Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej Programy CAD w praktyce inŜynierskiej dr inż. Piotr Pietrzak [email protected] pok. 54, tel. 631 26 20 www .dmcs.pl Wzmacniacze operacyjne - parametry Sygnał współbieżny (1) • Zakres zmian wspólnego napięcia wejściowego (ang. Input CommonMode Voltage Range, VCM) [V] • Współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego (ang. Common-Mode Rejection Ratio, CMMR) [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 Rejection Ratio, CMMR) 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 60-120dB. Niekiedy oznaczany jest poprzez CMR, szczególnie gdy wyrażony jest w dB. Wzmacniacze operacyjne - parametry Sygnał współbieżny (2) 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 CMMR 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 (1) • 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 (2) Wartość impedancji wejściowej zależy głównie od technologii, w której zostały wykonane tranzystory stopnia wejściowego wzmacniacza (od pojedynczych MΩ Ω dla tranzystorów bipolarnych na wejściu do setek GΩ Ω 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 Range, VS) [V] • Pobór prądu (ang. Quiescent Current (per amplifier), IQ) [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 Rejection Ratio, PSRR lub Supply Voltage Rejection Ratio, SVRR) [dB] Wartość współczynnika tłumienia zmian napięcia zasilającego (ang. Power Supply Rejection Ratio, PSRR) 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 60-110dB. 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, AOL) [V/V, dB] Wartość wzmocnienia napięciowego sygnału różnicowego przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego (ang. Open-Loop Voltage Gain, AOL) 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 105, 106 dla napięć stałych. ∆U out AOL = ∆(U IN + − U IN − ) Wartość wzmocnienia napięciowego sygnału różnicowego wzmacniacza pracującego z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego maleje wraz ze wzrostem częstotliwości, osiągając wartość 1V/V przy częstotliwości sygnału wejściowego oznaczanej symbolem fT 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 fT, 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 „pasmo - wzmocnienie”. operacyjnych stosuje się zasada wymiany 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 180º, 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 Rail, VOUT ) [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 Rate, SR) [V/µs] Szybkość zmian napięcia wyjściowego oznacza maksymalną szybkość zmian na wyjściu wzmacniacza, mierzoną przy wzmocnieniu 1 (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, IOUT) [mA] • Wyjściowy prąd zwarciowy (ang. Short-Circuit Current, ISC) [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 • BIPOLAR (NPN-BASED): Pierwsze technologie • COMPLEMENTARY BIPOLAR (CB): Rail-to-Rail, precyzyjne, szybkie • BIPOLAR + JFET (BiFET): wysoka impedancja wejściowa, szybkie • COMPLEMENTARY BIPOLAR + JFET (CBFET): wysoka impedancja wejściowa, szybkie, wyjście Rail-to-Rail • COMPLEMENTARY MOSFET (CMOS): tanie, do mało krytycznych zastosowań • BIPOLAR + CMOS (BiCMOS): bipolarny stopień wejściowy zwiększa liniowość, niski pobór mocy, wyjście Rail-to-Rail • COMPLEMENTARY BIPOLAR + CMOS (CBCMOS): wejścia i wyjścia Rail-to-Rail, dobra liniowość, niski pobór mocy Wzmacniacze operacyjne Podstawowe układy pracy 1. Wzmacniacz odwracający 12. Komparator 2. Inwerter 13. Układy próbkująco - pamiętające 3. Wzmacniacz nieodwracajcy 14. Konwerter prąd - napięcie 4. Wtórnik napięciowy 15. Konwerter napięcie - prąd 5. Wzmacniacz sumujący 16. Przesuwnik fazowy 6. Wzmacniacz różnicowy 17. Źródło prądowe 7. Układ całkujący 8. Układ różniczkujący 18. Stabilizator napięcia o działaniu ciągłym 9. Układ logarytmujący 10. Prostownik precyzyjny 11. Ogranicznik napięcia 19. Przerzutnik Shmitta 20. Generatory sygnału sinusoidalnego 21. Generator PWM Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz odwracający (1) R2 i2 100k R1 i1 i= 0 IN IN0,1k OUT OUT IN+ IN+ = 0 → IN- = 0 Stąd: UR2 = UOUT UR1 = UIN UOUT/R2 = - UWE/R1 UOUT/ UWE = NG = - R2 /R1 Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz odwracający (2) R2 W rzeczywistych układach stosuje się dodatkowy rezystor R3 o wartości równej: 100k R1 IN 2 IN- 0,1k OUT 3 R3 0,099k IN+ 1 OUT R3 = R1||R2 = (R1 R2)/(R1+R2) Jego zadaniem jest kompensacja błędu spowodowanego napięciem niezrównoważenia powstającego w skutek przepływu wejściowych prądów polaryzujących. Przy R2 = R1 wzmacniacz odwracający pracuje jako inwerter. Rezystancja wejściowa wzmacniacza odwracającego jest niewielka i w przybliżeniu równa wartości rezystora R1 Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz odwracający (3) R2 100k R1 IN 2 IN- 0,1k OUT 3 1 IN+ R3 0,099k OUT 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. R2 R4 R3 W celu eliminacji tej niedogodności można zastosować układ tzw. wzmacniacza potencjometrycznego, którego wzmocnienie opisuje zależność: R1 IN INOUT R R R A = − 2 1 + 4 + 4 R1 R2 R3 IN+ R2 OUT Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz odwracający (3) 1 3 2 Charakterystyki amplitudowoczęstotliwościowe i fazowo częstotliwościowe. Uwe = 1mV Wzmocnienie: NG ≈-1000. Pasmo przenoszenia: ok.1kHz. Zauważalna zmiana fazy przy 100Hz. Wrysowano charakterystyki rezystancji wejściowej Rwe=d(Uwe)/d(Iwe) 2 Charakterystyki przejściowe UOUT =f(UIN) oraz NG = dUwy/dUwe przy temperaturach: • 0ºC (zielona), • 50ºC (czerwona), • 100ºC (niebieska). Przy Uwe=0 Uwy=19.642mV, zatem wejściowe napięcie niezrównoważenia wynosi 19.608uV 1 Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Model wzmacniacza odwracającego R2 i2 100k R1 IN i1 i= 0 IN0,1k OUT IN+ OUT Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz nieodwracający R1 R2 6 IN7 OUT 5 IN IN+ UIN- = UIN UOUT/ UWE = NG = 1+R2 /R1 UIN- = UOUTR1/(R1+R2) R1 R2 2 R3 IN OUT INOUT 3 1 OUT IN+ R3 – rezystancja źródła sygnału R1|| R2 = (R1 R2)/(R1+R2) = R3 W rzeczywistych układach rezystancja wejściowa układu wzmacniacza nieodwracającego jest bliska wartości rezystancji wejściowej dla sygnału współbieżnego. Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz nieodwracający 1 2 3 Charakterystyki przejściowe Uwy=f(Uwe) oraz KS=dUwy/dUwe przy temperaturach: • 0ºC (zielona), • 50ºC (czerwona), • 100ºC (niebieska). Przy Uwe=0 Uwy= 1.9706mV, zatem wejściowe napięcie niezrównoważenia wynosi 19.608uV Charakterystyki amplitudowoczęstotliwościowe i fazowo częstotliwościowe. Uwe=1mV. Wzmocnienie: NG ≈1000. Pasmo przenoszenia 3dB: ok.1kHz. Zauważalna zmiana fazy przy 100Hz. Wrysowano ch-ki rezystancji wejściowej Rwe=d(Uwe)/d(Iwe). 1 2 Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wtórnik napięciowy R1 R2 6 INOUT IN 5 IN+ 7 OUT Przy R1 = ∝ wzmacniacz odwracający pracuje jako wtórnik napięciowy. R Inwerter posiada rezystancję wejściową o bardzo dużej wartości. Wartość rezystora R powinna być bliska wartości rezystancji wewnętrznej źródła sygnału wejściowego. INOUT IN IN+ OUT Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz sumujący R1 U U U U OUT = − R IN1 + IN 2 + ... + INn R2 Rn R1 R IN1 INR2 OUT IN2 IN+ Ra Rn INn Sumowanie 3 przebiegów wejściowych OUT Rezystor Ra należy dobrać tak, aby jego wartość była równa wartości równolegle połączonych rezystorów R1, R2, ..., Rn. Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz różnicowy (1) U OUT R1 R2 R1 + R2 R4 R2 = U IN 2 − U IN1 R1 R3 + R4 R1 IN1 W większości przypadków stosuje się: INOUT R2 R4 = R1 R3 OUT IN+ R3 IN2 R4 Wówczas: U OUT R2 = (U IN 2 − U IN1 ) R1 Dla układów rzeczywistych należy dodatkowo uwzględnić m.in. wpływ nieidealnego tłumienia sygnałów współbieżnych. Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz różnicowy (2) Najlepszą kompensację błędu wywołanego wejściowymi prądami polaryzacji uzyskuje się dla: R1 R2 IN1 R1R2 RR = 3 4 R1 + R2 R3 + R4 Niedopasowanie wartości rezystancji ma zasadniczy wpływ na wartość CMR wzmacniacza, gdyż: INOUT OUT IN+ R3 R4 IN2 R2 1 + R 1 CMRk= 20 log kR Gdzie kR oznacza niedopasowanie poszczególnych ilorazów rezystancji, w których skład wchodzą także rezystancje źródeł obu sygnałów wejściowych. Niedopasowanie rzędu 0,1% powoduje spadek CMR dla składowych stałych do wartości ok. 66dB (!) Impedancja wejściowa wzmacniacza różnicowego jest relatywnie niska i przyjmuje różne wartości dla poszczególnych wejść: R1 dla wejścia IN1 oraz R3 + R4 dla wejścia IN1 Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz pomiarowy z dwoma wzmacniaczami operacyjnymi R2 RG Vref R1 NG = 1 + R2 2 R2 + R1 RG Wzmocnienie układu można regulować wartością rezystora RG. U OUT R2' IN- R1' OUT IN1 IN- IN+ OUT IN2 IN+ OP1 OP2 R2 2 R2 = (U IN 2 − U IN1 )1 + + + Vref R1 RG Układ charakteryzuje się dużą wartością impedancji wejściowej Najczęściej: R2 R2 ' = R1 R1 ' Wartość CMR dla składowej stałej ograniczona jest dopasowaniem R2/R1 oraz R2’/R1’. W przypadku niedopasowania dowolnego rezystora układu: wzmocnienie ×100 CMR ≤ 20 log % niedopasowania OUT Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz pomiarowy z dwoma wzmacniaczami operacyjnymi R2 RG Vref Rezystory wzmacniaczy pomiarowych poddawane są procesowi strojenia laserowego. Dzięki temu początkowy błąd wartości (tolerancja) 20% zostaje zmniejszona do 0,01%. R1 R2' IN- R1' OUT IN1 IN+ IN- A OUT IN2 IN+ OP1 OP2 W przypadku zasilania układu wzmacniacza pomiarowego napięciem podwójnym, wyprowadzenie Vref podłączone jest zwykle do masy. W trybie zasilania jednym napięciem, Vref powinno zostać podłączone do niskoimpedancyjnego źródła napięcia odniesienia o wartości równej połowie wartości napięcia zasilania. Wzmocnienie napięciowe układu od Vref do punktu A jest równe R1/R2, natomiast wzmocnienie od punktu A do wyjścia R2’/R1’. Wypadkowe wzmocnienie napięcia Vref 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 CMR. OUT Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz pomiarowy z dwoma wzmacniaczami operacyjnymi R2 RG Vref Wadą rozwiązania jest konieczność uwzględnienia wartości wzmocnienia układu przy wyznaczaniu dopuszczalnej wartości napięcia wspólnego, ponieważ wzmacniacz OP1 musi wzmocnić sygnał podany na wejście IN1 (1+ R1/R2) razy. R1 R2' IN- R1' OUT IN1 IN+ IN- A OUT IN2 IN+ OP1 OP2 Jeżeli zatem R1>>R2 (mała wartość wzmocnienia układu), dla zbyt dużej wartości napięcia wspólnego napięcie wyjściowe wzmacniacza OP1 będzie bliskie napięciu nasycenia, uniemożliwiając przekazanie wzmocnionego sygnału różnicowego do wzmacniacza OP2. Dla dużych wzmocnień R1<<R2, zapas napięcia na wyjściu wzmacniacza OP1 (w punkcie A) jest relatywnie wyższy, umożliwiając pracę z wyższą wartością napięcia wspólnego. W efekcie układ pracuje prawidłowo przy wzmocnieniach większych od ok. 10. Współczynnik CMR dla sygnałów przemiennych przyjmuje niskie wartości ze względu na dodatkowe przesunięcie fazy pomiędzy wejściem IN1 a wyjściem wprowadzanym przez wzmacniacz OP1. 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 OP1 i OP2 odejmują się od siebie. OUT Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz pomiarowy z dwoma wzmacniaczami operacyjnymi