Współczesne wzmacniacze monolityczne w układach i systemach pomiarowych (1) / PAR 2/2009 / 2009 / Archiwum / Strona główna | PAR Pomiary - Automatyka - Robotyka

Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009

5

Współczesne wzmacniacze monolityczne

w układach i systemach pomiarowych

(1)

W dobie powszechnej dominacji układów mikropro-cesorowych, do budowy elektronicznych urządzeń i systemów pomiarowych stosowane są powszechnie układy liniowe wzmacniaczy monolitycznych. Właści-wości współczesnych wzmacniaczy monolitycznych są rzadko opisywane w ogólnodostępnej literaturze tech-nicznej [1, 2]. Wzmacniacze monolityczne umożliwiają realizację licznych układów, m. in.:

wzmacniacze pomiarowe niskopoziomowych sy-gnałów elektrycznych

przetworniki pomiarowe do czujników elektrycz-nych generacyjelektrycz-nych i parametryczelektrycz-nych

źródła sygnałów wzorcowych symulatory rezystancji multimetry cyfrowe

przetworniki cyfrowo-analogowe i analogowo--cyfrowe

stanowiska pomiarowe do kontroli właściwości me-trologicznych urządzeń i systemów pomiarowych. Wzmacniacz monolityczny, zwany też wzmacnia-czem operacyjnym, stał się podstawowym elementem, na bazie którego realizuje się różne funkcje formowa-nia sygnałów w układach elektronicznych stosowanych w urządzeniach i systemach pomiarowych. W 1962 r. amerykańskie firmy Burr-Brown Research Corporation oraz Philbric Research Inc. wprowadziły na rynek mo-dułowe, tranzystorowe wzmacniacze operacyjne. Pierw-sze monolityczne wzmacniacze operacyjne powPierw-szech- powszech-nie stosowane przez użytkowników pochodziły z firmy Fairchild Semiconductor (1965 r.). Były to wzmacnia-cze serii µA700. Początkowo najbardziej popularny był wzmacniacz µA741, którego odpowiedniki stanowiły podstawowy program produkcyjny wielu firm oferują-cych liniowe układy scalone, w tym firm z Europy Środ-kowej, np. TESLA (MAA741) czy UNITRA (ULY7741). Na przełomie lat sześćdziesiątych i siedemdziesiątych poja-wiły się inne wzmacniacze zaliczane do wzmacniaczy drugiej generacji, np. µA725 – wysokostabilny, µA776 – programowany o niskiej mocy pobieranej, µA740 sto-sujący tranzystory zarówno bipolarne, jak i unipolarne o znacznie szerszym, częstotliwościowym paśmie

prze-Podano definicje parametrów wzmacniacza i jego schemat, przedstawiono

wielkości wpływające na parametry wzmacniacza, omówiono

charaktery-styczne grupy wzmacniaczy stosowanych w układach i systemach

pomia-rowych oraz dokonano przeglądu parametrów wybranych typów

współ-czesnych wzmacniaczy monolitycznych.

noszonych sygnałów, a także wzmacniacz o bardzo ma-łych prądach wejściowych, jak np. LM 101A firmy Na-tional Semiconductor, który wykorzystuje w stopniu wejściowym tranzystory komplementarne npn i pnp w układzie super beta. Lata siedemdziesiąte przyniosły wzmacniacze monolityczne trzeciej generacji, np. typu mono OP-07 firmy Precision Monolithics Inc, strojone laserem o znacznie lepszych parametrach wzmacniania sygnałów napięcia stałego.

Od końca lat osiemdziesiątych ubiegłego wieku do pierwszych lat obecnego stulecia, dzięki postępowi technologii, specjalistyczne firmy takie, jak Analog De-vices, Burr-Brown współdziałająca z Texas Instruments, Linear Technology, National Semiconductor, Fairchild Semiconductor, Maxim Integrated Products i inne opra-cowały oraz produkują zmodernizowane lub nowe typy wzmacniaczy monolitycznych o znacznych i korzyst-nych zmianach parametrów.

Nowe typy wzmacniaczy, oprócz poprawy parame-trów, charakteryzuje miniaturyzacja i znaczne zwięk-szenie upakowania. Liczne publikacje [2, 3, 4] opisu-ją układy przetwarzania sygnałów z zastosowaniem kilku jednakowych wzmacniaczy. Toteż większość producentów liniowych układów monolitycznych opracowała i produkuje w pojedynczych obudowach układy scalone zawierające jeden, dwa lub cztery (rzad-ko trzy) takie same wzmacniacze. Przeważnie firmy oferują układy scalone z pojedynczymi, podwójnymi i poczwórnymi wzmacniaczami w obudowach stan-dardowych typu PDIP-T8 (osiem końcówek) i typu PDIP-T14 (czternaście końcówek) do montażu na pły-tach drukowanych oraz w różnych wersjach obudów miniaturowych do montażu płaskiego, przeważnie są to PDSO-G8 i PDSO-G14. Zdarzają się też wersje tylko w obudowach miniaturowych. Nowe opracowanie (maj 2008 r.) Fairchild Semiconductor bardzo szyb-kiego wzmacniacza pojedynczego FAN4174 [5] oraz analogicznego wzmacniacza podwójnego FAN4274 przewiduje tylko obudowy miniaturowe. Najmniejszą obudową wzmacniacza pojedynczego jest 5-Lead SC-70 o wymiarach 2 mm´2,1 mm´1,1 mm. Dla wzmacnia-cza podwójnego jest to obudowa 8-Lead MSOP o wy-miarach 3 mm´4,9 mm´1,1 mm.

Wzmacniacz monolityczny jest wielotranzystoro-wym układem wzmacniającym o sprzężeniach bez-pośrednich, zawierającym kilka stopni wzmacniania dr inż. Jacek Korytkowski

Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009

6

o bardzo dużym współczynniku wzmocnienia napię-ciowego od 104 _{V/V do 10}8 _{V/V, przewidzianym do} pracy w szerokim przedziale częstotliwości od zera (wzmacnianie napięć stałych) do kilku herców lub nawet do kilkudziesięciu megaherców (np. 70 MHz typ FHP3132 Fairchild Semiconductor [6]).

Wzmacniacz monolityczny jest tak zaprojektowany, że pracuje stabilnie bez wzbudzeń przy bardzo głę-bokich ujemnych sprzężeniach zwrotnych wytwarza-nych przez zewnętrzne obwody sprzężenia zwrotnego typu rezystancyjnego, które formują charakterystyki przetwarzania sygnałów, a parametry samego wzmac-niacza nie wpływają w sposób decydujący na te cha-rakterystyki.

W dalszej części przypomniano określenia ważniej-szych parametrów wzmacniacza, podano jego sche-mat, przedstawiono wielkości wpływające na para-metry wzmacniacza, opisano charakterystyczne grupy wzmacniaczy wykorzystywanych do układów i sys-temów pomiarowych oraz dokonano przeglądu pa-rametrów wybranych typów współczesnych wzmac-niaczy.

Parametry wzmacniacza

Wzmacniacz monolityczny jest wzmacniaczem różni-cowym o dwu końcówkach wejścia: nieinwersyjnej „+” i inwersyjnej „–”, które pracują prawie niezależnie od wartości średniego poziomu napięć na tych końców-kach, w zagwarantowanym przez producenta zakresie napięć wejściowych. Wzmacniacz ten ma jedną końców-kę wyjściową sterowanego źródła napięcia wyjściowe-go, którego drugi biegun jest połączony ze wspólnym punktem zasilania wzmacniacza. Napięcie sterowanego źródła wyjściowego wzmacniacza jest sterowane różni-cą napięć doprowadzonych do wejścia nieinwersyjnego „+” oraz wejścia inwersyjnego „–” (schemat zastępczy na rys. 1).

Wejściowe napięcie wspólne: wartość średnia

na-pięć doprowadzonych pomiędzy wspólnym punktem zasilania a zaciskami wejściowymi:

U

=

U

+

U

2

po-między zaciskami wejściowymi wzmacniacza:

U_r = U₁ – U₂ (2)

Prąd polaryzacji wejścia: wartość prądu

wpływają-cego do końcówki wejściowej wzmacniacza I_p: – prąd polaryzacji wejścia nieinwersyjnego I_p1 – prąd polaryzacji wejścia inwersyjnego I_p2

Wejściowy prąd niezrównoważenia: różnica

war-tości prądów polaryzacji wejść:

I_n= I_p1– I_p2 (3)

Wejściowe napięcie niezrównoważenia: jest to

takie różnicowe napięcie wejściowe, które przy

swo-bodnym dopływie prądów polaryzacji wejść wzmac-niacza powoduje, że napięcie wyjściowe jest równe zeru; napięcie niezrównoważenia oznacza się symbo-lem: U_n

Rezystancja dla napięcia wspólnego: iloraz przyrostu

napięcia wspólnego i odpowiedniego przyrostu sumy prądów polaryzacji obydwu wejść, dla takich wartości napięcia różnicowego, przy których napięcie wyjścio-we jest równe zeru:

R U I I sw w p p = + ∆ D ₁ D ₂ (4)

Rezystancja wejściowa: iloraz przyrostu napięcia

różnicowego i odpowiadającego mu przyrostu prądu niezrównoważenia przy napięciu wspólnym równym zeru:

R_we Ur n

= ∆

∆ I (5)

Rezystancja wyjściowa: wartość zastępczej

rezy-stancji szeregowej źródła napięcia wyjściowego; re-zystancję wyjściową oznacza się: R_wy

Napięcie wyjściowe: napięcie wyjściowe

wzmacnia-cza względem wspólnego punktu zasilania mierzone przy pomijalnym spadku napięcia na rezystancji wyj-ściowej; napięcie wyjściowe oznacza się: U_wy

Wzmocnienie napięciowe: iloraz przyrostu napięcia

wyjściowego oraz odpowiadającego mu przyrostu na-pięcia różnicowego: k U U U wy r = ∆ ∆ (6)

Współczynnik tłumienia napięcia wspólnego: iloraz

(lub 20 logarytmów ilorazu) zmiany wartości napię-cia wspólnego DU_w i wytworzonej przez to napięcie wspólne zmiany wartości napięcia niezrównoważe-nia DU_nw przy niezmienionej wartości napięcia wyj-ściowego: WTNW U U = ∆ ∆ w nw (7a) WTNW U U log log w nw = 20 10 ∆ ∆ (7b)

Współczynnik tłumienia zmian napięcia zasila-nia: iloraz (lub 20 logarytmów ilorazu) zmiany

war-tości symetrycznego dwu biegunowego napięcia za-silania DU_z i wywołanej nią zmiany wartości napięcia niezrównoważenia DU_nz przy niezmienionej wartości napięcia wyjściowego: WTNZ U U = ∆ ∆ z nz (8a) WTNZ U U log log z nz = 20 10 ∆ ∆ (8b)

Dryft temperaturowy napięcia niezrównoważenia:

różnica między wartościami napięcia niezrównowa-żenia U_nT2 dla temperatury T₂ i U_nT1 dla temperatury

T₁ odniesiona do różnicy tych temperatur: dU U U T T U T nT nT nT nT = − − = 2 1 2 1 ∆ ∆ (9)

Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009

7

Dryft długoterminowy napięcia niezrównoważe-nia: różnica między wartościami napięcia

niezrów-noważenia wyznaczona dla dwu czasów t₂ i t₁ odnie-siona do przedziału czasowego:

dU U U t t U t nt nt nt nt = − − = 2 1 2 1 ∆ ∆ (10)

Dryft temperaturowy prądu polaryzacji: różnica

między wartościami prądu polaryzacji I_pT2 dla tem-peratury T₂ i I_pT1 dla temperatury T₁ odniesiona do różnicy tych wartości temperatury:

dI I I T T I T pT pT pT pT = − − = 2 1 2 1 ∆ ∆ (11)

Dryft temperaturowy prądu niezrównoważenia:

różnica między wartościami prądu niezrównoważenia

I_nT2 dla temperatury T₂ i I_nT1 dla temperatury T₁ odnie-siona do różnicy tych temperatur:

dI I I T T I T nT nT nT nT = − − = 2 1 2 1 ∆ ∆ (12)

Szybkość narastania sygnału wyjściowego:

naj-większa stromość wzrostu chwilowej wartości napię-cia wyjściowego w czasie mierzona przy podaniu na wejście prostokątnego napięcia zmiennego:

SR dU

dt =max wy

(13)

Pasmo tłumienia 3 dB: częstotliwość

przenoszone-go przez wzmacniacz sinusoidalneprzenoszone-go napięcia zmien-nego, przy której występuje tłumienie wzmocnienia napięciowego k_U o 3 dB, parametr oznaczany jest za-zwyczaj w literaturze angielskiej: GB (3dB)

Pasmo wzmocnienia jednostkowego: częstotliwość

przenoszonego przez wzmacniacz sinusoidalnego na-pięcia zmiennego, przy której występuje tłumienie wzmocnienia napięciowego do wartości k_U = 1, co oznacza w mierze logarytmicznej k_U log = 0 dB; para-metr oznaczany jest zazwyczaj w literaturze angielskiej

GBWP.

Schemat wzmacniacza

Omawiając schemat wzmacniacza (rys. 1) należy zwró-cić uwagę, że układ ten można traktować jako układ li-niowy przy spełnieniu następujących warunków: dla danych napięć zasilających – dodatniego U_zd oraz ujem-nego U_zu – napięcie wspólne U_w mieści się w gwaranto-wanym zakresie napięć wejściowych, napięcie wyjścio-we U_wy mieści się w gwarantowanym zakresie napięć wyjściowych oraz obciążenie prądowe wyjścia wzmac-niacza nie przekracza wartości dopuszczalnej.

Współczesne wzmacniacze monolityczne są tak pro-jektowane, że mają następujące właściwości:

– poszczególne składowe źródeł napięć niezrówno-ważenia U_n0, DU_nz, …, DU_nt są bardzo małe w stosun-ku do przetwarzanych sygnałów napięciowych – prądy polaryzacji I_p1 i I_p2 są bardzo małe w stosunku

do przetwarzanych sygnałów prądowych

– rezystancje dla sygnału wspólnego R_sw oraz rezy-stancja wejściowa R_we są bardzo duże, a więc prądy w tych rezystancjach mogą być pomijane

– wzmocnienie napięciowe k_U ma bardzo dużą war-tość, a napięcie wejściowe U_we ma bardzo małą war-tość, zazwyczaj pomijalną.

Parametrem dominującym w układzie wzmacnia-cza, decydującym o jego pracy, jest sterowane źródło napięcia wyjściowego, którego wartość jest propor-cjonalna do napięcia U_we, a współczynnikiem propor-cjonalności jest wzmocnienie napięciowe (6) wg za-leżności:

U_wy = k_UU_we (14) Można założyć, że sygnał wyjściowy wzmacniacza

U_wy przyjmuje wartości wynikające z parametrów ob-wodu zewnętrznego ujemnego sprzężenia zwrotnego i obwodu sterowania wzmacniacza. Jednak przy reali-zacji dokładnych elektronicznych układów pomiaro-wych i układów przetwarzania sygnałów, wyżej poda-ne przybliżenie nie może być stosowapoda-ne. Przy analizie układu należy uwzględniać poszczególne parametry wzmacniacza, które zostały odwzorowane: źródłami napięć, źródłami prądów oraz rezystancjami podany-mi na schemacie.

Wielkości wpływające na parametry

wzmacniacza

Następujące ważniejsze wielkości wpływają na parame-try wzmacniacza: napięcie wspólne U_w, napięcie zasi-lania U_z, temperatura otoczenia T, upływ czasu t pracy wzmacniacza i wynikający z tego dryft długotermino-wy. Wymienione wielkości mają wpływ na niektóre pa-rametry wzmacniacza, a papa-rametry te są reprezentowa-ne przez odpowiednie źródła na schemacie.

Podane tam sumaryczne źródło napięcia niezrów-noważenia U_n zawiera składowe uwzględnione w za-leżności:

Pomiary Automatyka Robotyka 2/2009

8

U_n= U_n0+ DU_nz+ DU_nw+ DU_nT + DU_nt (15) gdzie: ∆U_nz – zmiana napięcia niezrównoważenia wywo-łana zmianą napięcia zasilania ∆U_z określona zależnością (8a), ∆U_nw – zmiana napięcia niezrównoważenia wywoła-na zmianą wywoła-napięcia wspólnego ∆U_ws określona zależnością (7a), ∆U_nT – zmiana napięcia niezrównoważenia wywołana zmianą temperatury otoczenia ∆T, określona zależnością (9), ∆U_nt – zmiana napięcia niezrównoważenia zaobserwo-wana przy pracy długotrwałej wzmacniacza dla przedziału czasowego ∆t, określona zależnością (10), U_n0 – początkowa wartość napięcia niezrównoważenia wzmacniacza w wa-runkach odniesienia, przy których pozostałe składowe mają wartości pomijalne.

Podobnie podane na rys. 1 źródła prądowe I_p1 i I_p2 prądów polaryzacji zawierają składowe określone za-leżnościami:

I_p1 = I_p10 + ∆I_p1T (16)

I_p2= I_p20+ ∆I_p2T (17) gdzie: ∆I_p1T oraz ∆I_p2T – zmiany odpowiednich prądów polaryzacji I_p1 oraz I_p2 wywołane zmianą temperatury otoczenia o ∆T, określone zależnością (11), a I_p10 oraz I_p20 – początkowe wartości prądów polaryzacji w warunkach odniesienia, przy których pozostałe składowe mają war-tości pomijalne.

Należy zwrócić uwagę na fakt, że według producen-tów wzmacniaczy inne potencjalne możliwe składowe zmian prądów polaryzacji są pomijalne i nie są specy-fikowane.

Należy również zwrócić uwagę na to, że w niektó-rych układach wzmacniaczy błędy przetwarzania sy-gnałów są zależne bezpośrednio od zmian prądu nie-zrównoważenia I_n określonego wzorem (3) jako różnica prądów polaryzacji I_n= I_p1– I_p2.

Dla takich układów prąd niezrównoważenia wyra-zić można wzorem:

I_n= I_n0+ ∆I_nT (18) gdzie: ∆I_nT – zmiana prądu niezrównoważenia wywołana zmianą temperatury otoczenia o ∆T określona zależnością (12), a I_n0 – początkowa wartość prądu niezrównoważenia w warunkach odniesienia, przy których pozostałe składo-we mają wartości pomijalne.

Należy tu odnotować fakt, że producenci wzmac-niaczy monolitycznych nie specyfikują innych skła-dowych zmian prądów niezrównoważenia wzmac-niaczy.

Charakterystyczne grupy wzmacniaczy

– wzmacniacze precyzyjne o małych dryftach parame-trów wejściowych

– wzmacniacze precyzyjne o szczególnie małym po-borze mocy zasilania.

Obydwie grupy wzmacniaczy zostaną opisane w dru-giej części artykułu, która ukaże się w dalszym nume-rze PAR.

Bibliografia

1. Harasimowicz J.: Przegląd monolitycznych

wzmac-niaczy operacyjnych. Elektronika nr 11, 1972.

2. Kor y tkowski J.: Wzmacniacze monolit yczne

i metoda analizy elektronicznych układów z ty-mi wzmacniaczaty-mi. Wyd. Przemysłowy Instytut

Automatyki i Pomiarów. Warszawa 2000.

3. Reza Moghimi: OP07 is still evolving. AN-573 rev. A. Application Note. Analog Devices. 2003.

4. Korytkowski J.: Cyfrowo sterowane symulatory

rezy-stancji i konduktancji – przegląd, opisy działania, przykłady rozwiązań. PAR nr 2/2008, Warszawa.

5. Fairchild Semiconductor: FAN4174/FAN4274, Single

and Dual, Ultra-Low Cost, Rail-to-Rail I/O, CMOS Amplifier, May 2008, www.fairchildsemi.com/ds/

FH%2FFAN4274.pdf.

6. Fairchild Semiconductor: FHP3132, FHP3232,

Single and Dual, High-Speed, Rail-to-Rail Ampli-fiers. March 2007, w w w.fairchildsemi.com/ds/