Wzmacniacz ma się nie wzbudzać!
| TechnikaMimo starań chroniących wzmacniacze przed wzbudzaniem się, zdarza się często, że występują w nich oscylacje. Przyczyniają się do tego nietypowe obciążenia, nieprawidłowe obwody sprzężenia zwrotnego czy niewystarczające kondensatorowe blokowanie linii zasilania. Źródłami drgań mogą być także obwody wejścia i wyjścia.
Rysunek 1 pokazuje schemat blokowy wzmacniacza nie "rail-to-rail". Wejścia wprowadzają sygnał do bloku wzmocnienia A, dostarczającego go po wzmocnieniu do bufora wyjściowego. Dominującym elementem, charakteryzującym wzmacniacz częstotliwościowo, jest pojemność obwodu kompensacyjnego CK.
Powinna ona łączyć się z masą, o ile w układzie takie wyprowadzenie istnieje. We wzmacniaczach operacyjnych zwykle go nie ma, zatem prąd pojemności płynie przez odprowadzenie zasilania.
Rysunek 2 przedstawia schemat blokowy najprostszego wzmacniacza z wyjściem "rail-to-rail". Prąd wyjściowy wzmacniacza A jest rozdzielany pomiędzy tranzystory wyjściowe. Pojemność CK można przedstawić jako dwie równolegle połączone pojemności ½CK. Dwoma powyższymi układami można się posłużyć do opisu większości wzmacniaczy operacyjnych z zewnętrznym sprzężeniem zwrotnym.
Charakterystyki częstotliwościowe tych układów, które elektrycznie się różnią, są jednakowe. Ich przebieg jest pokazany na rysunku 3. Jednobiegunowa kompensacja częstotliwościowa wzmacniacza jest zdefiniowana, zwanym GBF (unity gain bandwidth product frequency), iloczynem wzmocnienia i częstotliwości granicznej dla wzmocnienia równego jedności:
 |
Opóźnienie fazowe w tych wzmacniaczach spada z -180° do -270° przy GBF/A, gdzie A oznacza wzmocnienie wzmacniacza przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego. Opóźnienie to nie wzrasta dla wyższych częstotliwości. Nazywa się to "kompensacją bieguna dominującego", w której dominuje biegun CK, a pozostałe ograniczenia częstotliwościowe obwodów aktywnych pozostają w ukryciu.
Rysunek 4 przedstawia charakterystyki wzmocnienia i fazy wzmacniacza LTC6268 przy otwartej pętli w funkcji częstotliwości. Jest to dobry niskoszumowy wzmacniacz 500 MHz z prądem polaryzacji zaledwie 3 fA i z wyjściem "rail-to-rail", będący praktycznym przykładem działania wzmacniacza operacyjnego.
Opóźnienie kompensacji dominującej zaczyna się od - 90° w pobliżu 0,1 MHz i dochodzi do -270° około 8 MHz, ale powyżej 30 MHz znów wzrasta. W praktyce wszystkie wzmacniacze wykazują przy wielkich częstotliwościach dodatkowe opóźnienie w stosunku do dominującego, które powstaje w poszczególnych stopniach wzmocnienia, a także w końcowym. Dodatkowe opóźnienie zaczyna się zwykle około GBF/10.
Stabilność wzmacniaczy ze sprzężeniem zwrotnym zależy od jego wzmocnienia i fazy w pętli, czyli iloczynu wzmocnienia i współczynnika sprzężenia zwrotnego, krótko mówiąc, wzmocnienia w pętli. W LTC6268, skonfigurowanym do wzmocnienia równego jedności, 100% napięcia wyjściowego zostaje zawrócone do wejścia.
Przy bardzo niskich częstotliwościach sygnał wyjściowy jest odwrotnością wejściowego, czyli opóźnienie fazowe wynosi -180°. Kompensacja wzmacniacza zwiększa opóźnienie o dodatkowe -90°, doprowadzając je do -270°. Oscylacje powstają, gdy opóźnienie w pętli wzrośnie do ±360° lub wielokrotności, przy wzmocnieniu jeszcze przekraczającym wartość 1 V/V, czyli 0 dB.
Miarę odsunięcia fazy od 360° przy wzmocnieniu 0 dB nazwano marginesem fazy. Na rysunku 4 margines ten wynosi około 70° przy 130 MHz. Jest to margines bezpieczny, wartość 35° byłaby jeszcze dopuszczalna.
Rzadziej uwaga jest zwracana na margines wzmocnienia, chociaż jest on równie ważny. Gdy przy jakiejś dużej częstotliwości faza obniży się do zera, wzmacniacz wzbudzi się przy wzmocnieniu przekraczającym 0 dB.
Na rysunku 4, gdy faza spada do zera (lub wielokrotności 360°), wzmocnienie wynosi około -24 dB w pobliżu 1 GHz. Przy tak małym wzmocnieniu wzmacniacz przy tej częstotliwości się nie wzbudzi. W praktyce na margines wzmocnienia wystarcza 4 dB.
Wzmacniacze niekompensowane
Wzmacniacz LTC6268 jest stabilny przy wzmocnieniu równym jedności, są jednak wzmacniacze operacyjne, które celowo nie są w takiej konfiguracji stabilne. Projektując kompensację wzmacniacza skuteczną tylko dla wyższych wzmocnień w pętli, można uzyskać wyższą szybkość narastania sygnału, większą GBF czy niższe szumy wejściowe niż dla wzmocnienia 1.
Rysunek 5 przedstawia wzmocnienie i fazę wzmacniacza LT6230-10 przy otwartej pętli. Wzmacniacz ten jest przeznaczony do pracy przy 10-krotnym lub wyższym wzmocnieniu w pętli, a sprzężeniem zwrotnym obniża się w nim wzmocnienie do nie mniej niż 10. Przy wzmocnieniu 1 margines fazowy jest bliski zeru i wzmacniacz oscyluje. Im wzmocnienie w pętli jest wyższe, tym jego stabilność lepsza, jest stabilny już przy wzmocnieniu 1,5.
Obwody sprzężenia zwrotnego
Sam obwód sprzężenia zwrotnego też może być źródłem oscylacji. W schemacie na rysunku 6 dzielnik sprzężenia zwrotnego jest obciążony pasożytniczą pojemnością do masy CPAS. Istnienie tej pojemności jest nieuniknione, to około 0,5 pF do masy, powiększone jeszcze o pojemności ścieżek, występuje na końcówkach wszystkich podzespołów.
W praktyce punkty te obciąża około 2 pF plus około 0,8 pF/cm ścieżki, bywa to zatem nawet 5 pF. Dla LTC6268 o wzmocnieniu dwukrotnym przy RZ = RM = 10 kΩ i CPAS = 4 pF biegun obwodu sprzężenia zwrotnego znajdzie się przy:
 |
Biorąc pod uwagę opóźnienie fazowe w obwodzie sprzężenia zwrotnego wynoszące -arc tg(f/8 MHz), można oszacować, że w pętli opóźnienie 360° znajduje się przy około 35 MHz, gdzie opóźnienie wzmacniacza wynosi -261°, a opóźnienie fazowe obwodu sprzężenia zwrotnego -79°. Przy tej fazie i tej częstotliwości wzmocnienie wzmacniacza wynosi jeszcze 22 dB, a współczynnik sprzężenia zwrotnego
 |
czyli sumaryczne wzmocnienie wynosi +3 dB przy fazie 0°, wzmacniacz więc oscyluje. Trzeba zatem tak obniżyć wartość rezystora sprzężenia zwrotnego, aby odpowiadający mu biegun znalazł się wystarczająco poniżej częstotliwości, przy której wzmocnienie w pętli równa się jedności. Sześciokrotny stosunek tej częstotliwości do GBF wystarczy dla zachowania stabilności.
Obwody wejściowe wzmacniacza operacyjnego mogą mieć spore pojemności pasożytnicze. Zwłaszcza we wzmacniaczach niskoszumowych o niskim UZAS bywają duże tranzystory wejściowe o pojemnościach wejściowych większych niż w innych wzmacniaczach.
Obciążają one obwody sprzężenia zwrotnego. Warto sprawdzać w danych technicznych, w jakim stopniu te pojemności zwiększają CPAS. Pojemność wejściowa w LTC6268 wynosi na szczęście tylko 0,45 pF, bardzo mało jak na wzmacniacz niskoszumowy.
Na rysunkach od 7 do 10 przedstawiono metody tworzenia dzielników sprzężenia zwrotnego, lepiej tolerujących pojemności. Rysunek 7 przedstawia wzmacniacz nieodwracający, z dodanym rezystorem RWEJ. Przy założeniu, że źródło sygnału UWEJ jest niskoimpedancyjne (ρ << RWEJ), RWEJ będzie tłumił sygnał sprzężenia zwrotnego, nie obniżając wzmocnienia w pętli.
Będzie również obniżał impedancję dzielnika, przesuwając częstotliwość bieguna sprzężenia zwrotnego być może nawet poza GBF. Ale RWEJ redukuje pasmo przenoszenia w pętli oraz zwiększa niezrównoważenie i szumy wejścia.
Na rysunku 8 pokazano wzmacniacz odwracający, w którym rezystor RM kształtuje sprzężenie zwrotne, ale nie obniża impedancji wejściowej, pogarsza jednak niezrównoważenie i szumy wejściowe.
Rysunek 9 ilustruje preferowany sposób kompensowania CPAS we wzmacniaczu nieodwracającym. Zakładając, że CZRZ = CPASRM, otrzymuje się dzielnik skompensowany, o niezależnym od częstotliwości współczynniku podziału, co rozwiązuje problem pojemności pasożytniczej (CPAS). Niewłaściwe dobranie wartości podzespołów może w charakterystyce częstotliwościowej wzmacniacza wywoływać "wzgórki" i różnicować jej poziom poniżej i powyżej częstotliwości
 |
Rysunek 10 pokazuje sposób kompensacji CPAS we wzmacniaczu odwracającym. W celu znalezienia poprawnej pojemności CZ musi zostać zanalizowane pasmo przenoszenia wzmacniacza.
Wzmacniacze z prądowym sprzężeniem zwrotnym wymagają osobnego omówienia. Gdyby we wzmacniaczu z rysunku 7 działało prądowe sprzężenie zwrotne, to wpływ RWEJ na jego pasmo częstotliwości byłby niewielki, ponieważ z powodu bardzo niskiej impedancji wejścia ujemnego aktywnie podąża ono za wejściem dodatnim. Ponadto szumy wzrosłyby wtedy nieco, pojawiłby się także dodatkowy prąd niezróważenia wejścia ujemnego US/RWEJ.
W układzie z rysunku 8 RWEJ w podobnie w niewielkim stopniu zmienia charakterystykę częstotliwościową.
Jego wejście odwracające nie jest wirtualnym uziemieniem, ale ma rzeczywiście małą impedancję do masy, tolerując CPAS (tylko w trybie odwracającym!).
Błędy DC są podobne do wykazanych na rysunku 7. Układy z rysunku 9 i 10 są preferowane dla wzmacniaczy operacyjnych z wejściem napięciowym, ale wzmacniacze z prądowym sprzężeniem zwrotnym nie tolerują wywołującego oscylacje kondensatora bezpośredniego sprzężenia zwrotnego.
Wpływ obciążenia
Pojemność obciążająca, podobnie jak pojemność w sprzężeniu zwrotnym, zawęża margines fazowy wzmacniacza. Na rysunku 11 pokazano przebieg impedancji wyjściowej wzmacniacza LTC6268 w funkcji częstotliwości dla kilku wzmocnień. Impedancja ta jest najniższa dla wzmocnienia równego jedności. Pełne sprzężenie zwrotne zmniejsza impedancję wyjściową wzmacniacza. Impedancja wyjściowa przy wzmocnieniu 10 jest dziesięciokrotnie wyższa niż przy wzmocnieniu 1.
Impedancja przy otwartej pętli wynosi około 30 Ω, zgodnie z płaskim obszarem krzywej dla wzmocnienia 100 w zakresie dużych częstotliwości. W tym zakresie, od około GBF/100 do GBF, wzmocnienia w pętli nie wystarcza do obniżenia impedancji wyjściowej w otwartej pętli.
Obciążenia pojemnościowe wywołują opóźnienia fazowe impedancji przy otwartej pętli. Na przykład pojemność obciążająca 50 pF przy 30 Ω impedancji wyjściowej wzmacniacza LTC6268 tworzy nowy biegun przy 106 MHz, opóźnienie -45° i tłumienie -3 dB.
Przy tej częstotliwości wzmocnienie wzmacniacza wynosi 10 dB, a faza -295°. Dla sprzężenia zwrotnego równego 1 nie dochodzi do oscylacji, ponieważ faza nie osiąga ±360° (przy 106 MHz). Jednakże przy 150 MHz wzmacniacz ma opóźnienie 305° i wzmocnienie 5 dB. Faza bieguna wyjściowego wynosi -arctg (150 MHz/106 MHz) = -55°, a wzmocnienie
 |
W wyniku mnożenia wzmocnienia i sprzężenia zwrotnego w pętli otrzymuje się wywołujące oscylacje fazę 360° i wzmocnienie +0,2 dB. Zatem minimalna, powodująca oscylacje, pojemność na wyjściu LTC6268 wynosi 50 pF. Najprostszym sposobem zablokowania oscylacji z pojemnością wyjściową jest włączenie w szereg z nią niewielkiej rezystancji poza obwodem sprzężenia zwrotnego.
10-50 Ω ograniczy opóźnienie fazowe obciążeń pojemnościowych, a także odizoluje wzmacniacz od małych impedancji pojemnościowych przy bardzo wysokich częstotliwościach. Wadami takiego rozwiązania są, spowodowane rezystywną składową obciążenia, niekorzystne zmiany charakterystyki wzmocnienia dla napięć stałych i niskich częstotliwości, ograniczenie przez obciążenie pojemnościowe pasma częstotliwościowego czy zniekształcenia sygnału, jeśli pojemność obciążenia jest zależna od napięcia.
Oscylacje wzmacniacza wywoływane obciążeniem pojemnościowym można powstrzymać zwiększeniem jego wzmocnienia w zamkniętej pętli. Zmniejszenie sprzężenia zwrotnego zmniejsza bowiem również wzmocnienie w pętli przy fazie ±360°.
Na przykład wzmacniacz LTC6268 ze wzmocnieniem w zamkniętej pętli równym +10, czyli 20 dB, przy 40 MHz wykazuje opóźnienie fazowe 285°. Oscylacje powstaną, jeśli biegun wyjściowy doda 75° opóźnienia, co wystąpi przy 10,6 MHz, ponieważ -75° = -arc tg (40 MHz/10,6 MHz). Odpowiada to pojemności wyjściowej 500 pF i impedancji wyjściowej 30 Ω. Wzmocnienie wyniesie
 |
Przy wzmocnieniu 10 wzmocnienie w pętli wynosi 0,26, więc przy zwykłym biegunie wyjściowym wzmacniacz się nie wzbudza. Zatem zwiększenie wzmocnienia w zamkniętej pętli zwiększyło dopuszczalną pojemność wyjściową z 50 do 500 pF.
Bardzo złymi obciążeniami są niezakończone linie przesyłowe, przedstawiają bowiem nieprzewidywalne, powtarzalne z częstotliwością, zmiany impedancji i fazy (zob. przebieg impedancji niezakończonego kabla koncentrycznego na rys. 12). Jeśli wzmacniacz jest wzbudzany przez kabel przy niskiej częstotliwości rezonansowej, to wzbudzi się przy wyższej, gdy jego margines fazowy zmaleje.
Jeżeli kabel nie może zostać zakończony, gwałtowne zmiany jego impedancji mogą zostać odizolowane szeregowym rezystorem dopasowanym wstecz. Chociaż odbicia od niezakończonego końca kabla wracają do wzmacniacza, rezystor ten, jeśli jest dopasowany do impedancji falowej, poprawnie zaabsorbuje ich energię. Jeśli nie jest dopasowany, część energii będzie się wielokrotnie odbijać od wzmacniacza do zakończenia, słabnąc za każdym razem.
Rysunek 13 szczegółowo obrazuje układ obwodu wyjściowego. Dla LTC6268 przyjęto jak poprzednio RWYJ = 30 Ω, zaś indukcyjność wyjściowa LWYJ oznacza indukcyjność rzeczywistą wraz z jej elektronicznym odpowiednikiem. Składają się na nią zależna od rozmiarów wewnętrznych indukcyjność chipu oraz indukcyjności doprowadzenia i zewnętrzna, od 5 do 15 nH.
Dochodzi indukcyjność generowana elektronicznie w każdym wzmacniaczu, zwłaszcza bipolarnym, od 20 do 70 nH. Pasożytnicza rezystancja bazy tranzystora wyjściowego jest przekształcana w chipie w indukcyjność.
Istnieje ryzyko, że szeregowy układ rezonansowy utworzony z LWYJ i COBC, którego impedancja może obniżyć się do poziomu RWYJ, nie będzie mógł opóźnić fazy w pętli i wywoła oscylacje. Jeśli na przykład LWYJ = 60 nH, a COBC = 50 pF, to częstotliwość rezonansowa
 |
mieści się w paśmie LTC6268. Szeregowy obwód rezonansowy silnie obciąża wyjście wzmacniacza i w znacznym stopniu zmienia fazę w pobliżu częstotliwości rezonansowej. Niestety LWYJ nie jest podawana w danych technicznych wzmacniaczy, czasem jednak skutki jej obecności dają się zaobserwować w wykresach impedancji wyjściowej przy otwartej pętli. Ale zwykle efekt ten nie jest istotny dla wzmacniaczy o paśmie niewykraczającym poza 50 MHz.
Jeden ze sposobów zabezpieczenia przed tym efektem przedstawiono na rysunku 14. RKOMP i CKOMP tworzą obwód kompensujący, którego zadaniem jest takie obniżenie dobroci Q obwodu rezonansowego na wyjściu wzmacniacza, aby jego impedancja rezonansowa zbytnio nie zmalała.
Obwód ten dobiera się tak, aby rezystancja RKOMP równała się przy częstotliwości rezonansowej impedancji CKOMP, która w tym przypadku wynosi -j35 Ω, obniżając Q obwodu do około 1. Zatem CKOMP << COBC, ale w praktyce wystarcza, aby CKOMP = 1/10·COBC. Kondensator CKOMP nie obciąża wzmacniacza przy częstotliwościach średnich i małych.
Jeśli pojemność CKOMP jest bardzo duża, to wzmacniacz jest silnie obciążony przez RKOMP przy średnich i niskich częstotliwościach, na czym tracą wzmocnienie, pasmo przy zamkniętej pętli i poziom zniekształceń. Starannie dobrane doświadczalnie układy kompensujące przy obciążeniach reaktancyjnych okazują się użyteczne.
Ujemne wejście wzmacniacza prądowego jest równocześnie w praktyce jego wyjściem buforowym, zachowuje się więc analogicznie jak w układzie z rysunku 13, może zatem wzbudzać się z CPAS, tak jak wyjście. CPAS i towarzyszące indukcyjności muszą być maksymalnie ograniczane. Układ kompensacyjny na ujemnym wejściu wzmacniacza zmienia przebieg wzmocnienia w pętli, jest więc niestety nieużyteczny.
Osobliwe impedancje
Wiele wzmacniaczy przy wysokich częstotliwościach wykazuje osobliwości impedancji. Najczęściej daje się to obserwować we wzmacniaczach z wejściem złożonym z dwóch szeregowo połączonych tranzystorów npn/pnp, które w funkcji częstotliwości zachowują się podobnie jak układ Darlingtona.
Zwykle są to częstotliwości znacznie wyższe od GBF, przy których rzeczywista składowa impedancji wejściowej staje się ujemna. Indukcyjność źródła rezonuje wtedy z pojemnościami wejścia i płytki, a ujemna składowa rzeczywista oscylacje te podtrzymuje.
Gdy sygnał wejściowy jest dostarczany niezakończonym kablem, oscylacje mogą powstawać przy wielu powtarzalnych częstotliwościach. Jeżeli musi to być długa linia indukcyjna, można ją przerwać kilkoma pochłaniającymi energię rezystorami albo zastosować na wejściu wzmacniacza obwód kompensacyjny o średniej impedancji (około 300 Ω).
Zasilacze
Na koniec trzeba omówić ostatnie źródło oscylacji, jakim może być pojemnościowe blokowanie zasilacza. Na rysunku 15 są pokazane elementy obwodu wyjściowego wzmacniacza LZAS+ i LZAS-, przedstawiające nieodłączne indukcyjności obudowy i wyprowadzeń chipu oraz końcówek kondensatora blokującego, a także ścieżek płytki drukowanej.
Sumują się z nimi zewnętrzne indukcyjności połączeń kondensatorów blokujących z linią zasilania, o ile nie jest to płaszczyzna zasilania w płytce. Wartość 3-10 nH tej indukcyjności nie wydaje się zbyt duża, odpowiada reaktancji 3,8 Ω do 12 Ω przy 200 MHz. Gdy tranzystor wyjściowy przewodzi duże natężenie prądu wielkiej częstotliwości, na jego indukcyjności zasilania obniży się napięcie.
Pozostała część wzmacniacza wymaga stabilnego zasilania, ponieważ napięcie nie powinno wpływać na wzmocnienie w całym zakresie częstotliwości. Rysunek 16 przedstawia współczynnik tłumienia wpływu zasilania (power supply rejection ratio, PSRR) na wzmocnienie wzmacniacza LTC6268 w funkcji częstotliwości.
Kondensatory blokujące są łączone ze wzmacniaczami operacyjnymi przez wspólne wyprowadzenia zasilania i uziemienia, ich szumy sumują się więc we wzmacniaczu, którego wzmocnienie musi być kompensowane. PSRR maleje zgodnie z odwrotnością częstotliwości do zera przy 130 MHz.
Przy 200 MHz prądy wyjściowe wywołują zaburzenia w cewkach zasilacza, które wzmacniane na skutek PSRR wzbudzają oscylacje we wzmacniaczu. Dlatego zasilacze wzmacniaczy muszą być starannie blokowane za pomocą kondensatorów o niskich indukcyjnościach doprowadzeń i ścieżek. Pojemności blokujące muszą być znacznie większe od pojemności obciążenia.
Przy częstotliwościach rzędu 500 MHz indukcyjność 3-10 nH przybiera wartość 9,4 Ω do 31,4 Ω, na tyle dużą, aby w samym tranzystorze wyjściowym wzbudziły się oscylacje jego indukcyjności z pojemnością chipa, zwłaszcza przy większych prądach wyjściowych, gdy wzmocnienie tranzystora i pasmo są większe. Jest to tym ważniejsze, że we współczesnych półprzewodnikowych procesach produkcyjnych powstają tranzystory o bardzo szerokim paśmie częstotliwości, zwłaszcza dla dużych prądów wyjściowych.
Zakończenie
Projektant powinien brać pod uwagę pasożytnicze pojemności i indukcyjności obwodów wyjściowych każdego wzmacniacza operacyjnego, jak również charakter obciążenia. Wzmacniacze muszą być stabilne w nominalnych warunkach, jednak każda aplikacja wymaga osobnej starannej analizy. (KKP)
