Spis treści:
Nie sposób mówić o elektronice analogowej bez uwzględnienia wzmacniaczy operacyjnych. W tym wpisie odkrywamy tajniki tych niezwykle użytecznych układów scalonych!
Wzmacniacz operacyjny - co to takiego?
Wzmacniacze operacyjne, znane również potocznie jako opampy (od ang. operational amplifiers), są niezwykle ważnymi „cegiełkami”, na których opiera się znakomita większość współczesnej elektroniki analogowej. Z powodu wszechstronności oraz doskonałych parametrów, znalazły one zastosowanie w niezliczonych obwodach urządzeń elektronicznych, realizujących rozmaite operacje przetwarzania sygnałów: wzmacnianie, prostowanie przebiegów przemiennych, filtrację, kształtowanie impulsów, stabilizację napięć i prądów, sprzętową emulację indukcyjności i wiele, wiele innych.
Budowa wzmacniacza operacyjnego opiera się na trzech głównych elementach: tranzystorach bipolarnych lub polowych, a także rezystorach oraz (w znacznie mniejszej ilości) kondensatorach, wykonanych rzecz jasna w ramach tej samej, monolitycznej struktury krzemowej. Ich układ wewnętrzny składa się zwykle z kilku stopni wzmacniacza, obwodów zasilania, układów kompensacji temperaturowej i częstotliwościowej oraz innych dodatkowych elementów, pełniących np. funkcje ochrony przed przepięciami ESD na wejściach.
Wzmacniacze operacyjne posiadają najczęściej dwa wejścia: wejście odwracające (oznaczone jako “-” lub “IN-“) oraz wejście nieodwracające (oznaczone jako “+” lub “IN+”). Generalna zasada działania jest bardzo prosta: wzmacniacz „odczytuje” napięcie pomiędzy wejściem „+”, a końcówką „-”, a następnie silnie wzmacnia tę (niewielką) różnicę potencjałów i przesyła ów przetworzony sygnał na wyjście (oznaczone jako “OUT”).
Parametry wzmacniaczy operacyjnych i ich wpływ na konstrukcję układów elektronicznych
Najważniejszą cechą wzmacniaczy operacyjnych pozostaje ich bardzo (bardzo!) wysokie wzmocnienie, określane precyzyjniej jako wzmocnienie w otwartej pętli i mogące osiągać wartości rzędu tysięcy lub nawet milionów razy (V/V). Oznacza to, że – przykładowo – różnica potencjałów wejściowych równa 1 mikrowolt (0.000001 wolta!) może spowodować (zależnie od rodzaju wzmacniacza, indywidualnych cech danego egzemplarza oraz warunków jego pracy) powstanie sygnału wyjściowego równego 1 V (tj. milion razy większego).
Rzecz jasna, tak duże wzmocnienie rzadko jest potrzebne w praktyce – spotyka się je głównie w precyzyjnych, drogich urządzeniach laboratoryjnych czy też aparaturze medycznej. Zwykle potrzebujemy wzmocnienia o wiele słabszego, np. 10x, 100x czy nawet 1000x – aby za pomocą wzmacniacza operacyjnego osiągnąć takie parametry, konieczne jest włączenie go w tzw. pętlę sprzężenia zwrotnego – czyli skierowanie części sygnału wyjściowego niejako z powrotem na wejście. W ten sposób wzmacniacz zostaje niejako „poskromiony” – pracuje (przynajmniej zazwyczaj) dokładnie tak, jakbyśmy tego oczekiwali na podstawie obliczeń.
I tutaj mamy świetną wiadomość – znakomita większość wypadkowych parametrów układu, opartego na wzmacniaczu operacyjnym, zależy niemal wyłącznie od elementów zastosowanych w pętli sprzężenia zwrotnego. Przykładowo – wystarczą dwa odpowiednio dobrane rezystory (jeden pomiędzy wyjściem, a wejściem odwracającym, a drugi – pomiędzy wejściem odwracającym a masą układu), aby ustalić wynikowe wzmocnienie całego układu na ściśle określoną wartość.
Inną ważną cechą wzmacniaczy operacyjnych jest wysoki współczynnik tłumienia sygnału wspólnego (CMRR – ang. Common Mode Rejection Ratio). CMRR odzwierciedla zdolność wzmacniacza operacyjnego do tłumienia napięć, które występują na obu wejściach wzmacniacza w jednakowej fazie, czyli właśnie tak zwanych sygnałów wspólnych. Im wyższy współczynnik tłumienia wspólnego, tym lepiej wzmacniacz operacyjny radzi sobie z eliminacją zakłóceń czy też offsetów, a zatem – bardziej „wyodrębnia” składową różnicową (czyli – innymi słowy – napięcie pomiędzy wejściami „+” i „-”).
Inne parametry wzmacniaczy operacyjnych
Każdy wzmacniacz operacyjny opisany jest przez szereg istotnych parametrów katalogowych, które definiują jego możliwości i przydatność do zastosowania w określonych typach układów elektronicznych. Przykładowo – pasmo przenoszenia określa zakres częstotliwości, w którym wzmacniacz operacyjny będzie w stanie przetwarzać sygnały z minimalnym zniekształceniem. Parametr ten jest ściśle zależny od konkretnego modelu wzmacniacza i może wynosić (zazwyczaj) od kilku kiloherców do kilkuset MHz, a nawet wielu gigaherców. Gwoli ścisłości należy zwrócić uwagę, iż szerokość pasma podaje się zwykle jako tzw. iloczyn wzmocnienia i pasma (GBW – ang. Gain BandWidth product), gdyż im wyższa częstotliwość sygnałów, tym słabiej są one wzmacniane przez opampa.
Zakres napięcia zasilania, w którym wzmacniacz operacyjny działa prawidłowo, może wynosić na przykład od +/-5V do +/-15V, choć istnieją wzmacniacze zdolne do pracy przy napięciach o wiele niższych (np. 1.8 V) lub wyższych (np. do 40 V). W urządzeniach przenośnych i innych systemach o zasilaniu bateryjnym bądź akumulatorowym, spore znaczenie ma także pobór prądu – ten może wynosić od ułamka mA do kilku mA, ale wersje energooszczędne potrafią pracować pobierając ze źródła energii prąd na poziomie kilkudziesięciu mikroamperów, a nawet mniej.
Z kolei impedancja wejściowa mierzy opór, jaki prezentuje układ na swoich wejściach wobec podawanych na nie sygnałów. Wzmacniacze operacyjne mają zwykle bardzo wysoką impedancję wejściową, co oznacza, że pobierają niewielki prąd ze źródła sygnału, minimalizując tym samym obciążenie tego źródła, a zatem – redukując poziom zniekształceń oraz tłumienia. Analogicznie, impedancja wyjściowa określa opór, widziany od strony wyjścia wzmacniacza – im niższa, tym lepiej, ponieważ wzmacniacz jest w stanie dostarczyć prąd o wartości wymaganej do wysterowania większego obciążenia bez utraty amplitudy sygnału.
Kolejnym, bardzo ważnym parametrem wzmacniaczy operacyjnych, o znaczeniu krytycznym zwłaszcza dla precyzyjnych układów pomiarowych, jest wejściowe napięcie niezrównoważenia. Odnosi się ono do niewielkiej różnicy potencjałów między wejściem odwracającym, a wejściem nieodwracającym wzmacniacza operacyjnego w stanie równowagi. Innymi słowy, niedokładności na poziomie struktury krzemowej (nieuniknione w masowej produkcji) sprawiają, że wzmacniacz traktuje pewien poziom napięcia między wejściami jako zwarcie (różnica potencjałów równa zeru), a – co za tym idzie – na rzeczywiste zwarcie wejść (napięcie na wejściach „+” i „-” o identycznej wartości) zareaguje on tak, jak gdyby panowało pomiędzy nimi niewielkie napięcie różnicowe.
Dla układów audio, urządzeń pomiarowych czy też aparatury medycznej, ogromne znaczenie ma także poziom szumów, odzwierciedlający zdolność wzmacniacza operacyjnego do utrzymania niskiego poziomu zakłóceń, wprowadzanych przez niego do sygnału wyjściowego. Szumy są nieodłącznym elementem w obwodach elektronicznych i mogą pochodzić z różnych źródeł, takich jak termiczne fluktuacje rezystancji czy też szumy wynikające ze zjawisk na poziomie kwantowym.
Wybór wzmacniacza operacyjnego - podstawowe zasady
W przypadku projektowania własnego układu analogowego, należy wziąć pod uwagę wszystkie opisane powyżej parametry katalogowe, choć – nie ma co ukrywać – wymaga to sporego doświadczenia oraz wiedzy na temat budowy i działania wzmacniaczy, filtrów, źródeł prądowych, układów kształtowania impulsów i wielu innych obszarów aplikacji wzmacniaczy operacyjnych.
Przykładowo – o ile dla układu wzmacniającego sygnał z fotorezystora bądź fototranzystora w prostym robocie mobilnym (typu światłolub lub line follower) poziom szumów nie będzie miał raczej większego znaczenia (chyba, że planujemy zbudować ultra-czuły pojazd, zdolny do wykrywania niewidocznych gołym okiem ilości światła), to znacznie ważniejszy okaże się zakres napięć zasilania oraz zdolność do pracy w trybie rail-to-rail. To określenie dotyczy ograniczeń, jakim poddane są sygnały na wejściach i wyjściach wzmacniacza operacyjnego – wzmacniacze R-R są szczególnie przydatne w układach zasilanych bateryjnie, w których do dyspozycji konstruktora jest tylko pojedyncze (unipolarne) napięcie zasilania, np. 5 V (a nie – jak w wielu urządzeniach analogowych – zasilanie bipolarne, np. +/- 15 V). Z kolei wysoka impedancja wejściowa będzie istotna np. w układach współpracujących bezpośrednio z fotodiodami – elementami optoelektronicznymi, generującymi słabiutki prąd w odpowiedzi na pobudzenie światłem.
