prądzie polaryzacji myśli się albo w końcowej fazie symulacji gotowego filtru, albo niestety dopiero po uruchomieniu urządzenia.

Transmitancja filtru obliczona w oparciu o założenia modelu idealnego wzmacniacza operacyjnego dość dobrze odpowiada rzeczywistej pod warunkiem zapewnienia pracy wzmacniacza w obszarze liniowym. Wspólne napięcie wejściowe i napięcie wyjściowe nie mogą zatem wyjść poza zakres wyznaczony przez napięcia zasilania z zachowaniem marginesu odpowiedniego dla danego modelu wzmacniacza.

Zmiennoprądowa symulacja filtru 7. rzędu przedstawionego na rysunku 6 i nawet z użyciem rzeczywistych modeli wzmacniaczy potwierdza prawidłową transmitancję filtru. Jednak przy próbie uruchomienia układu okazuje się, że jego działanie jest zgodne z oczekiwaniami jedynie przez pewien czas od uruchomienia.

Pomiary dokonywane oscyloskopem lub nawet multimetrem w celu zlokalizowania problemu w tajemniczy sposób pobudzają filtr do pracy, jednak po odłączeniu sondy sytuacja się powtarza. Dlaczego? Otóż w każdej pionowej gałęzi układu wejście nieodwracające jednego ze wzmacniaczy operacyjnych jest połączone z resztą układu jedynie poprzez pojemności.

Niezależnie od sygnału wejściowego, składowe stałe pochodzące od prądu polaryzacji w każdej z gałęzi układu ładują kondensatory, powodując powolny wzrost napięcia wspólnego aż do wartości bliskich jednemu z napięć zasilania, dając nasycenie stopni wyjściowych wzmacniaczy.

Sonda oscyloskopowa stanowi natomiast obciążenie punktu pomiarowego równoległym połączeniem dużej rezystancji (rzędu kilku MΩ) i małej pojemności (kilka pF). Powstaje więc ścieżka stałoprądowa, przez którą prąd polaryzacji może popłynąć do masy.

Kilka metod radzenia sobie z problemem prądu polaryzacji

Rys. 8. Filtr dolnoprzepustowy niewrażliwy na prądy polaryzacji dokładnie przenoszący składową stałą kosztem zafalowań w paśmie przepustowym

Dodatkowy rezystor na wyjściu to metoda najprostsza i polega na obciążeniu wyjścia lub dowolnego punktu w łańcuchu rezystorów dodatkowym rezystorem rzędu megaomów. Rozwiązanie to ma jednak poważną wadę.

Z definicji filtru dolnoprzepustowego wynika, że wzmocnienie składowej stałej jest równe wzmocnieniu składowej zmiennej w paśmie przepustowym filtru. W układzie filtru o wzmocnieniu składowej stałej decydują pojemności CS i CL.

Rezystor włączony w którykolwiek punkt łańcucha, zwykle równolegle do CL, stworzy w połączeniu z CS sekcję górnoprzepustową i całość zmieni się w filtr pasmowoprzepustowy. Dodatkowy dzielnik wejściowy - aby utrzymać ściśle dolnoprzepustowy charakter filtru, trzeba umożliwić przepływ prądu stałego od wejścia do wyjścia, podobnie jak miało to miejsce w pierwotnym układzie RLC.

Załatwia to rezystor włączony równolegle do CS. Ponieważ na utworzony w ten sposób dzielnik składają się oprócz rezystorów dodatkowych również rezystory łańcucha, warto rezystor włączony wcześniej równolegle do CL przenieść na wejście tak jak na rysunku 7.

Dzięki temu łatwiej uzyskuje się pożądane wzmocnienie dla napięć stałych - wystarczy, aby obydwa rezystory miały taką samą rezystancję (rezystory w łańcuchu nie wpływają już na wzmocnienie). Pozostaje dobrać wartość nowych elementów.

Okazuje się, że zbyt mała wartość w porównaniu do sumy pozostałych rezystancji łańcucha powoduje powstanie zafalowań charakterystyki amplitudowej i fazowej w paśmie przepustowym. Zaleca się stosowanie wartości R=50·ΣRn, a w razie konieczności nie mniejszej niż 12·ΣRn.

W pewnych przypadkach jednak układ nie będzie wystarczająco dokładny dla napięć stałych. Przyczyna dalszych problemów jest taka sama jak we wcześniej omawianym przykładzie wzmacniacza kieszonkowego.

Ponieważ rezystancje dodane w celu stworzenia ścieżki stało prądowej dla prądów polaryzacji muszą być stosunkowo duże, aby utrzymać transmitancję rzeczywistą bliską zaprojektowanej, duże będą też spadki napięć wywołane przez te prądy. Pojawia się problem zbyt dużego napięcia niezrównoważenia na wyjściu układu.

Ta sytuacja zmusza do stosowania wzmacniaczy o tym mniejszym prądzie polaryzacji, im ostrzejsze są wymagania w tym zakresie. Modyfikacja topologii - czasem warto zmodyfikować topologię zastosowanego filtru. Problemy zaczęły się od tego, że pewne punkty obwodu były otoczone pojemnościami.

Jako szczególnie uciążliwy jawi się kondensator CS. Pozwala on uzyskać maksymalnie płaską charakterystykę w paśmie przepustowym. Jest to niezwykle istotne w niektórych aplikacjach (np. filtry antyaliasingowe w układach akwizycji danych), ale w wielu przypadkach można pogodzić się z pewnym poziomem zafalowań, tym bardziej jeśli rozwiązałoby to większość przedstawionych powyżej problemów.

Jeśli zatem zafalowania są akceptowalne, usunięcie kondensatora CS z filtru przynosi szereg korzyści w porównaniu do pierwotnego projektu:

• prąd polaryzacji znajduje drogę poprzez rezystancję wyjściową źródła
• napięcia wynikające z przepływu prądów polaryzacji są pomijalne ze względu na brak dużych rezystancji
• układ ma wejście sprzężone stało prądowo
• nie ma źródeł wyjściowego napięcia niezrównoważenia (napięcia niezrównoważenia wzmacniaczy nie przenoszą się na wyjście)
• wzmocnienie równe 1 w paśmie przepustowym

Taką wersję filtru przedstawia rysunek 8.

Podsumowanie

Powyższe przykłady przekonują, że nawet gdy nie sposób uwzględnić prądów polaryzacji na etapie projektowania, to pamiętający o nich projektant ma większe szanse obronić się przed ich wpływem już na etapie symulacji.

Można bowiem, po zadośćuczynieniu głównym założeniom projektowym, od razu wprowadzić niezbędne modyfikacje związane z prądami polaryzacji i jeszcze przed montażem urządzenia skorygować pozostałą część obwodu.

W wielu przypadkach do dyspozycji jest też kilka alternatywnych topologii układu realizujących pożądaną funkcjonalność - wtedy znajomość wpływu parametrów rzeczywistych wzmacniaczy na każdą z nich pomaga dokonać trafnego wyboru.

Arkadiusz Golec