Wzmacniacze operacyjne jako komparatory
| TechnikaWzmacniacze operacyjne są podstawowymi blokami funkcyjnymi obwodów elektronicznych. Mogą pracować w konfiguracji odwracającej, nieodwracającej, jako wtórniki napięciowe lub komparatory. W ostatnim przypadku trzeba jednak pamiętać, że wzmacniacze operacyjne nie zostały zaprojektowane do tej funkcji, i liczyć się z ograniczeniami, które z tego wynikają.
Komparatory to układy elektroniczne porównujące napięcie wejściowe z napięciem odniesienia. W zależności od tego, które z nich jest większe, ich wyjście przełącza się pomiędzy dwoma poziomami napięcia. Działają zatem jak jednobitowe przetworniki analogowo-cyfrowe. Przykłady ich aplikacji to: sterowanie przełączaniem, wykrywanie polaryzacji, generowanie fali prostokątnej oraz zboczy impulsów.
Funkcjonalność komparatorów nie jest więc skomplikowana. Powinny się charakteryzować małym napięciem offsetu i jego dryftem, dużym wzmocnieniem i dużym tłumieniem składowej wspólnej. Wzmacniacze operacyjne spełniają te wymagania. Z drugiej strony komparatory projektuje się do pracy w układzie z otwartą pętlą, do sterowania układami logicznymi (ich wyjścia są kompatybilne z poziomami napięć układów TTL i CMOS) i pracy z dużą szybkością przełączania, nawet w razie przesterowania.
Powyższych warunków wzmacniacze operacyjne nie spełniają, ponieważ mają wyjścia analogowe, są projektowane do pracy w układzie z pętlą zamkniętą ze sprzężeniem zwrotnym i sterowania prostymi obciążeniami rezystancyjnymi i reaktancyjnymi. Nie powinny również przechodzić w stan nasycenia. Z drugiej strony zwykle mają mniejszy prąd polaryzacji i są tańsze niż komparatory.
Ograniczenia projektowe
Wykorzystując wzmacniacz operacyjny jako komparator (rys. 1), należy wziąć pod uwagę kilka kwestii. Taką jest obecność diod zabezpieczających stopnie wejściowe wzmacniacza przed dużymi różnicowymi napięciami wejściowymi (rys. 2). Wzmacniacz operacyjny pracujący jako komparator nie powinien mieć takiej ochrony. W przeciwnym razie po przyłożeniu napięcia różnicowego, które będzie większe niż napięcie przewodzenia diod, jedna z nich zacznie przewodzić, zwierając ze sobą oba wejścia. Przepływ prądu od źródła odniesienia do wejścia (rys. 3) może uszkodzić wzmacniacz.
Problemy z nasyceniem
Wyróżnikiem komparatorów jest szybkość przełączania. Dostępne są również szybkie wzmacniacze operacyjne. Jeżeli jednak te drugie pełnią funkcję pierwszych, można oczekiwać, że pod względem szybkości nie będą one komparatorom dorównywać. Wynika to stąd, że w konstrukcji wzmacniaczy operacyjnych inaczej niż w komparatorach nie wprowadza się rozwiązań pod kątem porównywania wejść. Komparatory są przeznaczone do pracy z dużymi różnicowymi napięciami wejściowymi, zaś wzmacniacze operacyjne zazwyczaj działają w pętli zamkniętej, a ich napięcia wejściowe ogranicza ujemne sprzężenie zwrotne.
Kiedy wzmacniacz operacyjny zostanie przesterowany, niektóre jego stopnie się nasycają. Jeżeli tak się stanie, wyjście z tego stanu może zająć dużo czasu. Częścią komparatorów są natomiast obwody zapobiegające nasycaniu się. W rezultacie wzmacniacz pracuje wolniej, jeżeli jest używany jako komparator, niż kiedy pracuje w układzie z zamkniętą pętlą. Czas wyjścia ze stanu nasycenia może być dłuższy niż normalne opóźnienie grupowe i zazwyczaj zależy od wielkości przesterowania.
Informacje o tym zamieszczane są w karcie katalogowej. Jeżeli nie są dostępne, należy eksperymentalnie wyznaczyć opóźnienia będące skutkiem spodziewanych w danym przypadku przesterowań. Zaleca się, żeby jako wartość ostateczną przyjąć przynajmniej dwukrotność najdłuższego z tych zaobserwowanych.
Informacje o tym zamieszczane są w karcie katalogowej. Jeżeli nie są dostępne, należy eksperymentalnie wyznaczyć opóźnienia będące skutkiem spodziewanych w danym przypadku przesterowań. Zaleca się, żeby jako wartość ostateczną przyjąć przynajmniej dwukrotność najdłuższego z tych zaobserwowanych.
Opóźnienie propagacji to całkowity czas przełączenia napięcia wyjściowego z poziomu niskiego na wysoki albo wysokiego na niski po zmianie na wejściu komparatora. Zależy on od czasu wyjścia wzmacniacza z nasycenia treg oraz czasu narastania sygnału wyjściowego ts (slew rate). Na rysunku 4 przedstawiono typowy przebieg napięcia na wyjściu wzmacniacza operacyjnego pracującego jako komparator.
Zbyt długi czas wyjścia wzmacniacza z nasycenia treg będzie miał znaczenie w przypadku sygnałów wejściowych dużej częstotliwości, bo wyjście może nie być w stanie osiągnąć poziomu wysokiego lub niskiego, nim sygnał wejściowy znów się zmieni. Wyjaśnia to rysunku 5. Zielona przerywana linia odpowiada sytuacji, w której czas wyjścia wzmacniacza z nasycenia jest wystarczająco krótki w porównaniu do częstotliwości sygnału wejściowego, a linia ciągła – gdy jest zbyt długi. W drugim przypadku sygnał wyjściowy nie osiąga stanu ustalonego przed zmianą sygnału wejściowego, co skutkuje błędami.
Jeżeli chodzi o czas narastania sygnału wyjściowego, to ma on w komparatorach kluczowe znaczenie, ponieważ determinuje szybkość, z jaką zmienia się stan na wyjściu. Im jest dłuższy tym dłużej trwa osiągnięcie poziomu wysokiego albo niskiego, co prowadzi do błędów, jeśli sygnał na wejściu się zmieni, zanim ustali się stan na wyjściu. Pokazano to na rysunku 6. Zielona linia przerywana odpowiada sytuacji, w której czas narastania jest dość krótki, aby wyjście się ustabilizowało zanim zmieni się sygnał na wejściu, a linia ciągła – gdy jest za długi. Wówczas sygnał wyjściowy nie osiąga poziomu docelowego, zanim nie zmieni się sygnał na wejściu.
Układ pośredniczący
Komparatory są projektowane pod kątem sterowania układami logicznymi – na przykład ich stopnie wyjściowe są oddzielnie zasilane, by zapewnić odpowiednie poziomy logiczne. Z kolei w przypadku wzmacniaczy operacyjnych z wyjściem typu rail-to-rail maksymalny poziom dodatni napięcia na wyjściu i minimalny poziom ujemny są zbliżone do napięć zasilania.
Jeżeli układ logiczny i wzmacniacz operacyjny korzystają z tego samego zasilania, to ten drugi, o ile ma wyjście typu rail-to-rail, może z powodzeniem sterować układami logicznymi TTL i CMOS. Jeżeli jednak są zasilane niezależnie, między nimi niezbędny jest dodatkowy obwód pośredniczący. Przykład takiego przedstawiono na rysunku 7a.
W obwodzie tym rezystor RB reguluje prąd bazy tranzystora, a RL prąd kolektora. Im mniejsze są ich wartości, tym układ pośredniczący działa szybciej, ale jednocześnie zużywa więcej prądu. Są to typowo wartości rzędu kilku kiloomów. Jeżeli obwód pośredniczący zbudowany jest z tranzystora MOSFET, to powinien on mieć niskie napięcie progowe bramki oraz napięcie przebicia bramka-źródło większe niż maksymalne napięcia wyjściowe wzmacniacza. Ponadto chociaż wzmacniacz i układ logiczny są zasilane niezależnie od wartości ich napięć zasilania od siebie zależą. Dodatnie napięcie zasilania wzmacniacza musi być odpowiednio większe niż ujemne napięcie zasilania układu logicznego, aby zapewnić napięcie wystarczające do załączenia tranzystora.
Alternatywą jest obwód na rysunku 7 b zbudowany z pary komplementarnych tranzystorów MOSFET. Jego zaletą jest to, że nie pobiera prądu, kiedy nie jest aktywny, ale z drugiej strony występuje duży skok prądu podczas przełączania, gdy oba tranzystory są na krótko włączone. Dodatnie oraz ujemne napięcia zasilania wzmacniacza operacyjnego powinny być odpowiednio równe, albo większe i równe albo mniejsze niż dodatnie i ujemne zasilanie układu logicznego.
Niestabilność
We wzmacniaczach operacyjnych, które pracują jako komparatory, nie występuje ujemne sprzężenie zwrotne, a więc mają bardzo duże wzmocnienie w otwartej pętli. Przy ich przełączaniu może jednak wystąpić dodatnie sprzężenie zwrotne przez pojemność rozproszoną między wyjściem a wejściem nieodwracającym i prądy wyjściowe płynące przez impedancję wspólnej masy. To może wywołać oscylacje. Aby temu zapobiec, należy ograniczyć pojemność rozproszoną i impedancję widzianą od strony wejścia nieodwracającego.
Czasami jednak nie można uniknąć niestabilności w ten sposób. Jedynym wyjściem jest wówczas wprowadzenie kontrolowanego dodatniego sprzężenia zwrotnego w celu wytworzenia histerezy, tak by przy przełączaniu sygnał wejściowy ulegał odwróceniu, zanim nastąpi przełączenie odwrotne. W tym celu wykorzystuje się dwa rezystory jak na rysunku 8. Wielkość histerezy jest proporcjonalna do ich stosunku. Sygnał wejściowy komparatora może być doprowadzony do wejścia odwracającego albo nieodwracającego. W drugim przypadku impedancja źródła musi być na tyle niska, aby mieć nieistotny wpływ na R1. Jeżeli impedancja źródła jest znana, może w tej konfiguracji zastąpić R1.
W przypadku symetrycznego zasilania, gdy napięcie odniesienia jest równe połowie różnicy napięć wyjściowych komparatora, wprowadzenie histerezy przesuwa progi dodatni oraz ujemny o równe wartości względem odniesienia. W przeciwnym razie będą one rozmieszczone asymetrycznie wokół napięcia odniesienia.
Monika Jaworowska
