Maksymalne dopuszczalne natężenie prądu pobieranego przez wzmacniacz operacyjny może być wysokie

Rys. 1. Klasyczny bipolarny stopień wyjściowy

Przy obliczaniu parametrów zasilania dla najbardziej niekorzystnych warunków nie zawsze można polegać na podawanej w danych technicznych wartości maksymalnego prądu. Wiadomo, że prąd zasilania cyfrowych układów CMOS wzrasta wraz ze wzrostem częstotliwości zegarowej, ale jak to jest w układach analogowych, a zwłaszcza we wzmacniaczach operacyjnych? Czy za maksimum można przyjąć prąd zasilania plus prąd dostarczany do obciążenia? (jak zapewne można się domyśleć - nie zawsze...).

Wzmacniacze są przystosowane do pracy w zamkniętej pętli, a komparatory w otwartej. Pomimo oczywistości tego stwierdzenia, w praktyce często się o tym zapomina. Problem ten pojawia się, gdy wzmacniacz operacyjny jest używany w roli komparatora. Jest to kuszące, ponieważ wiele wzmacniaczy operacyjnych ma bardzo mały offset i bardzo niskie szumy, co prowokuje do używania ich jako precyzyjnych komparatorów.

Tym bardziej że za graficzny symbol obu układów przyjęto taki sam trójkąt z jednym wyjściem i dwoma wejściami. Gdy wzmacniacz operacyjny jest zasilany napięciami ±15 V, a sygnał wejściowy mieści się w granicach ±10 V, takie rozwiązanie jest dopuszczalne, zwłaszcza po dodaniu niewielkiej histerezy dla uniknięcia oscylacji i przyspieszenia przechodzenia przez obszar niepewności.

Rys. 2. Stopień wyjściowy rail-to-rail

Problem zaostrzył się, gdy pojawiły się wzmacniacze operacyjne rail-to-rail. Wraz z obniżeniem się napięć zasilających układy elektroniczne częstym sposobem utrzymania maksymalnego napięciowego zakresu sygnałów wyjściowych stała się zamiana klasycznego układu stopnia wyjściowego na układ rail-to-rail. Schemat klasycznego układu wyjściowego jest pokazany na rysunku 1.

Chwilowa wartość napięcia wyjściowego nie może się w takim układzie zbliżyć do napięcia zasilania o więcej niż o około 1 V. Ze zmianą konfiguracji stopnia wyjściowego na układ ze wspólnym emiterem, jak na rysunku 2, uzyskuje się zakres napięcia wyjściowego rail-to-rail o marginesie tylko 50-100 mV, zależnym od tranzystorów wyjściowych i prądu obciążenia.

Porównanie tych dwóch konfiguracji prowadzi do trzech ważnych obserwacji:

• układ klasyczny charakteryzuje się wzmocnieniem prądowym, ale wzmocnieniem napięciowym mniejszym od jedności oraz bardzo niską impedancją wewnętrzną,
• układ rail-to-rail jest stopniem o wspólnym emiterze, a zatem o wzmocnieniu napięciowym gm·RL, przy czym RL składa się z impedancji wewnętrznej tranzystora (RO) i impedancji obciążenia. RO jest bardzo duża, a zatem pomijalna, o ile napięcie wyjściowe różni się od napięcia zasilania o co najmniej kilkaset mV. W przeciwnym razie - nie.

Rys. 3. Pomiar prądu zasilania wzmacniacza operacyjnego

Stopień wyjściowy można uważać za klasyczne dwutranzystorowe lustro prądowe. I to jest istotą problemu. Przy działaniu normalnym węzeł baza- kolektor stopnia końcowego podąża w dół za stopniem pośrednim, zwiększając napływ prądu do obciążenia i podnosząc napięcie. Gdy działa ujemne sprzężenie zwrotne, wzrost napięcia wyjściowego pociąga za sobą zmniejszenie wysterowania, aż do zrównoważenia pętli.

W konfiguracji komparatora stopień pośredni pociąga w dół węzeł baza-kolektor, ale bez przeciwdziałania sprzężenia zwrotnego działanie to jest dalej kontynuowane, wywołując dodatkowy wzrost prądu z zasilacza. Istnieje kilka różnych sposobów sterowania stopniem wyjściowym, a wraz ze zróżnicowaniem mobilności dziur i elektronów wzrost prądu zasilania zwykle nie jest symetryczny.

Test bezpośredni

Tabela 1. Natężenie prądu pobieranego z zasilacza

Do ilościowego ujęcia tego zjawiska wzięto wzmacniacze operacyjne, bipolarny i CMOS, firmy Analog Devices oraz trzech głównych firm współzawodniczących. Do porównania włączono powszechnie znany podwójny wzmacniacz operacyjny LM358 (nie rail-to-rail) i podwójny komparator LM393. Prąd zasilania był mierzony przy różnych napięciach zasilania w trzech różnych połączeniach.

Na rysunku 3 przedstawiono klasyczną metodę pomiaru prądu zasilania wzmacniacza operacyjnego, z pominięciem prądu dzielnika napięcia. W układzie użyto dwóch miliamperomierzy, co zapewnia dokładność pomiaru i upewnia o eliminacji niepożądanych ścieżek przez doprowadzenia wejściowe. Wielkości rezystorów nie są istotne, muszą one jedynie zapewnić zgodne z danymi technicznymi napięcie wejściowe.

Pomiarów prądu w układach z otwartą pętlą, jak w komparatorze, dokonywano według schematów na rysunku 4 i rysunku 5. W niektórych niskoszumowych bipolarnych wzmacniaczach operacyjnych wejścia różnicowe są chronione diodami, zatem maksymalne napięcie różnicowe jest wtedy w danych technicznych podawane ±0,7 V.

Rys. 4. Pomiar prądu zasilania komparatora z wyjściem w stanie niskim

Jeżeli obwody wejściowe zawierają rezystory szeregowe, ich rezystancja zawiera się w granicach od 500 Ω do 2 kΩ. Maksymalne napięcie różnicowe w tabeli wartości maksymalnych może być podane ± (napięcie zasilania), nie znaczy to jednak, że w takich warunkach układ działa. Trzeba to sprawdzić w uproszczonym schemacie wewnętrznym układu.

W razie jego braku informacji można zasięgnąć telefonicznie u producenta. W dwóch konfiguracjach pomiaru komparatorów wybór wartości rezystora jest nieco ważniejszy. Powinna ona być na tyle niska, aby wejściowe napięcie różnicowe wynosiło co najmniej 0,5 V, co zapewni silne wysterowanie wyjścia do poziomu zasilania, ale też na tyle wysoka, aby wewnętrznym diodom nie groziło zniszczenie.

Wybrano rezystancję ograniczającą prąd wejściowy do mniej niż 1 mA. Klasyczny wzmacniacz operacyjny i komparator: dane w tabeli wykazują, że klasyczne LM358 i LM393 zachowywały się zgodnie z oczekiwaniami. Bipolarne wzmacniacze operacyjne rail-to-rail: dane w tabeli wykazują, że wszystkie układy pobierały prąd wyższy od dopuszczalnego w jednej lub obu konfiguracjach.

Stopień wyjściowy może być wysterowany na różne sposoby, które uzależniają wzrost natężenia od wysterowania do plusa lub minusa. Trudno to uzasadnić bez znajomości schematów wewnętrznych. Uproszczony schemat pośredniego i końcowego stopnia układu OP284 jest pokazany na rysunku 6. Jeżeli U_WYJ jest w stanie wysokim za pośrednictwem T4- T3-T5, to prąd zasilania będzie zależał od rezystancji R4 i R6.

Są one dobrane do optymalizacji działania i minimalizacji obszaru martwego, a nie działania komparacyjnego. Jeżeli U_WYJ jest w stanie niskim za pośrednictwem T1-R1-T6, to prąd zasilania jest wyznaczony przez R1. A R1 i I1 są również dobrane do optymalizacji wzmacniacza operacyjnego, a nie komparatora.

Wzmacniacze operacyjne CMOS

Rys. 5. Pomiar prądu zasilania komparatora z wyjściem w stanie wysokim

Ciekawe jest zachowanie się wzmacniaczy operacyjnych CMOS. W niektórych przypadkach wysterowanie zbliżające napięcie wyjściowe do zasilającego wywoływało zmniejszenie poboru prądu. Stopień wyjściowy wzmacniacza operacyjnego CMOS składa się z tranzystorów PMOS i NMOS o wspólnym źródle, o wzmocnieniu g_m·RL. Stopień sterujący ustala odpowiedni prąd spoczynkowy tranzystorów dla zapewnienia g_m właściwej wartości.

Gdy wysterowanie zbliża napięcie wyjściowe do zasilającego, maleje wysterowanie tranzystora komplementarnego, powodując zmniejszenie prądu w zależności od charakterystyki sprzężenia tranzystora górnego z dolnym. Spore różnice w działaniu czterech wzmacniaczy operacyjnych CMOS widoczne są w tabeli.

Obwody polaryzujące wraz z obwodami rozruchowymi są w niektórych układach podwójnych wspólne, dla zaoszczędzenia rozmiarów i kosztu. Gdy jeden ze wzmacniaczy zostaje wytrącony z normalnego punktu pracy, wtedy wywołuje zakłócenie działania obwodu polaryzującego, które z kolei zakłóca także działanie i drugiego wzmacniacza.

W systemach bateryjnych lub gdy stosuje się niskoprądowe stabilizatory zasilające, powinno się przewidzieć większy zapas prądu zasilania. Także czas działania baterii może się okazać mniejszy od przewidzianego lub w niektórych warunkach, zwłaszcza temperaturowych, może nie nastąpić rozruch stabilizatora.

Rys. 6. Uproszczony schemat pośredniego i wyjściowego stopnia układu OP284

A zatem wskazówki mogą być następujące:

• najprościej nie używać wzmacniaczy operacyjnych jako komparatorów,
• poszukać w danych technicznych ewentualnych uwag o używaniu wzmacniacza w roli komparatora,
• zwrócić się do producenta z pytaniem,
• spróbować dokonać samemu pomiarów, podobnie do opisanych i dodać 50% współczynnik bezpieczeństwa.

Podsumowanie

Stosowane w roli komparatorów wzmacniacze operacyjne rail-to-rail zachowują się w bardzo specyficzny sposób. Prąd zasilania, który pobierają, może znacznie przekraczać wartość dopuszczalną.

Najlepszym sposobem poprawy działania i zaoszczędzenia baterii jest użycie tańszych komparatorów tam gdzie potrzeba, odłączając wolne sekcje wzmacniaczy operacyjnych i przyłączać je w postaci wtórników nieodwracającymi wejściami do stabilnych napięć w granicach zakresu działania.

Warto używać pojedynczych lub podwójnych wzmacniaczy zamiast poczwórnych. W starannie sprawdzonych warunkach można stosować wzmacniacze operacyjne, ale najlepszym rozwiązaniem jest używanie wzmacniaczy i komparatorów we właściwy dla nich sposób.

KKP