Wzmacniacze operacyjne w układach w.cz.

Wachlarz potencjalnych zastosowań wzmacniaczy operacyjnych jest bardzo szeroki. Służą one do budowy generatorów, filtrów aktywnych, regulatorów, sumatorów oraz wielu innych układów, bez których współczesna elektronika nie mogłaby się obejść. Wzmacniacze operacyjne występują w wielu specjalizowanych odmianach, m.in. niskoszumowych i precyzyjnych (o bardzo małym wejściowym napięciu niezrównoważenia), jako układy energooszczędne z przeznaczeniem do aplikacji zasilanych bateriami lub jako nadajniki i odbiorniki linii transmisyjnych.

W grupie nowych produktów można wyróżnić wzmacniacze przeznaczone do pracy z bardzo szybkimi sygnałami. Współczynnik slew-rate przekracza 10kV/μs (Texas Instruments THS3201), co oznacza, że napięcie wyjściowe może się zmienić o 1V w ciągu zaledwie 0,1ns.

Wzmacniacze w.cz.

Jakkolwiek wzmacniacze operacyjne funkcjonują w świecie elektroniki od ponad czterdziestu lat, zastosowanie ich w układach w.cz. wymaga nowego spojrzenia na wybrane problemy projektowe jak odmiennej interpretacji niektórych parametrów. Przed projektantem stoi też zadanie uwzględnienia pewnych zjawisk typowych dla sygnałów w.cz.

Do realizacji wzmocnienia w zakresie częstotliwości radiowych stosowane są tranzystory bipolarne lub polowe. W tego typu projektach podstawowe problemy są związane z doborem i utrzymaniem punktu pracy tranzystora w zależności od zmian poziomu sygnału wejściowego. Stabilność wzmacniaczy zależy ponadto od czynników zewnętrznych, m.in. od temperatury.

Rys. 1. Wzmacniacz operacyjny z pętla sprzężenia zwrotnego, w układzie odwracającym

Problem dryft u punktu pracy w funkcji temperatury może być pominięty w analizie wzmacniacza z zasilaniem symetrycznym. Stosowanie zasilania niesymetrycznego wymaga umiejętnego wyznaczenia warunków pracy, niemniej jednak ten proces jest o wiele łatwiejszy do realizacji niż w przypadku tradycyjnych wzmacniaczy tranzystorowych. Wzmacniacze operacyjne z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego są niepraktyczne w rzeczywistych projektach, gdyż ze względu na bardzo duże wzmocnienie łatwo wprowadzić je w nasycenie. Powoduje to zniekształcenia wzmacnianego sygnału.

Zastosowanie ujemnego sprzężenia zwrotnego w technice wzmacniaczy operacyjnych pozwala osiągać bardzo dobre parametry w porównaniu do układów wzmacniaczy tranzystorowych. Charakterystyki elektryczne takich układów zależą od rodzaju elementów wykorzystywanych w pętli sprzężenia.

W najczęściej spotykanym rozwiązaniu stosuje się dwa rezystory, których stosunek wyznacza wzmocnienie układu (rysunek 1). Wzmocnienie w takich układach nie przekracza 40dB, a często jest redukowane do jedności. Sprzężenie zwrotne zmniejsza rezystancję wyjściową kosztem redukcji wzmocnienia. Pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego poprawia liniowość i zmniejsza zniekształcenia tylko wtedy, jeśli zachowany jest duży zapas wzmocnienia.

Rodzaje wzmacniaczy operacyjnych

Rys. 2. Charakterystyki częstotliwościowe wzmacniaczy ze sprzężeniem napięciowym i prądowym

Wybór typu sprzężenia (napięciowe lub prądowe) wpływa w istotny sposób na parametry elektryczne wzmacniaczy operacyjnych w zakresie w.cz. W zależności od przeznaczenia projektowanego układu należy dokonać analizy wpływu typu sprzężenia na grupę wybranych parametrów.

Zdecydowana większość dostępnych wzmacniaczy operacyjnych zawiera wewnętrzne napięciowe sprzężenie zwrotne. Ze względu na pojemności kompensujące układy te cechują się silnym ograniczeniem wzmocnienia w zakresie wyższych częstotliwości. Obowiązuje tu podręcznikowa zasada zamiany wzmocnienia na pasmo pracy. Dlatego też możliwość wykorzystania wzmacniaczy ze sprzężeniem napięciowym w zakresie częstotliwości radiowych i jednocześnie zapewnienie dużego wzmocnienia są niewielkie.

Katalogowa wartość szerokości pasma wzmacniaczy operacyjnych podawana jest dla otwartej pętli sprzężenia zwrotnego. Zamknięcie pętli oraz zwiększanie wzmocnienia powodują zawężenie pasma przenoszonych częstotliwości.

Rys. 3. Wzmacniacz operacyjny w układzie nieodwracającym

W przypadku wzmacniaczy operacyjnych ze sprzężeniem prądowym zasada zamiany wzmocnienia na pasmo obowiązuje w znacznie mniejszym stopniu niż w układach ze sprzężeniem napięciowym. Teoretycznie 3-decybelowe pasmo pracy jest zachowane dla każdej wartości wzmocnienia. W rzeczywistości charakterystyka amplitudowa pozbawiona jest typowego nachylenia zbocza wynoszącego –20dB/oktawę. W takim układzie można osiągać większe wzmocnienie przy nieznacznej redukcji pasma.

Przykład stanowią charakterystyki hipotetycznego wzmacniacza o paśmie pracy 1 GHz (w układzie z otwartą pętlą sprzężenia). Pierwsza z nich odnosi się do wzmacniacza ze sprzężeniem napięciowym (rysunek 2a), a druga do wzmacniacza ze sprzężeniem prądowym (rysunek 2b). W pierwszym przypadku przy wzmocnieniu 20dB pasmo wzmacniacza ograniczone jest do częstotliwości 10,7 MHz.

Zwiększenie wzmocnienia do 40dB powoduje zawężenia pasma do 1 MHz. Natomiast wzmacniacz ze sprzężeniem prądowym może być wykorzystany do pracy z sygnałami w paśmie do 50 MHz dla obu wymaganych wzmocnień. Należy jedynie zwrócić uwagę, aby w sytuacji dużego wzmocnienia napięciowego nie doprowadzić do powstania niepożądanych oscylacji. Stabilność wzmacniacza jest zapewniana przez umieszczenie rezystora o wartości rzędu kilkuset omów w pętli sprzężenia zwrotnego. Wpływ rodzaju sprzężenia na wzmocnienie i pasmo przedstawiony jest na następujących przykładach rzeczywistych wzmacniaczy operacyjnych firmy Texas Instruments:

• THS4001 – wzmacniacz operacyjny z wewnętrznym napięciowym sprzężeniem zwrotnym oraz pasmem pracy równym 270 MHz w układzie z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego. Przy wzmocnieniu 20dB jego pasmo pracy zawęża się do 10 MHz.

• THS3001 – wzmacniacz operacyjny z wewnętrznym prądowym sprzężeniem zwrotnym oraz pasmem pracy równym 420 MHz. Przy wzmocnieniu 20dB jego pasmo pracy zawęża się do 150 MHz.

Szerokopasmowe wzmacniacze operacyjne

Rys. 4. Wzmacniacz operacyjny zasilany niesymetrycznie

Wzmacniacze operacyjne występują w dwóch podstawowych konfiguracjach układowych: jako wzmacniacze odwracające i nieodwracające. Podziału tego dokonuje się ze względu na fazę sygnału wyjściowego w stosunku do fazy sygnału wejściowego. W aplikacjach wysokoczęstotliwościowych, gdzie zamiast napięcia mierzy się moc sygnału, tradycyjny podział traci na znaczeniu. Każda z konfiguracji pozwoli uzyskać pożądany efekt.

Na rysunku 3 przedstawiony jest układ wzmacniacza nieodwracającego. Teoretycznie impedancja wejściowa wzmacniacza operacyjnego jest nieskończenie wielka, dlatego też konieczne jest stosowanie rezystora RT o wartości zbliżonej do impedancji charakterystycznej toru transmisyjnego Z0 doprowadzającego sygnał do wejścia (zazwyczaj jest to 50Ω). Wzmocnienie w tym układzie jest wyznaczone przez stosunek dwóch rezystorów w pętli sprzężenia zwrotnego: R_F i R_G. Jego wartość w mierze decybelowej można wyznaczyć z zależności:

G = 20 · log[1/2 · (1+R_F/K_G)].

Rys. 5. Układ kompensacji charakterystyki amplitudowej wzmacniacza

Dopasowanie wyjściowe wzmacniacza jest realizowane poprzez szeregowo połączony rezystor R_O o wartości równej impedancji toru (50Ω). Dalej wzmacniacz jest obciążony rezystorem RL o wartości 50Ω. Oba rezystory tworzą dzielnik napięcia, który zmniejsza amplitudę sygnału wyjściowego o połowę. Oznacza to, że wzmocnienie jest zmniejszone o 6dB w stosunku do wartości wynikającej z doboru rezystorów w pętli sprzężenia zwrotnego. Przykładowo, dla warunków wzmocnienia jednostkowego (0dB) rzeczywiste wzmocnienie napięciowe wynosi –6dB. Większość wzmacniaczy operacyjnych wymaga do prawidłowej pracy zasilania symetrycznego, co komplikuje projektowanie i zwiększa koszty. Na rysunku 4 zaprezentowano układ umożliwiający niesymetryczną polaryzację wzmacniacza.

Wirtualna masa jest tworzona na nieodwracającym wejściu za kondensatorem sprzęgającym. Taki układ powoduje podniesienie punktu pracy w stronę wirtualnej masy, której potencjał jest równy połowie napięcia zasilającego. Pojawienie się składowej stałej w torze sygnału w.cz. wymaga zastosowania kondensatorów na wejściu i wyjściu oraz w pętli sprzężenia zwrotnego.

Transmisja wzmacniacza (S₂₁)

Rys. 6. Napięciowa gęstość szumów wzmacniacza operacyjnego

Układy elektroniczne pracujące w zakresie w.cz. są opisywane za pomocą macierzy rozproszenia. Elementy macierzy wyznacza się w funkcji częstotliwości. W przypadku wzmacniaczy podstawowym parametrem jest transmisja (współczynnik przenoszenia) przy dopasowaniu na wyjściu, która określa wzmocnienie układu (parametr S₂₁). Parametru tego nie stosuje się do opisu wzmacniaczy operacyjnych w kartach katalogowych ze względu na to, że wartość wzmocnienia jest uzależniona od doboru elementów w pętli sprzężenia zwrotnego. Dla wzmacniacza nieodwracającego wzmocnienie można opisać zależnością:

S₂₁=U_O/U_I=0,5(1+R_F/R_G),

gdzie U_I to napięcie sygnału wejściowego, a U_O, napięcie sygnału wyjściowego. Parametry techniczne wzmacniaczy operacyjnych przedstawiane w kartach katalogowych dotyczą przypadku, kiedy układ pracuje z otwartą pętlą sprzężenia. Podczas projektowania pętla zostaje zamknięta i osiągnięte parametry mogą się znacznie różnić od danych katalogowych. Dotyczy to zwłaszcza wzmocnienia i charakterystyki fazowej.

Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza

Rys. 7. Wzmacniacz szerokopasmowy THS3202

Wzmacniacze operacyjne ze sprzężeniem prądowym wymagają kompensacji charakterystyki amplitudowej (rys. 5). Realizuje się to za pomocą kondensatora o zmiennej pojemności (trymera) umieszczonego na wyjściu. Wpływ dodatkowej pojemności na wzmocnienie jest kompensowany za pomocą dodatkowych rezystorów pozwalających na zachowanie stosunku rezystancji R_F/R_G.

Punkt jednodecybelowej kompresji wzmocnienia

Punkt jednodecybelowej kompresji jest istotnym parametrem wzmacniaczy pracujących w zakresie w.cz. Określa on liniowy zakres pracy. Punkt ten definiuje się jako poziom mocy sygnału wejściowego, przy którym sygnał wyjściowy jest mniejszy o 1dB od założonego (wynikającego z liniowej charakterystyk wzmacniacza). Wykorzystując wzmacniacze operacyjne w projektach układów w.cz., należy zwracać uwagę na zachowanie odstępu pomiędzy amplitudą sygnału na wyjściu układu i poziomem napięcia zasilającego, aby zabezpieczyć się przed możliwością wprowadzenia wzmacniacza w nasycenie.

Współczynnik szumów

Rys. 8. Charakterystyka amplitudowa oraz fazowa wzmacniacza operacyjnego THS3202

Szumy są istotnym czynnikiem ograniczającym dynamikę wzmacniacza, a tym samym utrudniającym przetwarzanie relatywnie słabych sygnałów. Oprócz sumów własnych elementu aktywnego w układzie istnieją szumy termiczne rezystorów, które ze względu na niewielką wartość mogą być pominięte w analizie szumowej wzmacniacza. Poziom szumów w układach wzmacniaczy operacyjnych zależy od pasma wzmacnianego sygnału i wzmocnienia.

Charakterystyka napięciowej gęstości szumów wzmacniacza p.cz. odbiornika radiowego FM (10,7 MHz) jest przedstawiona na rysunku 6. Poziom sygnału wyjściowego wynosi 0 dBV dla warunków wzmocnienia jednostkowego.

Z charakterystyki można odczytać, że napięciowa gęstość szumów dla częstotliwości pracy wzmacniacza wynosi 11,5nV/√Hz. Punkt przegięcia charakterystyki znajduje się znacznie poniżej pasma pracy wzmacniacza, dlatego składowa szumu różowego może być pominięta w analizie szumowej wzmacniacza. Poziom szumów może być bardzo niski przy znacznie ograniczonym paśmie sygnału (tab. 1).

Redukcja szumów poprzez zawężanie pasma wzmacniacza ma ograniczone możliwości zastosowania praktycznego. W przypadku wzmacniaczy stosowanych w układach radiowych występuje konieczność przetwarzania sygnałów zmodulowanych o relatywnie dużej dewiacji. W projektach, w których poziom szumu jest istotnym parametrem, należy się liczyć z koniecznością ograniczenia wzmocnienia lub należy dobrać wzmacniacz niskoszumowy. Porównując wzmacniacze pod względem poziomu szumów, należy pamiętać, że są one elementami aktywnymi i oprócz wzmocnienia sygnału wzmacniają także szum występujący z sygnałem wejściowym.

Przykładowe projekty

Rys. 9. Kaskadowe połączenie dwóch wzmacniaczy operacyjnych THS3202

Do projektowania układów w.cz. należy wykorzystywać wzmacniacze operacyjne ze sprzężeniem prądowym. Przykładowy wzmacniacz THS3202 charakteryzuje się szerokim pasmem oraz dużym współczynnikiem slew-rate. Pozwala uzyskać wzmocnienie napięciowe na poziomie 20dB oraz napięcie wyjściowe o wartości 10V.

Charakterystyka amplitudowa i fazowa przedstawione są na rysunku 8. W układzie tym ze względu na dopasowanie wyjściowe napięcie na obciążeniu jest o połowę mniejsze niż wynikałoby to z wartości wzmocnienia.

Pasmo pracy wzmacniacza wynosi 390 MHz (–3dB). Przy uwzględnieniu jedynie płaskiego odcinka charakterystyki pasmo jest ograniczone do 200 MHz. Współczynnik fali stającej (VSWR) w tym zakresie wynosi 1,01:1 i ulega degradacji powyżej częstotliwości 200 MHz do wartości 1,11. Transmisja wsteczna (sprzężenie wyjścia z wejściem) jest na poziomie –75dB w środkowej części charakterystyki i –50dB na końcu zakresu.

Rys. 10. Charakterystyka amplitudowa i fazowa 40 dB wzmacniacza dwustopniowego

Gdy wymagane jest duże wzmocnienie, można zastosować kaskadowe połączenie dwóch wzmacniaczy. W przypadku THS3202 producent umieścił w pojedynczej obudowie dwa niezależne wzmacniacze operacyjne, co ułatwia projektowanie. We względnie prosty sposób można zwiększyć wzmocnienie napięciowe do 40dB (rysunek 9). Projekt składa się z dwóch identycznych stopni. Izolacja między nimi oraz dopasowanie impedancji są realizowane za pomocą rezystora 50Ω. Kondensator znajdujący się pomiędzy stopniami wzmacniacza służy do wyrównywania charakterystyki amplitudowej w zakresie wyższych częstotliwości, jednak przyczynia się także do zwiększenia zniekształceń intermodulacyjnych trzeciego rzędu.

Charakterystyki amplitudowa i fazowa wzmacniacza dwustopniowego są przedstawione na rysunku 10. Obydwie charakterystyki uległy deformacji w zakresie częstotliwości powyżej 100 MHz. Wzmacniacze o tak dużym wzmocnieniu powinny być ekranowane, a sygnał wyjściowy filtrowany w celu minimalizacji poziomu sygnałów pasożytniczych.

Poniżej prezentowany jest przykład implementacji THS3202 w układzie kaskadowym we wzmacniaczu p.cz. stosowanym w odbiornikach radiowych FM (rys. 11). Na wyjściu drugiego stopnia zastosowano filtr ceramiczny o paśmie przepustowym 230 kHz i małych stratach własnych.

Wzmacniacz p.cz. 70MHz

Rys. 11. Dwustopniowy wzmacniacz częstotliwości pośredniej FM (10,7 MHz)

W urządzeniach telefonii komórkowej oraz komunikacji satelitarnej stosowane są odbiorniki superheterodynowe z częstotliwością pośrednią 70 MHz. Poniżej przedstawiono projekt wzmacniacza dwustopniowego wykonanego na bazie THS3202 (rys. 12). Filtr typu 854660 firmy Sawtek o paśmie przepustowym 5 MHz (–3dB) zapewnia dużą czystość widmową wzmacnianego sygnału dzięki skutecznemu tłumieniu sygnałów spoza pasma użytecznego oraz dużej stromości zboczy charakterystyki transmitancyjnej filtru (S₂₁). Straty własne filtru wynoszą 7dB. W projekcie zastosowano omawiane wcześniej układy odprzęgające zasilanie. Na wejściu i wyjściu występują dwie dodatkowe cewki. Ich indukcyjności są dobrane pod kątem konkretnego filtru.

Podsumowanie

Rys. 12. Dwustopniowy wzmacniacz częstotliwości pośredniej FM (70 MHz)

Dostępne na rynku wzmacniacze operacyjne można stosować do projektów układów pracujących w zakresie w.cz. Szczególnie przydatne są wzmacniacze ze sprzężeniem prądowym, które wykazują się lepszymi właściwościami niż tradycyjne układy tranzystorowe. Przewagę rozwiązań opartych na wzmacniaczach operacyjnych zapewnia większa stabilność i mniejsza zależność wzmocnienia od poziomu sygnału wejściowego.

Zaletą wzmacniaczy operacyjnych jest możliwość prostej realizacji dopasowania na wejściu i wyjściu jedynie za pomocą rezystorów. Dopasowanie impedancji wejściowej wzmacniacza do impedancji toru transmisyjnego minimalizuje straty związane z odbiciami. Wzmacniacze ze sprzężeniem prądowym cechują się dużym wzmocnieniem oraz bardzo dobrą izolacją pomiędzy wyjściem i wejściem. W artykule zaprezentowano przykłady zastosowań wzmacniaczy operacyjnych w aplikacjach w.cz.

Znajdują zastosowania w urządzenia telekomunikacyjnych w torach przetwarzania sygnałów analogowych p.cz. Użycie wzmacniaczy operacyjnych pozwala osiągać dużą stabilność przy relatywnie małej komplikacji układowej. Przyspiesza to proces projektowania oraz uruchamiania układu, a w konsekwencji zmniejsza koszty projektu.

Mariusz Łuszczyk