ZMIANY WYBRANYCH PARAMETRÓW WZMACNIACZY OPERACYJNYCH W NISKICH TEMPERATURACH.

(1)

2004

Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 9 - 10 grudnia 2004 Jakub Pająkowski

Politechnika Poznańska

Instytut Elektroniki i Telekomunikacji

Zakład Elektronicznych Systemów Pomiarowych ul. Piotrowo 3A 60-965 Poznań

pajakow@et.put.poznan.pl

ZMIANY WYBRANYCH PARAMETRÓW WZMACNIACZY OPERACYJNYCH W NISKICH TEMPERATURACH.

Streszczenie: W artykule opisano zmiany wybranych parametrów wzmacniaczy operacyjnych bipolarnych i Bi- FET w zakresie temperatur od 300 K do 77 K.

Wzmacniacze Bi-FET pracują poprawnie w całym zakresie temperatur a bipolarne tylko do ok. 100 K.

1. WSTĘP

Praca podzespołów elektronicznych poniżej 200 K nie jest typowym zakresem przewidzianym przez ich producentów. Wiele urządzeń technicznych powinno działać w zakresie niższych temperatur, dla przekładu:

badania kosmiczne, badania z dziedziny fizyki ciała stałego, krioterapia, medycyna i przemysł spożywczy. W artykule pokazano, że komercyjne wzmacniacze operacyjne mogą pracować w temperaturach niższych niż znamionowe aż do 77 K.

2. WYBÓR WZMACNIACZY I ICH PARAMETRÓW

Zbadano dwie podgrupy wzmacniaczy operacyjnych(WO): bipolarne i Bi-FET.

Z powodu dużej wartości wzmocnienia prądowego, wzmacniacze bipolarne zawierają w strukturze krzemowe tranzystory złączowe. WO Bi-FET oprócz bipolarnych mają również w stopniach wejściowych tranzystory polowe co zwiększa ich rezystancję wejściową.

Z grupy wzmacniaczy bipolarnych zbadano niskoszumowy OP 27 (min. temp. pracy – 40^oC), a grupy BI-FET wzmacniacz LT081(– 65^oC) i LF411 (–

65^oC).

Jako najważniejsze parametry determinujące poprawną pracę wzmacniacza przyjęto: wzmocnienie różnicowe - k_UR, wejściowe napięcie niezrównoważenia - offset oraz częstotliwość graniczną – f_g.

Wzmocnienie różnicowe definiujemy jako wzmocnienie wolnozmiennego sygnału wejściowego przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego oraz offset jako takie napięcie stałe przyłożone na wejścia różnicowe wzmacniacza z otwartą pętlą aby na jego wyjściu było 0 V. Oba parametry zostały przebadane na stanowisku

pokazanym na rys.1. Jako sygnał wejściowy przyjęto sygnał sinusoidalny o częstotliwości 1 Hz i amplitudzie odpowiednio małej aby po podzieleniu przez tysiąc w dzielniku napięciowym na wejściu różnicowym wzmacniacza były dziesiąte części mikrowolta.

Z powodu silnej dążności do nasycania się wzmacniacza do sygnału z generatora dodawane było napięcie stałe równoważące WO.

Częstotliwość graniczną f_g zdefiniowaną jako częstotliwość przy której WO z otwartą pętlą ma wzmocnienie równe 1, przebadano w układzie badającym wzmacniacz z zamkniętą pętlą o wzmocnieniu -100 V/V. Korzystając z uproszczenia przedstawionego poniżej, wzmocnienie wzmacniacza w układzie odwracającym wyrażamy wzorem (1):

k_U = -

kUR

α 1 1

1 +

; (1)

gdzie α =

1 2

R

R , R2 – rezystancja w sprzężeniu

wzmacniacza, R₁ – rezystancja na jego wejściu.

Dla małych wartości częstotliwości wzmocnienie różnicowe wzmacniaczy jest większe od 10⁵ V/V, wówczas czynnik 1/k_UR jest bliski zeru i wzór przyjmuje postać:

k_U = - α⁼

1 2

R

R , (2)

w opisywanym przypadku –100 V/V. Jeśli jednak wzmacniacz będzie pracował z częstotliwością graniczną wówczas jego k_UR będzie równe 1 i czynnik 1/α = 1/100 może zostać pominięty z błędem 1%. Zmiana układu z otwartą pętlą na układ z zamkniętą jest podyktowana wysoką niestabilnością wzmacniacza dla dużych wzmocnień i wysokiej częstotliwości. Stanowisko do wyznaczania f_gprzedstawione jest na rys.2.

www.pwt.et.put.poznan.pl

PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004 1

(2)

Rys.1 Schemat blokowy stanowiska do wyznaczania k_UR i napięcia niezrównoważenia.

Rys.2 Schemat blokowy stanowiska do wyznaczania częstotliwości granicznej.

3. WYNIKI POMIARÓW

Pomiary zostały przeprowadzone w skonstruowanym w Instytucie Elektroniki i Telekomunikacji PP otwartym kriostacie azotowym.

Kriostat składa się z wysokiego na metr naczynia Dewara w którym powolnie odparowuje azot (temp.

ciekłego azotu to 77,34 K). Do naczynia wprowadzana jest sonda z badanym układem i poprzez sterowanie wysokością nad lustrem cieczy uzyskuje się żądaną temperaturę w oparach azotu w zakresie od 77 K do 293K

Na rys. 3 przedstawione są zmiany wzmocnienia WO z otwartą pętlą w funkcji temperatury odniesione jako krotność początkowego k_UR(298K) w temperaturze pokojowej. Wzmacniacz bipolarny OP 27 traci całkowicie swoje własności wzmacniające przy temp.

ok. 100 K. Oba WO Bi-FET: LF411 i TL081 nie tracą swoich właściwości wzmacniających w temperaturze ciekłego azotu a ich wzmocnienia wynoszą odpowiednio 10⁴ i 6∗10⁴ V/V. Dla każdego ze wzmacniaczy wraz ze spadkiem temperatury widoczny jest początkowy wzrost wzmocnienia a potem spadek, jest to spowodowane maksimum aktywności nośników które dla krzemu wynosi ok. 150 K.

Rys.3 Wykresy zależności kUR/ kUR(293K) od temperatury.

1 Ohm 1 kOhm Regulator

składowej stałej Generator

sinus 1 Hz

Oscyloskop cyfrowy kanał 1

kanał 2 Kriostat

Wzmacniacz badany

1 kOhm 100 kOhm

Regulator składowej

stałej Generator

funkcji

Oscyloskop analogowy kanał 1

kanał 2 Kriostat

Wzmacniacz badany 1 kOhm

Kur/Kur(293K)

0 0,5 1 1,5 2 2,5

50 100 150 200 250 300

T[K]

OP27 LF411 TL081

(3)

Na rys. 4 widoczny jest wykres zmian offset’u w funkcji temperatury. Jest on względnie stały dla całego zakresu temperatur i mieści się w zakresie określonym przez producentów poszczególnych WO. Częstotliwość graniczna badanych wzmacniaczy zmienia się ze spadkiem temperatury. Można zauważyć, że jest silnie związana ze zmianami wzmocnienia również, dla ok.

150 K występuje jej wzrost. Wykresy wzmacniaczy Bi- FET prawie się pokrywają (rys. 5).

4. UWAGI KOŃCOWE

Wzmacniacz bipolarny pracował dobrze przy temperaturach dochodzących do 100 K a WO Bi-FET w całym zakresie badanych temperatur. Należy zaznaczyć, że nie buduje się wzmacniaczy napięciowych ze wzmocnieniem powyżej 100 V/V, stąd spadek wzmocnienia k_UR nawet do 5000 V/V przy objęciu sprzężeniem zwrotnym do 100 V/V spowoduje spadek zaledwie o 2%.

Rys.4 Wykresy zależności napięcia niezrównoważenia od temperatury

Rys.5 Wykresy zależności częstotliwości granicznej fd w funkcji temperatury..

SPIS LITERATURY

[1] Badźmirowski K., Kołodziejski J., Spiralski L., Stolarski E., Miernictwo elementów

półprzewodnikowych i układów scalonych, WKiŁ, Warszawa, 1984.

[2] Gutierrez-D E.A., Jamal Deen M., Claeys C.L., Low temperature electronics, physics, devices, circuits, and applications, Academic Press, San Diego, 2001.

[3] Janke W., Zjawiska termiczne w elementach i układach półprzewodnikowych, WNT, Warszawa, 1992.

[4] Sukiennicki A., Zagórski A., Fizyka ciała stałego, WNT Warszawa, 1984.

[5] Tieze U., Schenk CH., Układy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa 1994.

offset [mV]

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2

50 100 150 200 250 300

T[K]

OP27 LF411 TL081

fd [kHz]

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

50 100 150 200 250 300

T[K]

OP27 LF411 TL081