Wzmacniacze operacyjne - przegląd konfiguracji
| TechnikaTytułowe podzespoły to jedne z podstawowych elektronicznych bloków funkcyjnych. Zwykle pracują w pętli sprzężenia zwrotnego, a jej obwód decyduje o właściwościach całego układu. Ze względu na nie wyróżnia się kilka konfiguracji przeznaczonych do różnych zastosowań. W artykule przedstawiamy te najpopularniejsze.
Przykładem są wtórniki napięciowe. Są to wzmacniacze operacyjne w układzie nieodwracającym, bez dodatkowych komponentów w pętli sprzężenia zwrotnego (rys. 1). Napięcie wyjściowe jest w ich przypadku równe napięciu wejściowemu, dlatego są też nazywane wzmacniaczami o wzmocnieniu równym 1. Chociaż nie wzmacniają sygnału, wtórniki pełnią ważną funkcję bufora napięciowego, w tej konfiguracji wykorzystuje się bowiem charakterystyczne cechy wzmacniaczy operacyjnych. Są to: wysoka impedancja wejściowa, co oznacza, że nie pobierają prądu na wejściach i bardzo niska impedancja wyjściowa.
Jeśli w takim obwodzie zmieniać się będzie rezystancja obciążenia R0, powodować to będzie także, zgodnie z prawem Ohma, zmiany napięcia wyjściowego Uwy. By temu zapobiec, należy odizolować wyjście dzielnika napięcia od obciążenia przez wstawienie wtórnika napięcia między wyjściem a R0, jak na rysunku 3. Dzięki temu Uwy będzie zależało tylko od rezystancji dzielnika R1 i R2.
Wzmacniacze różnicowe
Kolejny przykład to wzmacniacze różnicowe. Stanowią one kombinację wzmacniacza operacyjnego odwracającego i nieodwracającego (rys. 4) i, jak sama nazwa wskazuje, wzmacniają różnicę między dwoma napięciami wejściowymi. Opisuje to zależność:
Jeżeli przyjmiemy, że
formuła upraszcza się do postaci:
W rzeczywistości rezystancje R1 i R3 ani R2 i R4 nie są równe. W praktyce też sam wzmacniacz operacyjny nie jest doskonały. Wyraża to ważna cecha wzmacniaczy różnicowych – współczynnik tłumienia składowej wspólnej dla obu wejść. Jeżeli przykładowo napięcia Uwe1 i Uwe2 wynoszą odpowiednio 3 V i 5 V, to składowa wspólna wynosi 4 V. Uwe1 jest zatem o 1 V mniejsze, a Uwe2 o 1 V większe niż składowa wspólna. Różnica napięć na wejściu to natomiast 2 V. Idealnie zatem wzmocnienie wyrażane stosunkiem rezystancji R1/R2 byłoby zastosowane do tej właśnie wartości. W praktyce jednak składowa wspólna też zostanie wzmocniona i pojawi się na wyjściu wzmacniacza. Zdolność wzmacniacza różnicowego do jej tłumienia jest charakteryzowana przez współczynnik CMRR (Common Mode Rejection Ratio). Jest on wyrażany w dB. Ważny parametr to również maksymalne dopuszczalne napięcie wspólne CMV (Common-Mode Voltage).
Wzmacniacze pomiarowe
Tytułowych komponentów nie należy utożsamiać ze wzmacniaczami operacyjnymi – te drugie to bowiem uniwersalne bloki funkcyjne, natomiast wzmacniacze pomiarowe to specjalizowane układy zaprojektowane pod kątem konkretnej funkcji. Ich cechą wspólną jest to, że zbudowane są z tych samych podstawowych elementów, zasadnicza różnica dotyczy zaś pętli sprzężenia zwrotnego.
W przypadku wzmacniaczy operacyjnych można ją skonfigurować do wykonywania szerokiej gamy funkcji – oprócz już opisanego wtórnika napięciowego można dzięki temu zrealizować m.in. układ sumujący, całkujący i filtry dolno- lub górnoprzepustowy. Z kolei we wzmacniaczach pomiarowych pętla sprzężenia zwrotnego jest ich integralną częścią i nie ma możliwości jej modyfikacji, a ich konfiguracja jest ograniczona do zmiany wzmocnienia przez dobór zewnętrznego rezystora. Kolejny wyróżnik wzmacniaczy tego typu to silne tłumienie składowej wspólnej, dzięki czemu są używane głównie do wyodrębniania małych różnic sygnałów na wejściach wzmacniacza występujących na tle dużej składowej wspólnej. Można pod tym względem zauważyć podobieństwa do wzmacniaczy różnicowych. Te mają jednak kilka ograniczeń. Takimi są przede wszystkim: stosunkowe małe impedancje wejść, ich niedopasowanie oraz niedopasowanie rezystorów w obwodzie sprzężenia zwrotnego. Zwłaszcza te ostatnie wpływają negatywnie na współczynnik CMRR, który wyraża zależność:
gdzie R1 to niedopasowanie rezystorów w pętli sprzężenia zwrotnego. Jeśli założymy, że R1 = R2 = R3 = R4, a niedopasowanie rezystorów wynosi 1%, z zależności uzyskamy współczynnik tłumienia składowej wspólnej na poziomie zaledwie:
Nie jest to wartość zadowalająca w zastosowaniach wymagających dużej precyzji – zwykle nawet przy jeszcze lepszym dopasowaniu rezystorów w obwodzie sprzężenia zwrotnego nie uzyskuje się CMRR większego niż 66 dB. Oprócz tego trzeba jeszcze pod uwagę wziąć zmiany rezystancji pod wpływem temperatury – jeżeli oporniki będą się znacząco różnić pod względem współczynników temperaturowych, jeszcze zwiększy to ich niedopasowanie, a przez to pogorszy CMRR. Alternatywą są scalone wzmacniacze pomiarowe pozbawione tych ograniczeń.
Konfiguracje wzmacniaczy pomiarowych
Wzmacniacze pomiarowe dostępne są m.in. w wersji z dwoma wzmacniaczami operacyjnymi (rys. 5). Całkowite wzmocnienie można w tym przypadku ustawić, zmieniając wartość rezystancji R0 zgodnie z zależnością:
Wzmacniacze pomiarowe tego typu mają kilka ograniczeń. Takim jest to, że nie można uzyskać w nich wzmocnienia równego 1. Wzmocnienie jednostkowe może być wymagane, jeżeli rolą układu ma być przede wszystkim stłumienie składowej wspólnej, w większości zastosowań wzmacniaczy wzmocnienie równe 1 nie jest jednak warunkiem krytycznym.
Wadą wzmacniaczy pomiarowych zrealizowanych jak na rysunku 5 jest również ograniczony zakres sygnału wspólnego na wejściu, zwłaszcza przy niższych wzmocnieniach – jeśli składowa wspólna będzie zbyt duża, wzmacniacz ulegnie nasyceniu. Z drugiej strony ponieważ sygnały wejściowe są doprowadzane bezpośrednio do wejść wzmacniaczy operacyjnych o impedancji wejściowej rzędu MΩ, takie wzmacniacze pomiarowe również jako całość mają bardzo dużą impedancję wejściową. Scalone wzmacniacze pomiarowe generalnie mają też oczywiście lepiej dopasowane rezystory, pod względem wartości (osiągalne są tolerancje rzędu 0,01%) i współczynników temperaturowych, w porównaniu z dyskretnymi wzmacniaczami różnicowymi.
Dostępne są też wzmacniacze pomiarowe w wersji z trzema wzmacniaczami operacyjnymi (rys. 6). Składają się one ze stopnia wejściowego, który stanowią dwa wtórniki napięciowe i wyjściowego, którym jest wzmacniacz różnicowy. Dzięki temu wykorzystuje się zalety obu typów konstrukcji, a mianowicie: dużą, dobrze dopasowaną impedancję wejściową buforów oraz zdolność to tłumienia składowej wspólnej wzmacniaczy różnicowych. W tej konfiguracji wzmocnienie również zależy od wartości rezystancji opornika RG. Jej zaletą w porównaniu z konstrukcją z dwoma wzmacniaczami operacyjnymi jest szerszy zakres dopuszczalnej składowej wspólnej, bez względu na wzmocnienie, dzięki temu, że w stopniu wejściowym pracują wtórniki.
Parametry wzmacniaczy pomiarowych
Niektóre parametry wzmacniaczy operacyjnych charakteryzują też te pomiarowe, ale mają one poza tym kilka specyficznych. Parametry wspólne to: wejściowy prąd polaryzacji i wejściowe napięcie niezrównoważenia (off setu) oraz jego dryft . Pierwszy z nich określa natężenie prądu płynącego do wejść wzmacniacza, wymaganego do polaryzacji tranzystorów wejściowych. Jest ono typowo rzędu pikoamperów do mikroamperów – jego wartość zależy przede wszystkim od konstrukcji obwodów wejściowych wzmacniacza. Parametr ten jest ważny zwłaszcza w razie podłączenia do wejść wzmacniacza źródła sygnału o dużej impedancji, na przykład czujnika. Im większy prąd polaryzacji będzie przez niego przepływał, tym większy będzie spadek napięcia. To z kolei przełoży się na większy błąd pomiaru. Zarówno w przypadku wzmacniaczy operacyjnych, jak i pomiarowych prąd polaryzacji wnosi pod tym względem znaczący wkład.
Drugi wspólny dla obu typów wzmacniaczy parametr, czyli wejściowe napięcie niezrównoważenia, to różnica napięć pomiędzy wejściem odwracającym i nieodwracającym wzmacniacza. Inaczej mówiąc, jest to napięcie, jakie należy podać na jego wejście w układzie otwartym, aby przesunąć jego charakterystykę przejściową tak, żeby przechodziła przez początek układu współrzędnych. Przyczyną napięcia off setu są przede wszystkim rozbieżności parametrów komponentów w stopniu wejściowym wzmacniacza, głównie tranzystorów – rozrzut wynika przede wszystkim ze specyfiki procesów produkcyjnych, w ramach których struktura układu scalonego jest produkowana. Przeważnie jego wartość mieści się w przedziale mikrowoltów do miliwoltów i zależy od temperatury. Wejściowe napięcia niezrównoważenia również jest ważnym składnikiem błędów.
Parametrem specyficznym dla wzmacniaczy pomiarowych jest błąd wzmocnienia. Charakteryzuje on procentowo maksymalną różnicę między wzmocnieniem danego wzmacniacza wynikającym z doboru wartości jego wewnętrznych komponentów a tym osiąganym w rzeczywistości. Parametr ten zależy głównie od tolerancji wykonania rezystorów oraz gradientów temperatury występujących między nimi w ramach struktury scalonej. Specyficzne dla wzmacniaczy pomiarowych jest również maksymalne odchylenie od idealnej charakterystyki wzmocnienia, charakteryzujące nieliniowość charakterystyki rzeczywistej.
Wzmacniacze pomiarowe w praktyce
Ponieważ wyróżnikami wzmacniaczy pomiarowych są duże wzmocnienie różnicowe oraz tłumienie składowej wspólnej, są one bardzo popularne w układach pomiarowych w konfiguracji mostka rezystancyjnego Wheatstone'a. W układzie jak na rysunku 7 można wykorzystać jeden element pomiarowy w postaci komponentu o zmiennej rezystancji, zwykle tensometru, dwa takie elementy lub cztery. Korzyścią wynikająca z większej liczby tensometrów jest zwiększenie czułości – mostek z dwoma elementami o zmiennym oporze będzie miał dwukrotnie większą czułość niż ten z jednym tensometrem, zaś ten z czterema aż czterokrotnie większą niż ćwierćmostek. Na skutek przyłożenia siły do tensometrów i będącej tego efektem zmiany ich rezystancji w punktach mostka dołączonych do wejść wzmacniacza powstanie niewielka różnica potencjałów. Ta zmiana napięcia jest typowo bardzo mała w porównaniu z napięciem wspólnym – jej wzmocnienie, przy równoczesnym stłumieniu składowej wspólnej (i wszelkiego dodatkowego szumu, który jest wspólny dla obu wejść wzmacniacza), jest zadaniem wzmacniacza pomiarowego.
Wzmacniacze izolacyjne
W wielu zastosowaniach pożądane, a nawet konieczne jest, żeby jedna strona obwodu nie była z drugą połączona elektrycznie. Izolacja galwaniczna jest wymagana przede wszystkim, by zapobiec uszkodzeniom wrażliwej części urządzenia przez niebezpieczne napięcia lub prądy generowane w tej drugiej. Przykładem jest konieczność odizolowania czujników, żeby przepięcia nie spowodowały w nich powstania iskier, które na przykład w atmosferze wybuchowej mogą stać się źródłem jej zapłonu i doprowadzić do eksplozji. Kolejny przykład to ochrona przed porażeniem elektrycznym pacjentów poddawanych badaniom EKG, EEG albo EMG. Bariery takie działają oczywiście w dwie strony i często też taka dwustronna ochrona jest wymagana. Przykład to aparat EKG, w przypadku którego wymagana jest ochrona w obu kierunkach – nie tylko bowiem pacjent powinien być zabezpieczony przed porażeniem prądem, ale i urządzenie powinno być chronione na wypadek sytuacji, w której narażone będzie na wysokie napięcie w razie, gdy pacjent będzie wymagał reanimacji z użyciem defibrylatora.
Komponentami, które zapewniają barierę galwaniczną, są wzmacniacze izolacyjne. Wyróżnić można kilka ich typów różniących się sposobem sprzężenia sygnałów między ich wejściem a wyjściem. Najpopularniejsze są bariery: magnetyczna, pojemnościowa oraz optyczna.
Na rysunku 8 przedstawiono schemat blokowy wzmacniacza izolacyjnego AMC1400 z oferty firmy Texas Instruments. Stopień wejściowy tego układu stanowi wzmacniacz różnicowy, który steruje modulatorem delta-sigma (ΔΣ) drugiego rzędu. Modulator przetwarza analogowy sygnał wejściowy na cyfrowy strumień bitów, który jest przesyłany przez pojemnościową barierę izolacyjną. Jest on odbierany po jej drugiej stronie, gdzie jest przetwarzany przez filtr analogowy czwartego rzędu, który zapewnia na wyjściu wzmacniacza wzmocniony sygnał różnicowy. Do transmisji strumienia bitów AMC1400 wykorzystuje dwustanową modulację OOK (On-Off Keying) – blok nadajnika TX w tym celu odpowiednio włącza i wyłącza wewnętrznie generowaną nośną o częstotliwości 480 MHz. Kanał transmisyjny zoptymalizowano pod kątem uzyskania silnego tłumienia składowej wspólnej, a zarazem najniższego poziomu emisji zaburzeń w wyniku przełączania sygnału nośnej.
Wzmacniacze transimpedancyjne
Funkcjonalność wzmacniaczy transimpedancyjnych wykracza poza tę typową dla wyżej opisanych wzmacniaczy, tytułowe komponenty bowiem zapewniają dodatkowo konwersję prądu na napięcie. W uproszczeniu spełniają one zatem taką samą funkcję, jak rezystor – jak wynika z prawa Ohma, napięcie jest równe iloczynowi prądu I i rezystancji R, zatem opornik podłączony do źródła prądu, na którym odłoży się napięcie równe IR, może być traktowany jako przetwornik prądu na napięcie. Można się w związku z tym zastanawiać, czy potrzebujemy wzmacniaczy, które zasadniczo pełnić będą analogiczną funkcję, co "zwykłe" rezystory. Jak się jednak okazuje, jako ich alternatywa wzmacniacze transimpedancyjne mają wiele zalet.
Aby to wyjaśnić, trzeba przypomnieć o podstawowych założeniach, które przyjmuje się, analizując wzmacniacze operacyjne. Po pierwsze, zakłada się, że wejścia wzmacniaczy nie pobierają prądu. Po drugie, przyjmuje się, że napięcia na wejściu odwracającym i nieodwracającym są sobie równe – jest to tzw. wirtualne zwarcie. Na rysunku 9a przedstawiono wzmacniacz transimpedancyjny. W oparciu o ten schemat i powyższe założenia możemy dalej przyjąć, że ponieważ żaden prąd nie wpływa do wejścia odwracającego, cały prąd wejściowy płynie przez rezystor sprzężenia zwrotnego RF do wyjścia i ponieważ wejście nieodwracające jest podłączone do masy, jest też do niej przyłączone wejście odwracające. Ponieważ zatem rezystor w pętli sprzężenia zwrotnego jest z jednej strony podłączony do masy, a z drugiej do wyjścia wzmacniacza, z prawa Ohma wynika, że napięcie wyjściowe jest równe iloczynowi prądu iRF. W przypadku wzmacniaczy transimpedancyjnych wyraża to zależność:
Ponieważ prąd płynie do obwodu, napięcie na rezystorze sprzężenia zwrotnego będzie miało polaryzację, jak pokazano na rysunku 9b. Prawy zacisk rezystora ma mniejszy potencjał niż lewy, a ponieważ lewy zacisk jest na (wirtualnej) masie, napięcie wyjściowe będzie ujemne.
Wzmacniacz transimpedancyjny zapewnia takie samo wzmocnienie jak zwykły rezystor, ale jest znacznie lepszą metodą konwersji prądu na napięcie ze względu na charakterystykę impedancji. Tu warto doprecyzować ważną kwestię – normalnie, przy wzmacnianiu sygnału napięciowego ważne jest, by wzmacniacz miał jak największą impedancję wejściową, w przypadku konwersji prądu na napięcie natomiast impedancja wejściowa wzmacniacza powinna być jak najmniejsza. Ponieważ więc wejście odwracające wzmacniacz transimpedancyjnego jest połączone z masą przez wirtualne zwarcie, jego impedancja wejściowa jest zerowa, nawet gdy rezystancja opornika w pętli sprzężenia zwrotnego ma dużą wartość w celu uzyskania dużego wzmocnienia. Wyjaśnia to kluczową zaletę wzmacniaczy tego typu w porównaniu z konwersją prąd/napięcie przy użyciu "zwykłego" rezystora – w drugim przypadku impedancja wejściowa będzie równa rezystancji, a zatem duże wzmocnienie odpowiadać będzie dużej impedancji wejściowej. Wzmacniacze transimpedancyjne mają również przewagę, jeżeli chodzi o impedancję wyjściową. Jeśli bowiem do obwodu konwersji prądu na napięcie ze "zwykłym" rezystorem równolegle podłączymy obciążenie, wzmocnienie będzie równe wartości zastępczej rezystancji tych dwóch oporników. Gdy zatem wykorzystamy rezystor o dużej rezystancji, żeby uzyskać pożądane wzmocnienie, a następnie podłączymy obciążenie o znacząco mniejszej rezystancji, wzmocnienie także znacznie zmaleje. Impedancja wyjściowa wzmacniaczy transimpedancyjnych, jak i operacyjnych, jest natomiast bardzo mała.
Wzmacniacze transimpedancyjne oparte na wzmacniaczach operacyjnych są często używane do wzmacniania sygnałów prądowych generowanych przez fotodiody. W tym zastosowaniu są one podatne na niestabilność i będące jej następstwem oscylacje. Źródłem problemu jest pojemność pasożytnicze złącza fotodiody. Aby zapewnić stabilność, w tym zastosowaniu obwód sprzężenia zwrotnego wzmacniaczy transimpedancyjnych zwykle uzupełnia się o włączony równolegle z rezystorem kondensator kompensacyjny (rys. 10).
Monika Jaworowska
