Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej Programy CAD w praktyce inŝynierskiej dr inż. Piotr Pietrzak pietrzak@dmcs dmcs.p..p.lodz.pl pok. 54, tel. 63 6 0 www.dmcs dmcs.pl
Wzmacniacze operacyjne - parametry Sygnał współbieżny () Zakres zmian wspólnego napięcia wejściowego (ang. Input Common- Mode Voltage ange, V CM ) [V] Współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego (ang. Common-Mode ejection atio, CMM) [db] Wspólne napięcie wejściowe (sygnał współbieżny) to napięcie mierzone względem potencjału odniesienia, występujące na obu wejściach wzmacniacza jednocześnie. Dla większości nowoczesnych wzmacniaczy wspólne napięcie wejściowe może osiągać wartość bliską wartości napięć zasilających (nie zawsze symetrycznie!!!), jednak parametry układu ulegają znacznemu pogorszeniu. W granicznych przypadkach przekroczenie wartości dopuszczalnej może doprowadzić do uszkodzenia wzmacniacza! Wartość współczynnika tłumienia sygnału współbieżnego (ang. Common-Mode ejection atio, CMM) określona jest ilorazem współczynnika wzmocnienia układu dla napięcia wspólnego przez współczynnik wzmocnienia układu dla napięcia różnicowego. Najczęściej współczynnik ten jest wyrażony w decybelach i typowo osiąga wartości 60-0dB. Niekiedy oznaczany jest poprzez CM, szczególnie gdy wyrażony jest w db.
Wzmacniacze operacyjne - parametry Sygnał współbieżny () Duże wartości współczynnika tłumienia sygnału współbieżnego posiadają wzmacniacze różnicowe oraz wzmacniacze pomiarowe. Należy je stosować w przypadku konieczności pomiaru małego co do wartości sygnału różnicowego nałożonego na wspólny dla obu wejść wzmacniacza sygnał stały o dużej wartości. Gdy wzmacniacz operacyjny pracuje w konfiguracji wzmacniacza odwracającego, parametry układu nie zależą od wartości CMM zastosowanego wzmacniacza operacyjnego w przypadku pracy w konfiguracji wzmacniacza nieodwracającego zależą (!) Wyznaczanie błędu spowodowanego ograniczoną wartością współczynnika tłumienia sygnału współbieżnego (dla układu wzmacniacza nieodwracającego):
Wzmacniacze operacyjne - parametry Impedancja wejściowa () Impedancja wejściowa dla sygnałów różnicowych (ang. Differential Input Impedance) [Ω pf] Impedancja wejściowa dla sygnałów współbieżnych (ang. Common-Mode Input Impedance) [Ω pf] Przez impedancję wejściową wzmacniacza dla sygnałów różnicowych rozumiana jest wartość rezystancji oraz pojemności zmierzonych pomiędzy wejściami wzmacniacza pracującego z otwartą pętlą lub widziane na jednym z wejść wzmacniacza (względem masy), przy drugim wyprowadzeniu zwartym do masy. Przez impedancję wejściową wzmacniacza dla sygnałów współbieżnych rozumiana jest wartość rezystancji oraz pojemności zmierzonej pomiędzy dowolnym wejściem wzmacniacza a masą. Jej wartość najczęściej jest wielokrotnie większa od wartości impedancji wejściowej dla sygnałów różnicowych Impedancja wejściowa wzmacniacza wraz z impedancją źródła sygnału sterującego wzmacniaczem tworzą dzielnik napięciowy, który obniża wartość wyznaczonego wzmocnienia układu.
Wzmacniacze operacyjne - parametry Impedancja wejściowa () Wartość impedancji wejściowej zależy głównie od technologii, w której zostały wykonane tranzystory stopnia wejściowego wzmacniacza (od pojedynczych MΩ dla tranzystorów bipolarnych na wejściu do setek GΩ dla tranzystorów JFET). Zmiana wartości napięcia wspólnego na wejściach wzmacniacza powoduje zmianę punktu pracy tranzystorów wejściowych, a przez to zmianę impedancji wejściowej dla sygnałów współbieżnych.
Wzmacniacze operacyjne - parametry Zasilanie Napięcie zasilania (ang. Operating Voltage ange, V S ) [V] Pobór prądu (ang. Quiescent Current (per amplifier), I Q ) [ma] Na rynku dostępne są wzmacniacze przeznaczone do pracy z pojedynczym napięciem zasilającym (ang. single supply) oraz wzmacniacze wymagające zasilania symetrycznego. Przy określeniu typu wzmacniacza ze względu na sposób zasilania, należy wziąć pod uwagę zakres zmian sygnału na wejściu wzmacniacza, żądany zakres zmian napięcia na jego wyjściu, parametry dynamiczne projektowanego układu (np. poziom szumów, szybkość działania), właściwości źródła sygnału (np. impedancja) oraz dostępne źródła napięcia zasilającego (np. zasilanie sieciowe, bateryjne). Pobór prądu ze źródła zasilającego wzmacniacz zależy głównie od technologii, w jakiej został on wykonany (np. Bipolarna, CMOS) oraz od przeznaczenia wzmacniacza (np. praca z wysokimi/niskimi częstotliwościami sygnału).
Wzmacniacze operacyjne - parametry Współczynnik tłumienia zmian napięcia zasilającego Współczynnik tłumienia zmian napięcia zasilającego (ang. Power Supply ejection atio, PS lub Supply Voltage ejection atio, SV) [db] Wartość współczynnika tłumienia zmian napięcia zasilającego (ang. Power Supply ejection atio, PS) określona jest ilorazem zmiany napięcia niezrównoważenia wzmacniacza do wywołującej ją zmiany napięcia zasilania. Najczęściej współczynnik ten jest wyrażony w decybelach lub µv/v i typowo osiąga wartości 60-0dB.
Wzmacniacze operacyjne - parametry Wzmocnienie napięciowego sygnału różnicowego przy otwartej pętli Wartość wzmocnienia napięciowego sygnału różnicowego przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego (ang. Open-Loop Voltage Gain, A OL ) [V/V, db] Wartość wzmocnienia napięciowego sygnału różnicowego przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego (ang. Open-Loop Voltage Gain, A OL ) określona jest ilorazem zmiany napięcia na wyjściu wzmacniacza do wywołującej ją zmiany różnicowego napięcia wejściowego. Współczynnik ten wyrażany jest w decybelach lub V/V i typowo wynosi 0 5, 0 6 dla napięć stałych. A OL = U + ( U U ) IN out IN Wartość wzmocnienia napięciowego sygnału różnicowego wzmacniacza pracującego z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego maleje wraz ze wzrostem częstotliwości, osiągając wartość V/V przy częstotliwości sygnału wejściowego oznaczanej symbolem f T przyjmującej wartości od kilkudziesięciu Hz do kilku GHz
Wzmacniacze operacyjne - parametry Iloczyn pasmo-wzmocnienie Iloczyn pasmo-wzmocnienie (ang. Gain-Bandwidth Product, GBW) [MHz] W notach katalogowych parametrem opisującym iloczyn pasmo - wzmocnienie jest częstotliwość f T, dla której wzmocnienie wzmacniacza jest równe jedności. Zależność wzmocnienia wzmacniacza pracującego z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego od częstotliwości podaje się w postaci wykresu. W przypadku wzmacniaczy operacyjnych stosuje się zasada wymiany pasmo - wzmocnienie. Termin pasmo 3dB, oznacza zakres częstotliwości, dla którego wzmocnienie układu spada o wartość 3dB od wartości nominalnej. W postaci wykresu przedstawia się także zależność od częstotliwości opóźnienia (czyli przesunięcia fazy) pomiędzy sygnałem wyjściowym a sygnałem wejściowym wzmacniacza pracującego z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego. Jeżeli dla pewnej częstotliwości wartość przesunięcia fazy między sygnałem na wejściu wzmacniacza i na jego wyjściu osiągnie wartość 80º, to zrealizowane sprzężenie zwrotne staje się dodatnie.
Wzmacniacze operacyjne - parametry Zakres zmian napięcia na wyjściu wzmacniacza Zakres zmian napięcia na wyjściu lub odchylenie napięcia wyjściowego od napięć zasilających (ang. Output Voltage, Output Voltage Swing from ail, V ) [V,mV] Maksymalne napięcie wyjściowe określa największą wartość napięcia na wyjściu wzmacniacza, przy którym wzmacniacz nie wchodzi w stan nasycenia, czyli dla którego nie następuje obcinanie sygnału wyjściowego. Zakres zmian napięcia na wyjściu wzmacniacza określony jest najczęściej wartością odchylenia maksymalnego napięcia na wyjściu wzmacniacza od górnego i dolnego potencjału napięć zasilających.
Wzmacniacze operacyjne - parametry Szybkość zmian napięcia wyjściowego Szybkość zmian napięcia wyjściowego (ang. Slew ate, S) [V/µs] Szybkość zmian napięcia wyjściowego oznacza maksymalną szybkość zmian na wyjściu wzmacniacza, mierzoną przy wzmocnieniu (wtórnik napięciowy) i sygnale wyjściowym bliskim maksymalnemu napięciu wyjściowemu. Ograniczenie szybkości zmian napięcia wyjściowego wynika przede wszystkim z: ograniczenia wartości prądu dostarczanego przez kolejne stopnie wzmacniające, pojemności wewnętrznych wzmacniacza (w tym pasożytnicznych), pojemności kondensatora kompensacji częstotliwościowej wzmacniacza, umieszczonego zwykle na wyjściu jednego ze stopni wzmacniających lub na wyjściu układu, pojemności i rezystancji (ograniczenie wartości prądu wyjściowego) układu podłączonego do wyjść wzmacniacza. Fakt ograniczenia maksymalnej szybkości zmian napięcia na wyjściu wzmacniacza można wykorzystać do usuwania zakłóceń impulsowych (szpilek zakłócających) nakładających się na sygnał użyteczny, bez jego zniekształcenia. Ten rodzaj filtracji nosi nazwę nieliniowej filtracji dolnoprzepustowej.
Wzmacniacze operacyjne - parametry Prąd wyjściowy wzmacniacza Dopuszczalna wartość prądu wyjściowego (ang. Output Current, I ) [ma] Wyjściowy prąd zwarciowy (ang. Short-Circuit Current, I SC ) [ma] Z powodu ograniczonej wydajności prądowej wzmacniacza, zmniejszanie wartości rezystancji obciążenia prowadzi do zmniejszenia amplitudy napięcia wyjściowego, a przez wprowadza błąd do wyznaczonego wzmocnienia układu. Wpływ obciążenia na wzmocnienie układu oraz przesunięcie fazowe podaje się w postaci wykresów. Dopuszczalna wartość prądu wyjściowego określa wartość prądu pobieranego z wyjścia wzmacniacza, przy której wzmacniacz pracuje prawidłowo. Prąd zwarciowy jest definiowany jako maksymalna wartość prądu wyjściowego wzmacniacza płynącego przy zwarciu jego wyjścia do potencjału masy lub jednego z napięć zasilających. Większość obecnie produkowanych wzmacniaczy posiada zabezpieczenia przed wynikiem wystąpienia zwarcia na wyjściu. Wyznaczając wartość prądu pobieranego z wyjścia wzmacniacza należy wziąć pod uwagę wartość prądu pobieranego przez obwody sprzężenia zwrotnego!
Wzmacniacze operacyjne - parametry Wpływ temperatury na parametry wzmacniacza
Wzmacniacze operacyjne Wpływ technologii produkcji na parametry wzmacniaczy operacyjnych BIPOLA (NPN-BASED): Pierwsze technologie COMPLEMENTAY BIPOLA (CB): ail-to-ail, precyzyjne, szybkie BIPOLA + JFET (BiFET): wysoka impedancja wejściowa, szybkie COMPLEMENTAY BIPOLA + JFET (CBFET): wysoka impedancja wejściowa, szybkie, wyjście ail-to-ail COMPLEMENTAY MOSFET (CMOS): tanie, do mało krytycznych zastosowań BIPOLA + CMOS (BiCMOS): bipolarny stopień wejściowy zwiększa liniowość, niski pobór mocy, wyjście ail-to-ail COMPLEMENTAY BIPOLA + CMOS (CBCMOS): wejścia i wyjścia ail-to-ail, dobra liniowość, niski pobór mocy
Wzmacniacze operacyjne Podstawowe układy pracy. Wzmacniacz odwracający. Inwerter 3. Wzmacniacz nieodwracajcy 4. Wtórnik napięciowy 5. Wzmacniacz sumujący 6. Wzmacniacz różnicowy 7. Układ całkujący 8. Układ różniczkujący 9. Układ logarytmujący 0. Prostownik precyzyjny. Ogranicznik napięcia. Komparator 3. Układy próbkująco - pamiętające 4. Konwerter prąd - napięcie 5. Konwerter napięcie - prąd 6. Przesuwnik fazowy 7. Źródło prądowe 8. Stabilizator napięcia o działaniu ciągłym 9. Przerzutnik Shmitta 0. Generatory sygnału sinusoidalnego. Generator PWM
Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz odwracający () i 00k IN 0,k i i = 0 = 0 = 0 Stąd: U = U U / = - U WE / U / U WE = NG = - / U = U IN
Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz odwracający () IN 0,k 3 3 0,099k 00k W rzeczywistych układach stosuje się dodatkowy rezystor 3 o wartości równej: 3 = = ( )/( + ) Jego zadaniem jest kompensacja błędu spowodowanego napięciem niezrównoważenia powstającego w skutek przepływu wejściowych prądów polaryzujących. Przy = wzmacniacz odwracający pracuje jako inwerter. ezystancja wejściowa wzmacniacza odwracającego jest niewielka i w przybliżeniu równa wartości rezystora
Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz odwracający (3) IN 0,k 3 3 0,099k 00k W celu otrzymania dużej wartości wzmocnienia układu należy stosować w obwodzie sprzężenia zwrotnego rezystory o dużej wartości. Stanowi to wadę powyższego rozwiązania, gdyż rezystancja ta w połączeniu z pojemnościami pasożytniczymi powoduje zwiększenie stałych czasowych układu i ograniczenie pasma przenoszonych częstotliwości. 4 3 W celu eliminacji tej niedogodności można zastosować układ tzw. wzmacniacza potencjometrycznego, którego wzmocnienie opisuje zależność: IN A= + 4 + 4 3
Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz odwracający (3) 3 Charakterystyki amplitudowoczęstotliwościowe i fazowo częstotliwościowe. Uwe = mv Wzmocnienie: NG -000. Pasmo przenoszenia: ok.khz. Zauważalna zmiana fazy przy 00Hz. Wrysowano charakterystyki rezystancji wejściowej we=d(uwe)/d(iwe) Charakterystyki przejściowe U =f(u IN ) oraz NG = duwy/duwe przy temperaturach: 0ºC (zielona), 50ºC (czerwona), 00ºC (niebieska). Przy Uwe=0 Uwy=9.64mV, zatem wejściowe napięcie niezrównoważenia wynosi 9.608uV
Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Model wzmacniaczw zmacniacza odwracającego i 00k IN 0,k i i = 0
Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz nieodwracający IN 6 5 7 U = U IN U = U /( + ) U / U WE = NG = + / IN 3 3 W rzeczywistych układach rezystancja wejściowa układu wzmacniacza nieodwracającego jest bliska wartości rezystancji wejściowej dla sygnału współbieżnego. 3 rezystancja źródła sygnału = ( )/(+) = 3
Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz nieodwracający 3 Charakterystyki amplitudowoczęstotliwościowe i fazowo częstotliwościowe. Uwe=mV. Wzmocnienie: NG 000. Pasmo przenoszenia 3dB: ok.khz. Zauważalna zmiana fazy przy 00Hz. Wrysowano ch-ki rezystancji wejściowej we=d(uwe)/d(iwe). Charakterystyki przejściowe Uwy=f(Uwe) oraz K S =duwy/duwe przy temperaturach: 0ºC (zielona), 50ºC (czerwona), 00ºC (niebieska). Przy Uwe=0 Uwy=.9706mV, zatem wejściowe napięcie niezrównoważenia wynosi 9.608uV
Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wtórnik napięciowy IN 6 5 7 Przy = wzmacniacz odwracający pracuje jako wtórnik napięciowy. Inwerter posiada rezystancję wejściową o bardzo dużej wartości. Wartość rezystora powinna być bliska wartości rezystancji wewnętrznej źródła sygnału wejściowego. IN
Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz sumujący IN UIN UIN U U = + +... + INn n IN a ezystor a należy dobrać tak, aby jego wartość była równa wartości równolegle połączonych rezystorów,,..., n. INn n Sumowanie 3 przebiegów wejściowych
Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz różnicowy () IN U = 3 + + 4 4 U IN U IN W większości przypadków stosuje się: = 4 3 IN 3 4 Wówczas: U = ( U U ) IN IN Dla układów rzeczywistych należy dodatkowo uwzględnić m.in. wpływ nieidealnego tłumienia sygnałów współbieżnych.
Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz różnicowy () Najlepszą kompensację błędu wywołanego wejściowymi prądami polaryzacji uzyskuje się dla: IN + = 3 4 + 3 4 Niedopasowanie wartości rezystancji ma zasadniczy wpływ na wartość CM wzmacniacza, gdyż: + CM= 0log k k Gdzie k oznacza niedopasowanie poszczególnych ilorazów rezystancji, w których skład wchodzą także rezystancje źródeł obu sygnałów wejściowych. Niedopasowanie rzędu 0,% powoduje spadek CM dla składowych stałych do wartości ok. 66dB (!) Impedancja wejściowa wzmacniacza różnicowego jest relatywnie niska i przyjmuje różne wartości dla poszczególnych wejść: dla wejścia IN oraz 3 + 4 dla wejścia IN IN 3 4
Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz pomiarowy z dwoma wzmacniaczami operacyjnymi Vref G NG= + + G ' ' Wzmocnienie układu można regulować wartością rezystora G. IN OP IN OP U = + G ( UIN UIN) + + Vref Układ charakteryzuje się dużą wartością impedancji wejściowej Najczęściej: = ' ' Wartość CM dla składowej stałej ograniczona jest dopasowaniem / oraz /. W przypadku niedopasowania dowolnego rezystora układu: wzmocnienie 00 CM 0log % niedopasowania
Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz pomiarowy z dwoma wzmacniaczami operacyjnymi Vref G ezystory wzmacniaczy pomiarowych poddawane są procesowi strojenia laserowego. Dzięki temu początkowy błąd wartości (tolerancja) 0% zostaje zmniejszona do 0,0%. IN A ' IN OP ' OP W przypadku zasilania układu wzmacniacza pomiarowego napięciem podwójnym, wyprowadzenie V ref podłączone jest zwykle do masy. W trybie zasilania jednym napięciem, V ref powinno zostać podłączone do niskoimpedancyjnego źródła napięcia odniesienia o wartości równej połowie wartości napięcia zasilania. Wzmocnienie napięciowe układu od V ref do punktu A jest równe /, natomiast wzmocnienie od punktu A do wyjścia /. Wypadkowe wzmocnienie napięcia V ref jest zatem równe jedności (przy założeniu idealnego dopasowania wartości rezystorów). Należy stosować źródło napięcia odniesienia o niskiej impedancji wyjściowej. W przeciwnym wypadku znacznemu pogorszeniu ulegnie współczynnik CM.
Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz pomiarowy z dwoma wzmacniaczami operacyjnymi Wadą rozwiązania jest konieczność uwzględnienia wartości wzmocnienia układu przy wyznaczaniu dopuszczalnej wartości napięcia wspólnego, ponieważ wzmacniacz OP musi wzmocnić sygnał podany na wejście IN (+ / ) razy. Vref IN A ' IN G OP ' OP Jeżeli zatem >> (mała wartość wzmocnienia układu), dla zbyt dużej wartości napięcia wspólnego napięcie wyjściowe wzmacniacza OP będzie bliskie napięciu nasycenia, uniemożliwiając przekazanie wzmocnionego sygnału różnicowego do wzmacniacza OP. Dla dużych wzmocnień <<, zapas napięcia na wyjściu wzmacniacza OP (w punkcie A) jest relatywnie wyższy, umożliwiając pracę z wyższą wartością napięcia wspólnego. W efekcie układ pracuje prawidłowo przy wzmocnieniach większych od ok. 0. Współczynnik CM dla sygnałów przemiennych przyjmuje niskie wartości ze względu na dodatkowe przesunięcie fazy pomiędzy wejściem IN a wyjściem wprowadzanym przez wzmacniacz OP. Dodatkowo obydwa wzmacniacze pracują z różnymi wartościami wzmocnień określonych pętlami sprzężenia zwrotnego, a przez to z różnymi szerokościami pasm przenoszonych częstotliwości. Błędy wywołane nieidealnym tłumieniem sygnału wspólnego we wzmacniaczach OP i OP odejmują się od siebie.
Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz pomiarowy z dwoma wzmacniaczami operacyjnymi