Wzmacniacze operacyjne i komparatory

Wzmacniacze operacyjne, bo one będą gwiazdami tego artykułu, wzięły swoją nazwę od dosyć nieoczywistego dzisiaj zastosowania – od wykonywania operacji matematycznych w komputerach analogowych. Trzeba przyznać, że ich parametry (w wersji idealnej) powodują, że stają się wręcz stworzone do odejmowania, dodawania, całkowania i różniczkowania sygnałów. Owszem, dzisiaj nadal używamy układów całkujących i różniczkujących, jak również sumatorów i subtraktorów, jednak rzadko myślimy o nich jako o układach realizujących działania (inaczej: operacje) matematyczne. To tyle tytułem wyjaśnienia ich nazwy.

Schemat blokowy idealnego wzmacniacza operacyjnego znajduje się na rysunku 1. Ponieważ mówimy o ideałach, to jego impedancja wejściowa powinna być nieskończenie wielka, co oznacza, że przez wejścia nie płyną jakiekolwiek prądy. Wzmocnienie różnicowe powinno być, co nieszczególnie dziwi, nieskończenie wysokie. Z kolei impedancja wyjściowa ma wynosić 0 Ω – tak, okrągłe zero. Ze swojej strony dodam jeszcze, co rzadko się uwzględnia przy wymienianiu cech wzmacniacza idealnego, że jego pole wzmocnienia, definiowane jako GBP (Gain-Bandwidth Product – częstotliwość, przy której wzmocnienie spada do 1 V/V) powinno być nieskończenie szerokie (GBP → ∞), a czas narastania nieskończenie krótki (tr → 0). Ponadto, współczynnik tłumienia tętnień zasilania (PSRR) oraz współczynnik wzmocnienia sumacyjnego (CMRR) powinny dążyć do zera. No, tośmy się pośmiali… Idealnych podzespołów wszak nie ma, a im bardziej złożony jest element, tym więcej cech odróżnia go od tego ideału. Jak pokażę w dalszej części artykułu, są jednak możliwe pewne kompromisy, które pod pewnymi względami dają nam coś, co możemy uznawać za dużą dozę doskonałości.

Rysunek 1. Schemat blokowy idealnego wzmacniacza operacyjnego [1]

Bardzo często obok wzmacniaczy operacyjnych występują, choć dosyć nieśmiało, ich bliscy kuzyni, czyli komparatory. Nie ma się co dziwić, bo od strony układowej wyglądają niemal tak samo, zaś na schematach wręcz identycznie, a jednak ich przeznaczenie jest zdecydowanie mniej różnorodne. Podobnie jak wzmacniacze operacyjne, komparatory mają za zadanie wzmocnienie różnicy między dwoma potencjałami przyłożonymi do ich wejść, lecz tylko po to, by zasygnalizować, który z nich ma większą wartość. I to tyle, koniec romantycznej opowieści. Mimo tego, komparatory są bardzo istotne w nowoczesnych układach analogowych, a już na pewno stanowią doskonały „pomost” na styku świata analogowego z cyfrowym.

Stopień wejściowy

Zarówno wzmacniacze operacyjne, jak i komparatory, zawsze posiadają wejście różnicowe. I zawsze jest ono realizowane przy użyciu mniej lub bardziej rozbudowanego układu różnicowego. Przykładowy, znajdujący się w strukturze bardzo popularnego układu LM358, można zobaczyć na rysunku 2.

Rysunek 2. Schemat ideowy stopnia wejściowego układów LM358 i pokrewnych [2]

Podstawowy układ różnicowy (tranzystory Q18 i Q20) są sterowane przez wtórniki napięciowe zrealizowane na tranzystorach Q17 i Q21 – wszystkie o polaryzacji PNP. Daje to dwie informacje, użyteczne w praktyce:

• wejście będzie dobrze obsługiwało potencjały bliskie ujemnej linii zasilającej;
• prądy polaryzujące tranzystory stopnia wejściowego będą wypływały z wyprowadzeń wejściowych, a nie do nich wpływały.

Na temat pierwszej informacji z reguły szerzej rozpisuje się każda karta katalogowa w swojej dalszej części, w których podany jest zakres obsługiwanych napięć, ale rzut oka na schemat daje nam pewną intuicję w tym zakresie: niskie potencjały owszem, wysokie już nie za bardzo. Z kolei druga informacja również ma swoje odzwierciedlenie w tabelach w postaci ujemnych wartości prądów wejściowych (rysunek 3), ale nie zawsze bywa to przestrzegane przez producentów. Ma to dla nas, konstruktorów elektroników, niebagatelne znaczenie w aplikacjach wymagających przenoszenia składowej stałej lub tam, gdzie trzeba na nią uważać. Otóż dodanie rezystancji szeregowej z wejściem, z którego wypływa prąd spowoduje podniesienie potencjału tego wejścia, co ma bezpośrednie przełożenie na napięcie wyjściowe: przy wejściu nieodwracającym spowoduje jego podniesienie, zaś przy odwracającym obniżenie.

Rysunek 3. Ujemne wartości prądów wejściowych układów LM358 i pokrewnych [2]

Piszę o tym nie bez przyczyny, ponieważ wiele lat temu realizowałem prosty układ wzmacniacza (nieodwracającego) sygnał z czujnika dymu. Nie skompensowałem odpowiednio rezystancji „widzianych” przez wejścia i okazało się, że napięcie wyjściowe jest podniesione o jakiś niewytłumaczalny offset, zawsze z konkretnym znakiem. Jak się okazało, winna był właśnie prąd „wypływający” z wejść. Dobór odpowiednich rezystancji załatwił temat.

Przykład z rysunku 2 jest bardzo często spotykany, by nie powiedzieć – banalny. Na rysunku 4 znajduje się schemat stopnia wejściowego układu, który można postawić obok ideału (pod względem wartości prądów wejściowych) i niewiele się pomylić. Tak, szumi. Tak, ma offset napięciowy jak z Grudziądza do Honolulu. Ale tranzystory JFET z kanałem typu P w stopniu wejściowym dają fenomenalną rezystancję wejściową, rzędu 1 TΩ, przy prądzie wejściowym rzędu 50…400 pA (maksymalnie 8 nA – w podwyższonej temperaturze zaczyna się ujawniać prąd wynikający z samoistnej generacji termicznej par elektron-dziura). W zakresie temperatur „pokojowych” i niższych w takim układzie nie trzeba szczególnie przejmować się kompensacją prądów polaryzujących wejścia, co jest wygodne w aplikacjach np. ze zmiennym wzmocnieniem.

Rysunek 4. Schemat ideowy stopnia wejściowego układu TL082 [3]

No dobrze – ktoś mógłby powiedzieć – czym się zachwycać, skoro mamy do dyspozycji wzmacniacze operacyjne CMOS, posiadające prąd wejściowy rzędu femtoamperów czy pojedynczych pikoamperów, jak chociażby popularny OPA336 (rysunek 5). Wszak izolator podbramkowy zawsze będzie lepszym… właśnie, izolatorem, niż spolaryzowane zaporowo złącze PN. To dopiero jest ideał, wejścia prezentują sobą prawdziwe rozwarcie! Owszem, wejścia tak, tylko z reguły cierpi reszta układu: niskie napięcie zasilania, wysokie szumy, bardzo niski slew-rate lub inne „bolączki”. Za to pobór prądu przez wzmacniacz operacyjny też z reguły jest najprzyjemniejszy w wydaniu układów CMOS, bowiem takiemu OPA336 wystarczy 20 μA, w porywach do 42 μA [4]. Nie jest prawdą, że wzmacniacze CMOS muszą być wolne – pierwszy z brzegu OPA356 ma wejścia CMOS a cechuje się GBW sięgającym 200 MHz [5] i slew-rate rzędu –360…+300 V/μs. (co się dziwić, szerokie pasmo) powodują, że układ ten bynajmniej nie jest wolny. Ale napięcie zasilające nie większe niż 5,5 V powoduje, że układ ten nie może występować w każdym zastosowaniu, choć z pewnością jest kuszący.

Rysunek 5. Prądy wejściowe układów OPA336 i pokrewnych [4]

Nie wolno zapominać o wzmacniaczach rail-to-rail, które mają stopień wejściowy zbudowany inaczej niż w poprzednio omówionych układach. Zamiast pojedynczego układu różnicowego, zawiera on tak naprawdę dwa układy różnicowe, zbudowane z komplementarnych tranzystorów. I tak oto układy różnicowe z tranzystorami NPN (lub z kanałem typu N) dobrze obsługują wysokie napięcia, bliskie dodatniej linii zasilającej, z kolei układy różnicowe z tranzystorami PNP (lub z kanałem typu P) sprawdzają się w obsłudze napięć niskich, bliskich ujemnej linii zasilającej. W dalszej części wzmacniacza operacyjnego trzeba połączyć sygnały wychodzące z obu tych wzmacniaczy, co samo w sobie jest bardzo ciekawe. Pewną zaletą jest wzajemna kompensacja prądów polaryzujących bazy tranzystorów bipolarnych przz tranzystory o odmiennym typie polaryzacji. Nie darzę zbytnim zaufaniem wzmacniaczy rail-to-rail, ponieważ w pobliżu owych rails są one z reguły bardzo wolne, by nie rzec: zdegenerowane, a i to przy odpowiednio wysokiej rezystancji obciążenia.

Traktuję je jako ostateczność, ponadto wiele dzisiejszych wzmacniaczy CMOS zachowuje się jak wzmacniacze rail-to-rail przy wysokiej rezystancji obciążenia. Wole w swoich układach dążyć do uzyskania pewnego „naddatku” napięcia, który zapewni prawidłową pracę obwodów wzmacniacza operacyjnego – uważam to za pewniejsze niż liczenie, że napięcie wyjściowe naprawdę sięgnie linii zasilającej, co jest szczególnie trudne przy większym poborze prądu z wyjścia wzmacniacza operacyjnego.

Rysunek 6. Konstrukcja stopnia wejściowego wzmacniaczy rail-to-rail [6]

Nowoczesne wzmacniacze operacyjne nie kończą się bynajmniej na opisanych tutaj układach. Ich oferta u popularnych dystrybutorów liczy tysiące pozycji, więc opisanie ich wszystkich jest zajęciem karkołomnym. Zwrócę uwagę na ciekawy układ: LT1364 (podwójny) tudzież LT1365 (poczwórny) wzmacniacz operacyjny o slew-rate, uwaga… 1000 V/μs! Mają szeroki zakres napięć zasilających (±2,5…15 V) i stosunkowo niski pobór prądu, rzędu 6…8 mA na wzmacniacz [7]. Bardzo dobrze sprawują się w roli driverów kabli koncentrycznych 50 Ω i 75 Ω. To wzmacniacz operacyjny o dosyć unikalnej technologii, w której prąd stopnia wejściowego jest zmieniany dynamicznie w zależności od napięcia różnicowego. Przy dużych skokach, do obsługi których których przydaje się wysoki slew-rate, prąd stopnia wejściowego jest zwiększany, zaś przy małych sygnałach pracuje on z niewielkim prądem. To skutkuje dwiema przeciwstawnymi cechami: niskim poziomem szumów (w obrębie słabych sygnałów) oraz wysokim slew-rate dla sygnałów o wysokich amplitudach. Taka szybkość pozwala na obsługę sygnałów w bardzo szerokim paśmie, co przybliża ów wzmacniacz do ideału pod względem szybkości działania (oczywiście, w zakresie do kilkunastu-kilkudziesięciu megaherców).

Grzechem byłoby nie wspomnieć o wzmacniaczach operacyjnych z prądowym sprzężeniem zwrotnym (CFB – current feedback), czyli takich, w którym wejście odwracające ma bardzo niską impedancję wejściową, rzędu pojedynczych omów. Uproszczony schemat takiego wzmacniacza wraz z rezystorami sprzężenia zwrotnego znajduje się na rysunku 7. Wynika z niego, że wejścia nie stanowi klasyczny układ różnicowy, lecz bazy komplementarnych tranzystorów bipolarnych (wejście nieodwracające, „+”) oraz ich emitery (wejście odwracające, „–”). Taki wzmacniacz operacyjny ma dużo więcej ograniczeń, jeżeli chodzi o jego otoczenie (rezystancje rezystorów, topologia), za to oferuje znacznie więcej niż typowy VFB (voltage feedback – wzmacniacz operacyjny z napięciowym sprzężeniem zwrotnym), przede wszystkim pod względem pasma i szybkości. Pierwszy z brzegu wzmacniacz operacyjny CFB, AD8011, oferuje pasmo sięgające ponad 100 MHz przy wzmocnieniu napięciowym +10 V/V.

Rysunek 7. Uproszczony schemat wzmacniacza CFB [8]

Co słychać u komparatorów? Niewiele różnią się pod tym względem od wzmacniaczy operacyjnych [9]. Mamy do dyspozycji zarówno różnicowe stopnie wejściowe z tranzystorami bipolarnymi (choćby popularny LM393 ze stopniem wejściowym niemal jak LM358 z rysunku 2), z tranzystorami unipolarnymi JFET (bardzo fajny LF311, polecam) lub z tranzystorami unipolarnymi MOS (np. TLV3701 pobierający nieco ponad 0,5 μA prądu!). Warto nadmienić, iż nie istnieją komparatory CFB, ponieważ ta topologia służy linearyzacji pracy w szerokim zakresie częstotliwości, a przecież komparator jest „zwierzęciem” wybitnie nieliniowym.