Unikanie błędów w projektowaniu układów ze wzmacniaczami operacyjnymi

Wpływ doprowadzeń polaryzacji

Rys. 1. Zasilany dwoma napięciami wzmacniacz operacyjny z nieprawidłowym sprzężeniem wejścia zmiennoprądowego

Rys. 2. Poprawny sposób sprzężenia zmiennoprądowego wejścia wzmacniacza operacyjnego, zasilanego dwoma napięciami

Na rys. 1. przedstawiono schemat, w którym nie uwzględniono doprowadzeń polaryzacji. Do wejścia nieodwracającego wzmacniacza operacyjnego jest przyłączony tylko kondensator sprzęgający. Sprzężenie zmiennoprądowe jest łatwym sposobem odcinania napięcia stałego. Jest ono szczególnie użyteczne we wzmacniaczach o dużym wzmocnieniu, gdy nawet małe napięcie stałe może ograniczyć ich zakres dynamiczny. Ale sprzężenie zmiennoprądowe wejścia o wysokiej impedancji bez połączenia stałoprądowego prowadzi do całkowitego zablokowania wzmacniacza. Prąd polaryzacyjny, zależnie od kierunku przepływu, może bowiem naładować kondensator sprzęgający aż do pełnego dodatniego lub ujemnego napięcia zasilania.

Szczególnej uwagi wymaga wzmacniacz z wejściem FET, gdy pojemność kondensatora sprzęgającego jest duża, ponieważ zablokowanie wzmacniacza może nastąpić po stosunkowo długim czasie. Szybki test może tego błędu nie wykryć, a błędnie zmontowany układ przestanie działać dopiero w rzeczywistej aplikacji. Zapobieżenie takiemu błędowi jest więc niezwykle ważne. Sposób jego uniknięcia przedstawiono na schemacie na rys. 2. Zastosowano w nim rezystor polaryzujący, który łączy wejście wzmacniacza z masą. W przypadku bardzo małych prądów polaryzacji, rezystancję R₁ przyjmuje się jako równą równoległemu połączeniu R₂ i R₃. Trzeba jednak pamiętać, że rezystor ten zawsze wprowadza do układu pewien szum, konieczny jest więc kompromis pomiędzy impedancją wejściową, pojemnością kondensatora sprzęgającego i wprowadzanym przez rezystor szumem Johnsona. W praktyce R₁ powinien mieć wartość pomiędzy 100kΩ a 1MΩ.

Rys. 3a. Przykłady nieprawidłowych wejściowych obwodów sprzęgających wzmacniaczy pomiarowych

Rys. 3b. Przykłady nieprawidłowych wejściowych obwodów sprzęgających wzmacniaczy pomiarowych

Rys. 4. Nieprawidłowy transformatorowy obwód wejściowy wzmacniacza pomiarowego

Podobne problemy wiążą się ze wzmacniaczami pomiarowymi. Na rys. 3. pokazano schematy wzmacniaczy z dwukondensatorowym sprzężeniem zmiennoprądowym, bez odprowadzania prądu polaryzacji i zasilanych jednym lub dwoma napięciami. Podobnym błędem projektowym jest obarczony wzmacniacz ze sprzężeniem transformatorowym, który przedstawiono na rys. 4.

Proste sposoby eliminacji opisanych powyżej błędów pokazane są na rys. 5. i 6. W układzie oznaczonym jako 5A, zasilanym dwoma napięciami, pomiędzy każde z wejść a masę wprowadzono rezystory o wysokiej rezystancji (R_a i R_b). W układzie 5B, z zasilaniem pojedynczym, wejścia łączy się albo z masą albo z napięciem pośrednim, które zwykle jest równe połowie zakresu napięcia wejściowego.

Na rys. 6. pokazano skorygowany układ wzmacniacza z wejściem transformatorowym. W układzie takim, w przypadku gdy rezystory R_a i R_b nie są identyczne, może pojawić się błąd polaryzacji wejść. Aby go wyeliminować należy wprowadzić bocznik w postaci trzeciego rezystora o oporności mniej więcej 10-krotnie mniejszej. Jeśli uzwojenie wtórne transformatora ma wyprowadzony połączony z masą środek, rezystory polaryzacyjne nie są w ogóle potrzebne.

Rys. 5a. Rezystory o wysokiej oporności, łączące każde z wejść z masą, umożliwiają przepływ prądów polaryzacyjnych

Rys. 5b. Rezystory o wysokiej oporności, łączące każde z wejść z masą, umożliwiają przepływ prądów polaryzacyjnych

Rys. 6. Poprawne transformatorowe sprzężenie wejściowe wzmacniacza pomiarowego

Napięcie odniesienia

Na rysunku 7 przedstawiono wzmacniacz pomiarowy zasilany pojedynczym napięciem, który steruje przetwornikiem analogowo-cyfrowym. W wielu takich układach, do generowania napięć odniesienia wzmacniacza i przetwornika stosuje się np. dzielniki rezystorowe. Trzeba jednak pamiętać, że napięcia te mogą być całkiem różne. Często przetwornik jest sprzęgany ze wzmacniaczem za pośrednictwem prostego filtra dolnoprzepustowego, który redukuje szumy.

Napięcie odniesienia wzmacniacza pomiarowego

Wysoka impedancja źródła napięcia odniesienia dla wzmacniacza pomiarowego uniemożliwia jego poprawne działanie, zwłaszcza gdy składa się on z trzech wzmacniaczy operacyjnych lub ich scalonego odpowiednika. Zostało to przedstawione na rys. 8, który ukazuje wzmacniacz pomiarowy o standardowej architekturze, złożony z trzech wzmacniaczy operacyjnych.

Rys. 7. Przykład typowego układu wzmacniacza pomiarowego, sterującego przetwornik analogowo-cyfrowy

Rys. 8. Niewłaściwy sposób użycia dzielnika napięciowego, doprowadzającego napięcie odniesienia do wzmacniacza pomiarowego

Rys. 9. Użycie wzmacniacza operacyjnego w formie bufora o niskiej impedancji wyjściowej, który doprowadza napięcie odniesienia do wzmacniacza pomiarowego

Rys. 10. Użycie w obwodzie napięcia odniesienia filtra dolnoprzepustowego z buforem, zapewniającego wysoki PSRR

Rys. 11. Użycie filtra dolnoprzepustowego z buforem, który został wykorzystany równocześnie w roli filtra aktywnego, w obwodzie napięcia odniesienia. Taka konstrukcja zapewnia wysoki PSRR

Rys. 12. Nieodwracający wzmacniacz operacyjny, zasilany pojedynczym napięciem, z poprawnym odsprzęganiem wejściowego napięcia polaryzacyjnego

Rys. 13. Odwracający wzmacniacz operacyjny, zasilany pojedynczym napięciem, z poprawnym odsprzęganiem wejściowego napięcia polaryzacyjnego

Na wzmacniacz podawane jest napięcie odniesienia ze zwykłego rezystorowego dzielnika napięcia. Dzielnik ten jest bezpośrednio połączony z rezystorem R₄, który stanowi część obwodu odejmującego R₃ i R₄. Wypadkowa rezystancja pomiędzy R₄ i masą jest sumowana z R₄, co zniekształca działanie układu odejmującego. W rezultacie tłumienie sygnału wspólnego zostaje zmniejszone, a wzmocnienie ulega zmianie. Obniżeniem rezystancji dzielnika można ten efekt częściowo zmniejszyć, ale odbywa się to kosztem zwiększenia poboru mocy.

Na rys. 9. przedstawiono lepsze rozwiązanie, w którym wprowadzono buforowy wzmacniacz operacyjny o bardzo małej impedancji wyjściowej. Sposób ten nie eliminuje jednak problemu braku tłumienia wpływu napięcia zasilania.

Tłumienie wpływu napięcia zasilania

Tłumienie wpływu napięcia zasilania na parametry wzmacniaczy pomiarowych i operacyjnych jest bardzo ważne, ale często zapominane. Tłumienie to ogranicza przedostawanie się do wzmacniaczy tętnień, szumów i wszelkich wahań napięcia zasilającego. Zasilacze nie są idealne, a wszelkie niepożądane przebiegi zmienne mogą się z nich przedostawać do zasilanego układu, być wzmacniane, a nawet wzbudzać niekorzystne oscylacje.

We wszystkich nowoczesnych wzmacniaczach operacyjnych i pomiarowych wpływ napięcia zasilającego jest w znacznym stopniu ograniczony przez ich konstrukcję. Współczynnik tłumienia wpływu napięcia zasilania (PSRR) współczesnych wzmacniaczy operacyjnych i pomiarowych mieści się zwykle w granicach od 80 do 100dB. Jednak, jeśli do przekazywania napięcia odniesienia użyje się zwykłego dzielnika, bez filtra dolnoprzepustowego, PSRR przyjmuje wartość 1 i wszelkie wahania napięcia zasilania bezpośrednio wpływają na poziom napięcia wyjściowego wzmacniacza.

Na rys. 10. pokazano sposób, w jaki można zachować wysoką wartość PSRR poprzez odfiltrowanie źródła napięcia odniesienia, przy zachowaniu niskiej impedancji. W układzie tym biegun -3dB filtra wyznacza jego stała czasowa, równa 1/2πRC_f, gdzie R oznacza równoległe połączenie R₁ i R₂. W przypadku użycia dwóch rezystorów 100kΩ i kondensatora 100μF, częstotliwość w biegunie wynosi około 0,03Hz. Dodatkowy niewielki kondensator, bocznikujący rezystor sprzężenia zwrotnego 50kΩ, usuwa wszelkie szumy rezystorowe. Trzeba pamiętać, że wskutek dużej stałej czasowej filtra napięcie odniesienia ustala się po co najmniej 5s od włączenia układu.

Układ na rys. 11. zawiera kolejne usprawnienia. Buforujący wzmacniacz operacyjny został w tym układzie wykorzystany dodatkowo w roli filtra aktywnego, umożliwiając użycie w filtrze dolnoprzepustowym kondensatora o znacznie mniejszej pojemności. Dzięki dużej dobroci filtra aktywnego czas ustalania się napięcia odniesienia skrócił się. Przy małym sygnale wejściowym układ można zasilać napięciem od +4V do ponad +25V.

Odsprzęganie wzmacniaczy operacyjnych, zasilanych pojedynczym napięciem

Wzmacniacze operacyjne z pojedynczym zasilaniem są zwykle polaryzowane napięciem zasilającym za pośrednictwem dzielnika napięciowego. Dla zachowania wysokiego PSRR wymagają zatem odpowiedniego odsprzęgania. W układach takich bardzo często do tego celu niewłaściwie stosuje się dzielnik 100kΩ/100kΩ i kondensator 0,1μF, które dostarczają napięcia polaryzacji do wejścia nieodwracającego wzmacniacza.

Takie odsprzęganie jest niewystarczające, ponieważ częstotliwość bieguna wynosi aż 300Hz. Wywołuje to często niestabilność, zwłaszcza przy obciążeniach indukcyjnych. Na rys. 12 i 13 pokazano przykładowe schematy pojedynczo zasilanych wzmacniaczy: nieodwracającego i odwracającego.

W przypadku dzielnika 100kΩ/100kΩ należy użyć kondensatora C₂ o pojemności co najmniej 10μF uzyskując częstotliwość 0,3Hz. Pojemność 100μF, dla której uzyskuje się częstotliwość 0,03Hz wystarczy praktycznie w każdym przypadku.

Krzysztof Pochwalski