Wzmacniacz operacyjny, pomiarowy, czy komparator?

Czym jest wzmacniacz operacyjny?

Generalnie można "przymusić" wzmacniacz operacyjny do bycia komparatorem lub wsadzić go do aplikacji, gdzie będzie realizował funkcję wzmacniacza pomiarowego, ale jest duża szansa na to, że wydajność takiego systemu nie byłaby optymalna. Pozornie drobne szczegóły w specyfikacji potrafią wpłynąć znacząco na aplikację tego elementu lub popsuć projekt, jeśli projektant się nimi nie będzie przejmował, stąd warto przez chwilę "wrócić do podstaw" i omówić właśnie te subtelne różnice (rys. 1).

 

Rys. 1. Który układ to wzmacniacz operacyjny, komparator, a który to wzmacniacz pomiarowy? Odpowiedź to: wszystkie nimi są!

Pierwsze wskazówki różnicujące te trzy układy pokazane zostały w tabeli 1. Po pierwsze, wzmacniacz operacyjny ma ogromne wzmocnienie pozwalające w projektach przyjmować, że napięcie między wejściami odwracającym i nieodwracającym jest równe zeru. Ale w rzeczywistości to nie może być prawdą. Jeśli wzmocnienie w otwartej pętli wynosi 1 milion, to aby uzyskać 5 V na wyjściu, na wejściu musiałaby być różnica napięcia 5 μV. Czyli nie zero.

W większości przypadków do działania konieczne jest ujemne sprzężenie zwrotne ustalające pożądaną wartość wzmocnienia napięciowego. Ale dla komparatora wzmacniacz operacyjny działa bez sprzężenia zwrotnego. Wówczas jego wyjście przerzuca stan między jedną lub drugą szyną zasilającą. To nie jest problem, ale przy okazji, gdy niektóre wzmacniacze operacyjne są używane jako komparatory bez sprzężenia zwrotnego, prąd pobierany przez nie ze źródła zasilania może być 5 do 10 razy wyższy niż maksymalna wartość podawana w specyfikacji. To może okazać się niemiłą niespodzianką.

W przypadku komparatora, bez pętli sprzężenia zwrotnego, jeśli napięcie na jednym wejściu powoli przekracza poziom występujący na drugim, stan wyjścia zacznie się zmieniać. O to chodzi w tym układzie, jednak jeśli na wejściu pojawi się szum, oscylacje, sygnał wyjściowy może zacząć niestabilnie oscylować, co z pewnością jest niepożądane. Wymaga to dodania dodatniego sprzężenia zwrotnego, zwanego również histerezą.

 

Rys. 2. Klasyczny wzmacniacz pomiarowy z trzema wzmacniaczami operacyjnymi

W przypadku wzmacniacza pomiarowego sprzężenie zwrotne jest już zrealizowane wewnętrznie, dzięki czemu jest ono ustalone z dużą dokładnością i nie jest ogromnie duże, tylko takie jak zwykle potrzebne jest w aplikacji. Dodanie do takiego wzmacniacza zewnętrznej pętli, niejako dodatkowej, to duży błąd. Typową realizację takiego wzmacniacza pokazano na rysunku 2. Jak widać, każdy z trzech wzmacniaczy operacyjnych w tym przypadku ma własną pętlę sprzężenia zwrotnego. Analizę zacznijmy od standardowego schematu blokowego jak na rysunku 3, w którym mamy wzmacniacz wejściowy G, pracujący z pożądanym wzmocnieniem 10, co oznacza współczynnik sprzężenia zwrotnego równy 0,1. Gdy wzmacniacz G ma wzmocnienie równe 100 (typowa wartość dla wersji pomiarowej), zgodnie z równaniem 1, rzeczywiste wzmocnienie w pętli zamkniętej wyniesie 9,09, czyli dostaniemy prawie 10-procentowy błąd. Używanie wzmacniacza pomiarowego jako wzmacniacza operacyjnego i umieszczanie wokół niego sprzężenia zwrotnego nie ma sensu.

 

Rys. 3. Schemat blokowy wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym

Tak więc wzmacniacz operacyjny wymaga realizacji ujemnego sprzężenia zwrotnego, komparator z kolei potrzebuje sprzężenia dodatniego zapewniającego mu histerezę charakterystyki przejściowej, a w przypadku wzmacniacza pomiarowego niepotrzebne jest żadne sprzężenie, bo już to zrobił za nas producent.

Wzmocnienie w otwartej i zamkniętej pętli

W przypadku wzmacniaczy operacyjnych, zgodnie z równaniem 1, im większe wzmocnienie w otwartej pętli (AVOL), tym dokładniejsze będzie wzmocnienie w zamkniętej pętli. Większość wzmacniaczy operacyjnych ma wzmocnienie w otwartej pętli od 100 tysięcy do 10 milionów, ale niektóre starsze szybkie wzmacniacze operacyjne mogą mieć je na poziomie 3000. Wówczas trzeba przyjrzeć się błędom. W przypadku komparatora, jeśli wahania napięcia na wyjściu wynoszą 3 V, a wymagany próg detekcji to 1 mV, wtedy minimalne wzmocnienie AVOL musi wynosić 3000. Oczywiście wyższe wzmocnienie da mniejsze okno niepewności, ale jednocześnie, gdy jest zbyt duże, już mikrowoltowy szum wyzwoli komparator i przerzuci stan wyjścia na przeciwny. Czyli ze wzmocnieniem w otwartej pętli nie wolno przedobrzyć, niekoniecznie wzmacniacz o milionach woltów na wolt będzie lepszy. W przypadku wzmacniacza pomiarowego wzmocnienie w otwartej pętli nie ma tak naprawdę zastosowania, bo nie da się go wprowadzić w taki tryb pracy.

Kondensatory na wejściu

Kondensatory są często dodawane do obwodów wejściowych w układach analogowych w celu ograniczenia pasma sygnału. Patrząc na rysunek 4, na pierwszy rzut oka wydaje się, że R1 i C1 tworzą filtr dolnoprzepustowy i zapewnią pożądany efekt przycięcia. Ale to nie działa i może prowadzić do oscylacji. Stała sprzężenia zwrotnego dla wzmacniacza odwracającego wynosi R2/R1, ale dla układu z rysunku 4 jest to R2/(R1 + X_c), bo napięcie wejściowe VIN ma małą impedancję w porównaniu z R1 i można traktować, że wejście dla sygnałów zmiennoprądowych jest na potencjale masy. Stąd wraz ze wzrostem częstotliwości rośnie stopień podziału pętli, więc faktycznie wzmocnienie szumu nie maleje, tylko wzrasta w tempie +20 dB na dekadę. Jednocześnie wzmocnienie w pętli otwartej wzmacniacza operacyjnego spada o –20 dB na dekadę. Obie krzywe przecinają się przy 40 dB, co dla projektanta staje się gwarancją tego, że układ się wzbudzi. Prawidłowym sposobem ograniczenia szerokości pasma obwodu jest umieszczenie kondensatora równolegle do R2.

 

Rys. 4. Zły sposób na zmniejszenie pasma przenoszenia układu ze wzmacniaczem operacyjnym

 

Rys. 5. Komparator z filtrem dolnoprzepustowym i dodaną histerezą przełączania

 

Rys. 6. Filtr przed wzmacniaczem pomiarowym

Komparatory zwykle nie mają pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego, więc tu akurat prosty dwójnik RC dodany przed komparatorem, jak na rysunku 5, tworzący filtr dolnoprzepustowy, działa dobrze. Wartość RHYS powinna być znacznie większa niż R7, a oba te oporniki dzielą między siebie zakres zmian napięcia wyjściowego, aby zapewnić niewielkie dodatnie sprzężenie zwrotne (histerezę). Jeśli komparator ma fabrycznie wbudowaną pętlę histerezy, na przykład LTC6752 lub ADCMP391, wówczas R7 i RHYS się nie używa.

W przypadku wzmacniaczy pomiarowych pojemność tłumiąca stany nieustalone na wejściach jest akceptowalna. Dołącza się ją, jak pokazano na rysunku 6 (C4). Dobrym pomysłem w takim przypadku jest takie zaprojektowanie PCB, aby łatwo można było dobierać wartości dwóch rezystorów i trzech kondensatorów, od 0 Ω i bez pojemności zaczynając. Dobierając te elementy, można niezależnie ustawić wartości tłumienia dla trybu wspólnego i normalnego.

Co z wyjściami?

Wzmacniacz operacyjny lub pomiarowy ma wyjście typu rail-to-rail, a więc takie, gdzie napięcie wyjściowe osiąga wartość dodatniego napięcia zasilania oraz masy. Oczywiście niedokładnie tyle, ale bardzo blisko. W zależności od topologii i tranzystorów użytych w stopniu wyjściowym różnica ta może wynosić od 25 do 200 mV. Jeśli wzmacniacz operacyjny jest zasilany napięciem ±15 V, jest to często niewygodne, gdy układ ten jest dalej sprzężony z obwodami cyfrowymi. Stąd projektanci dodają na wyjściu układ obcinania poziomu na diodach, aby chronić wejście cyfrowe przed uszkodzeniem. Bez niego prąd wyjściowy wzmacniacza operacyjnego osiąga dużą wartość i może dojść do uszkodzenia. Istnieją bardziej wyszukane sposoby łączenia wzmacniacza operacyjnego z logiką cyfrową, wyrafinowane układy przesuwników poziomu i limiterów, ale po co się tym przejmować? Lepiej użyć komparatora i mieć problem z głowy.

Komparatory mogą mieć wyjście typu totem-pole CMOS lub otwarty kolektor (dren) z tranzystorem NPN lub NMOS. Chociaż wersja z otwartym kolektorem wymaga rezystora podciągającego, co powoduje nierówne czasy narastania i opadania, ma tę zaletę, że działa komparator na jednym napięciu, powiedzmy 5 V i można go połączyć z logiką działającą na innym napięciu, jak 3,3 V.

Ważne dane

W przypadku wzmacniacza operacyjnego potrzebujemy dużej szerokości pasma przenoszenia, o wartości większej niż najwyższa częstotliwość sygnału, aby utrzymać mały błąd w pętli zamkniętej. Z równania 1 szerokość pasma powinna być 10 do 100 razy większa od najwyższej częstotliwości sygnału. Niemniej AVOL jest funkcją częstotliwości i też wpłynie na dokładność zamkniętej pętli. Margines fazy jest również ważny i będzie się zmieniać wraz z różnym obciążeniem pojemnościowym, dlatego specyfikacja powinna jasno określać warunki testu. Aby uzyskać dużą dokładność dla prądu stałego, napięcie off setu powinno być małe. Dla wzmacniacza bipolarnego wartości rzędu 25–100 μV są dobre, dla wersji FET 200–500 μV uznaje się za poprawne. Wzmacniacze operacyjne z automatycznym zerowaniem/przetwarzaniem/zerowym dryft em mają off set prawie zawsze poniżej 20 μV. Przykłady można znaleźć w kartach katalogowych wzmacniaczy operacyjnych, takich jak OP27, AD8610 lub ADA4522.

Opóźnienie propagacji jest kluczowym parametrem komparatorów. W przeciwieństwie do wzmacniaczy operacyjnych, które działają wolniej po przesterowaniu, komparatory będą działać szybciej. Specyfikacja czasem podaje opóźnienie propagacji przy małym przesterowaniu, powiedzmy 5 mV oraz przy większym rzędu 50 mV lub nawet 100 mV.

Specyfikacją numer jeden dla wzmacniaczy pomiarowych jest współczynnik tłumienia sygnału wspólnego (CMRR). On pozwala wzmacniać bardzo mały sygnał różnicowy nakładający się na duże napięcie wspólne. Parametr ten też zmienia się w zależności od częstotliwości. Czasami w specyfikacji CMRR jest wymieniony dla DC lub bardzo małych częstotliwości, innym razem podawany jako wykres. Jest to ważne na przykład w detektorze prądu w mostkowym układzie sterowania silnikiem, jak pokazano na rysunku 7. Jest to prawdopodobnie najtrudniejsza aplikacja dla wzmacniacza pomiarowego, ponieważ napięcie w trybie wspólnym przechodzi z wartości bliskiej napięciu zasilania i masy, a prąd szybko zmienia kierunek. Pasmo i szybkość narastania napięcia na wyjściu (slew rate) są tu kluczowe.

 

Rys. 7. Detekcja kierunku płynięcia prądu z dużą dopuszczalną składową wspólną (common mode)

Konfigurowanie

W przypadku wzmacniaczy operacyjnych konfiguracja dotyczy ujemnego sprzężenia zwrotnego: rezystancji i stałych czasowych.

Komparatory powinny zawsze mieć niewielkie dodatnie sprzężenie zwrotne. Niektóre komparatory mają wewnętrzną histerezę, ale zazwyczaj w razie potrzeby można ją zwiększyć. Wybrane układy mają nawet pin do rezystora ustalającego wielkość okienka. Można też użyć kondensatora do realizacji sprzężenia zwrotnego dla prądu przemiennego, aby uniknąć dodawania histerezy dla prądu stałego.

Parę uwag na koniec

Na koniec warto wymienić kilka zjawisk zachodzących, gdy wzmacniacz operacyjny jest komparatorem. Spora część niskoszumowych bipolarnych wzmacniaczy operacyjnych ma ochronne diody antyrównoległe między wejściami. Wejściowy zakres sygnału wspólnego dla większości komparatorów obejmuje 80% całkowitego zakresu lub więcej. Ale niektóre bipolarne wzmacniacze operacyjne o małych szumach mają jedną lub dwie diody połączone szeregowo między wejściami. Ma to na celu zapobieganie efektowi Zenera pojawiającemu się w spolaryzowanym zaporowo złączu tranzystora wejściowego. Tak więc wzmacniacz operacyjny 5 V używany jako komparator z poziomem progowym 3 V jako wskaźnik stanu baterii w systemie 3,3 V miałby problem z 3 V na jednym wejściu i 0 V na drugim, ponieważ diody te ograniczają maksymalne napięcie różnicowe, które jest dozwolone na wejściach.

Harry Holt, Staff Applications Engineer Mike Skroch, Applications Engineer, Analog Devices

Arrow Electronics Poland
tel. 22 558 82 66
www.arrow.com