Wzmacniacze operacyjne - ze sprzężeniem prądowym czy napięciowym?
| TechnikaJeśli konstruktorzy muszą wybrać typ wzmacniacza operacyjnego, zwykle decydują się na te ze sprzężeniem napięciowym, jako popularniejsze i o bardziej znanej konstrukcji. W pewnych zastosowaniach lepiej jednak mogą się sprawdzić wzmacniacze ze sprzężeniem prądowym. W artykule przedstawiamy porównanie najważniejszych cech obu typów wzmacniaczy, na podstawie których świadomiej można podjąć właściwą decyzję przy ich wyborze.
Na pierwszy rzut oka na podstawie schematu obwodu ze wzmacniaczem operacyjnym nie można stwierdzić, czy jest to wzmacniacz w wersji ze sprzężeniem napięciowym, czy prądowym, oba te typy mają bowiem odwracające i nieodwracające wejścia sygnałowe, wyjście, są podłączone do dodatniego i ujemnego bieguna zasilania, mają rezystory w pętli sprzężenia zwrotnego. Dopiero analiza ich struktury wewnętrznej pozwala dostrzec różnice.
W uproszczeniu wzmacniacz ze sprzężeniem napięciowym ma symetryczne wejścia o wysokiej impedancji. To ma swoje konsekwencje. Z tego, że wejście odwracające ma wysoką impedancję, wynika, że sekcja sprzężenia zwrotnego pracuje jako źródło napięciowe. Rezystancja wewnętrzna tego źródła jest równa zastępczej rezystancji połączenia równoległego oporników w pętli sprzężenia zwrotnego wzmacniacza. Wyjście źródła napięciowego jest połączone z wejściem odwracającym, z kolei na wejście nieodwracające podawane jest napięcie wejściowe. Różnica ich potencjałów jest sygnałem błędu, który jest wzmacniany (rys. 1).
W przeciwieństwie do wzmacniaczy ze sprzężeniem napięciowym, te ze sprzężeniem prądowym mają wejścia asymetryczne. Wewnętrznie ich wejście nieodwracające jest połączone z wejściem odwracającym za pośrednictwem wtórnika napięciowego. Dzięki temu wejście nieodwracające wzmacniacza wykazuje wysoką impedancję wejścia wtórnika, natomiast wejście odwracające charakteryzuje niska impedancja wyjścia wtórnika. W rezultacie sekcja sprzężenia zwrotnego pracuje jako źródło prądowe. Rezystancja wewnętrzna tego źródła jest także równa zastępczej rezystancji połączenia równoległego oporników pętli sprzężenia zwrotnego wzmacniacza. Do wejścia nieodwracającego doprowadzony jest prąd wejściowy, zaś do wejścia odwracającego podłączone jest wyjście źródła prądowego. Różnica między dwoma prądami wejściowymi to sygnał błędu, który doprowadzony do wewnętrznego stopnia o wysokiej impedancji zapewnia napięcie na wyjściu wzmacniacza (rys. 2).
Podsumowując, zasadniczą różnicą pomiędzy wzmacniaczami ze sprzężeniem napięciowym a tymi ze sprzężeniem prądowym jest rodzaj wejściowego sygnału błędu generującego napięcie wyjściowe. W pierwszych jest to napięcie, a w drugich prąd. Aby wyjaśnić, jaki ma to wpływ na parametry i aplikacje wzmacniaczy obu typów, dalej szczegółowo opisujemy ich strukturę wewnętrzną. Na tej podstawie można je zamodelować i przeanalizować ich charakterystykę częstotliwościową.
Wzmacniacze ze sprzężeniem napięciowym od środka
Rysunek 3 przedstawia uproszczony schemat wzmacniacza z napięciowym sprzężeniem zwrotnym. Można na nim wyróżnić trzy stopnie: wejściowy wzmacniacz różnicowy, sekcję o wysokiej impedancji i bufor wyjściowy. Wejściowy wzmacniacz różnicowy tworzą tranzystory T1 i T2. Obwód wejściowy wzmacniacza jest spolaryzowany przez trzy źródła prądowe z prądem o jednakowym natężeniu IB, dobranym tak, aby spełniony był warunek: I1 + I2 = IB. Kiedy napięcia na wejściu nieodwracającym i odwracającym wzmacniacza są równe, I1 = I2, a prądy kolektorów tranzystorów T1, T2, T3 i T4 są takie same. Jeśli napięcie na wejściu nieodwracającym jest większe, I1 rośnie, a I2 maleje, dzięki zależności I1 + I2 = IB. Jeżeli z kolei napięcie na wejściu odwracającym jest większe odwrotnie, I1 maleje, natomiast I2 się zwiększa. Napięcie różnicowe między wejściami wzmacniacza powoduje więc przepływ prądów różnicowych przez T3 i T4. Tę konwersję napięcia na prąd można zamodelować jako wzmacniacz transkonduktancyjny gm na schemacie zastępczym przedstawionym na rysunku 4.
W kolejnej sekcji można wyróżnić lustro prądowe, które tworzą pary tranzystorów T3–T4 i T5–T6. Przepływ prądu I2 powoduje powstanie napięcia UC w punkcie o wysokiej impedancji, w którym połączone są lustro prądowe oraz kondensator CC. Stopień ten na schemacie zastępczym na rysunku 4 modeluje impedancja równoległego połączenia zastępczej rezystancji RC i kondensatora CC, który odpowiada zastępczej pojemności równoległego połączenia kondensatorów odsprzegających zasilanie. W ostatniej sekcji z kolei tranzystory od T11 do T14 tworzą bufor o wzmocnieniu 1 przenoszący na wyjście wzmacniacza napięcie UC. Na rysunku 4 odpowiada mu wtórnik napięciowy.
Na podstawie schematu zastępczego wzmacniacza na rysunku 4 można podać zależność opisującą jego charakterystykę wzmocnienia w funkcji częstotliwości:
gdzie K0 to wzmocnienie w pętli otwartej, a fd częstotliwość, przy której wzmocnienie maleje o 20 dB/dekadę. Na rysunku 4 przedstawiono również wykres tej charakterystyki częstotliwościowej.
Struktura wewnętrzna wzmacniaczy ze sprzężeniem prądowym
Na rysunku 5 przedstawiono uproszczony schemat wzmacniacza z prądowym sprzężeniem zwrotnym. Można na nim wyróżnić cztery sekcje: wzmacniacz wejściowy klasy AB, lustro prądowe, stopień o wysokiej impedancji, bufor wyjściowy. Pierwszy tworzą połączone pary tranzystorów T1–T2 i T3–T4. Pełni on funkcję bufora, który przekazuje sygnał z wejścia nieodwracającego na wejście odwracające. Na schemacie zastępczym na rysunku 6 jest on modelowany jako wtórnik napięciowy. Tranzystory T5 i T6 tworzą lustro prądowe, więc prąd kolektora tranzystora T6 jest równy prądowi kolektora tranzystora T2. Analogicznie w drugiej sekcji tego stopnia wzmacniacza tranzystory T7 i T8 tworzą lustro prądowe, a prąd kolektora tranzystora T8 jest taki jak prąd kolektora tranzystora T4. Na schemacie zastępczym na rysunku 6 jest to przedstawione jako źródło prądowe o natężeniu równym wejściowemu prądowemu sygnałowi błędu. Jest on podawany na stopień o wysokiej impedancji. W nim przepływ prądu I1 lub I2 powoduje powstanie napięcia UC w punkcie o wysokiej impedancji, w którym połączone są tranzystory T9, T10 i kondensator CC. Sekcję tę na rysunku 6 zastępuje impedancja równoległego połączenia zastępczej rezystancji RT i kondensatora CC odpowiadającego zastępczej pojemności równoległego połączenia kondensatorów odsprzegających zasilanie. Ostatni stopień z kolei, jak w przypadku wzmacniaczy ze sprzężeniem napięciowym, stanowi bufor o wzmocnieniu 1 przenoszący na wyjście wzmacniacza napięcie UC. Tworzą go tranzystory od T11 do T18. Na rysunku 6 odwzorowuje go wtórnik napięciowy.
Na podstawie schematu zastępczego wzmacniacza na rysunku 6 można podać zależność opisującą jego charakterystykę transimpedancji w pętli otwartej:
Na rysunku 6 przedstawiono również jej przebieg.
Wnioski
Porównując modele wzmacniaczy obu typów, można zauważyć, że w praktyce w obydwu stopnie o wysokiej impedancji generujące napięcie wyjściowe są zasilane prądowym sygnałem błędu. We wzmacniaczach ze sprzężeniem napięciowym jest to prąd wyjścia stopnia transkonduktancyjnego. Skutkiem tego jest ograniczona szybkość przełączania, zaś konsekwencją tego mniejsza szerokość pasma przenoszenia i mniejsza szybkość narastania sygnału wyjściowego (slew rate). We wzmacniaczach ze sprzężeniem prądowym, w których nie występuje konwersja napięcia na prąd, w zamian pobierany jest on "wprost" z zasilania, takie ograniczenia nie występują. Oznacza to krótszy czas przełączania, a zatem szersze pasmo przenoszenia oraz szybsze narastanie sygnału wyjściowego.
Schematy zastępcze
Na rysunku 7 przedstawiono schematy zastępcze wzmacniaczy obu typów w układzie ze sprzężeniem zwrotnym. W oparciu o nie dla wzmacniacza ze sprzężeniem napięciowym można wyprowadzić następującą zależność:
By móc ją porównać z analogiczną dla wzmacniacza ze sprzężeniem prądowym, trzeba ją przekształcić do postaci:
By móc ją porównać z analogiczną dla wzmacniacza ze sprzężeniem prądowym, trzeba ją przekształcić do postaci:
gdzie:
wzor
Odpowiednikiem zależności 3 w przypadku wzmacniaczy ze sprzężeniem prądowym jest:
Po przekształceniu jej do postaci analogicznej do 4 otrzymujemy:
gdzie:
Wnioski cd.
Współczynniki A i C, czyli wzmocnienia w układzie ze sprzężeniem zwrotnym, są w przypadku obu typów wzmacniaczy takie same. Różnią się one jednak wzorami współczynników B i D, od których zależy pasmo przenoszenia i stabilność wzmacniacza. Wyznacza się je jako iloczyn wzmocnienia w układzie otwartym i współczynnika sprzężenia zwrotnego. W miejscu przecięcia się charakterystyki wzmocnienia z prostą odpowiadającą wzmocnieniu w układzie ze sprzężeniem zwrotnym B jest w wypadku wzmacniaczy ze sprzężeniem napięciowym równy 1. Częstotliwość w tym punkcie jest graniczna. Powyżej niej wzmocnienie w układzie zamkniętym maleje od wartości wynikającej z doboru komponentów obwodu sprzężenia zwrotnego, podążając za przebiegiem wzmocnienia w układzie otwartym. Oznacza to, że większe wzmocnienie w układzie ze sprzężeniem zwrotnym to węższe pasmo przenoszenia (największe odpowiada 1, tzn. 0 dB) i na odwrót. Zależność ta jest ważnym ograniczeniem wzmacniaczy ze sprzężeniem napięciowym. Jedną z ich zalet jest natomiast to, że można na wiele sposobów zapobiec ich niestabilności. Ponadto można dowolnie dobrać wartości rezystorów sprzężenia zwrotnego, inaczej niż w przypadku wzmacniaczy drugiego typu.
Na charakterystyce wzmacniacza ze sprzężeniem prądowym współczynnik D jest równy 1 w miejscu jej przecięcia się z linią prostą, która odpowiada rezystancji R2 (rys. 8b). Analogicznie jak w przypadku wzmacniaczy ze sprzężeniem napięciowym częstotliwość w tym punkcie jest graniczna. Ma to istotną konsekwencję – szerokość pasma przenoszenia zależy od R2, a nie od wzmocnienia obwodu. Jak zatem wcześniej wspomniano, wzmacniacze operacyjne ze sprzężeniem prądowym nie pozwalają na swobodny wybór wartości rezystorów sprzężenia zwrotnego. Dlatego w karcie katalogowej zwykle podane są R2 dla różnych wzmocnień, przy których zapewniona jest maksymalna szerokość pasma przenoszenia oraz stabilność układu. W efekcie najlepszą praktyką podczas projektowania obwodów ze wzmacniaczami operacyjnymi tego typu jest dostosowanie się do zaleceń dotyczących wartości R2 i uzyskanie pożądanego wzmocnienia przez dobór rezystancji R1. Należy też pamiętać, że nawet w przypadku wzmocnienia równego 1 wymagane są rezystory sprzężenia zwrotnego.
Podsumowanie
Ważne cechy wzmacniaczy ze sprzężeniem prądowym, o których powinno się pamiętać, to: wejścia asymetryczne, mniejsze wzmocnienie pętli otwartej i precyzja DC, niż wzmacniaczy drugiego typu, większe wejściowe napięcie niezrównoważenia, mała impedancja wejścia odwracającego oraz duża wejścia nieodwracającego, większe i różne wejściowe prądy polaryzacji i narzucona rezystancja w sekcji sprzężenia zwrotnego. Wzmacniacze tego typu sprawdzają się w związku z tym najlepiej w zastosowaniach, które wymagają: względnie stałego pasma przenoszenia dla różnych wzmocnień, szerokiego pasma przenoszenia oraz dużej szybkości narastania sygnału wyjściowego przy małych zniekształceniach. Oprócz tego, ponieważ są zoptymalizowane pod kątem stałej wartości rezystora sprzężenia zwrotnego, brak elastyczności w tym zakresie sprawia, że nie nadają się do realizacji większości aktywnych filtrów z wyjątkiem tych prostszych, jak na przykład Sallena Keya.
W przypadku wzmacniaczy ze sprzężeniem napięciowym z kolei ważne cechy do zapamiętania to: symetryczne wejścia, duże wzmocnienie pętli otwartej i dokładność DC, dostępność wejść i wyjść typu rail-to-rail, małe napięcie offsetu (<20 μV), małe prądy polaryzacji (<200 fA) oraz dowolność w doborze wartości elementów sekcji sprzężenia zwrotnego. Sprawdzają się one przede wszystkim w: obwodach o dużej precyzji, niskim poziomie szumów i wąskim pasmie przenoszenia, w filtrach aktywnych, o prostszych i bardziej złożonych konfiguracjach. Są także częściej spotykane we wzmacniaczach odwracających niż wzmacniacze ze sprzężeniem prądowym ze względu na małą impedancję wejścia odwracającego tych drugich.
Warto też dodać, że praktyczne realizacje wzmacniaczy obu typów różnie odbiegają od idealnych założeń przyjmowanych w ich modelach. Ponieważ w przypadku wzmacniaczy ze sprzężeniem napięciowym jest ich mniej (zakłada się, że wzmocnienie w układzie otwartym jest bardzo duże) w porównaniu do tych ze sprzężeniem prądowym (przyjmuje się, że transimpedancja jest bardzo duża, a impedancja wyjściowa bufora wyjściowego jest bardzo niska), w przypadku tych drugich trudniej jest jednocześnie je spełnić.
Monika Jaworowska
