62_095.pdf

Wzmacniacze operacyjne

Idealny tranzystor

czyli...

znów o wzmacniaczach operacyjnych

część 3

W dwóch poprzednich odcinkach

zapoznałeś się ze wzmacniaczem

transimpedancyjnym oraz dziw−

nym układem “diamentowego

tranzystora”.

Choć rozumiesz dobrze działa−

nie tego wynalazku, chyba się je−

szcze nie domyślasz, dlaczego po−

święciłem mu tak dużo uwagi.

Wszystko wyjaśni się niespodzie−

wanie w tym odcinku. Z pewno−

ścią będziesz zaskoczony!

Co się stanie, jeśli “diamentowy tranzystor”

będzie połączony z nieodwracającym bufo−

rem oraz niewielkim rezystorem emitero−

wym R1 według rysunku 17 ?

śli więc na wejściu B pojawi się jakieś dodat−

nie napięcie Uwe, to na końcówce E też poja−

wi się to samo napięcie. Przez rezystor R1 na

pewno popłynie prąd równy Uwe/R1. Załóż−

my na chwilę, że prąd ten będzie pochodził

z końcówki E. Jeśli z końcówki E będzie wy−

pływał prąd I E , to według rysunku 14 i 16

z “kolektora” będzie chciał wypłynąć prąd

o takiej samej wartości. Ponieważ rezystancja

obciążenia kolektora (rezystancja wejściowa

bufora) jest bardzo duża, spowoduje to gwał−

towne pojawienie się dużego dodatniego na−

pięcia na “kolektorze”, a tym samym na wej−

ściu i wyjściu bufora oraz na rezystorze R2.

oraz I 2 będą równe (z dokładnością do tego

pomijalnie małego prądu emiterowego).

Jeśli napięcie wejściowe Uwe dodatkowo

wzrośnie, to napięcie Uwy też wzrośnie, by

napięcia w punktach B, E były cały czas rów−

ne. Przy zerowym napięciu na wejściu B na−

pięcie wyjściowe też będzie równe zeru. Przy

ujemnych napięciach wejściowych napięcia

wyjściowe będą ujemne. Rysunek 19 pokazu−

je przykładowe napięcia iprądy przy pominię−

ciu maleńkiego prądu emiterowego. Nietrud−

no obliczyć, że aby napięcie w punkcie E by−

ło równe napięciu wejścia B, napięcie wyj−

ściowe musi być (R1+R2) / R1 razy większe.

Rys. 19

Rys. 18

Rys. 17

Pojawienie się na wyjściu dużego napięcia

dodatniego, niewątpliwie większego niż na−

pięcie “emitera”, spowoduje przepływ prądu

w obwodzie wyjście−R2−R1−masa. Wygląda

na to, że przepływ tego prądu podniesie na−

pięcie w punkcie E powyżej wspomnianej

wcześniej wartości Uwe. W rzeczywistości

tak nie będzie, ponieważ już niewielki wzrost

napięcia w punkcie E spowoduje zatkanie

tranzystora T4 z rysunku 14, zmniejszenie

prądów “emitera” i “kolektora”, a w konse−

kwencji zmniejszenie napięcia na “kolekto−

rze” i na wyjściu. Wytworzy się stan równo−

wagi. Na wyjściu utrzymywać się będzie do−

kładnie takie napięcie Uwy, by prąd płynący

z wyjścia przez R2 i R1 powodował powsta−

nie na R1 spadku napięcia praktycznie równe−

go Uwe. Z wyjścia E będzie wypływał tylko

jakiś bardzo maleńki prąd. Tak maleńki, by

równy mu prąd “kolektora” wywołał na wiel−

kiej rezystancji wejściowej (i na wyjściu) bu−

fora napięcie niezbędne do utrzymania tego

stanu równowagi. Można przyjąć, że prądy I 1

Tym samym wzmocnienie układu wynosi

G = (R1+R2) / R1

A jak zachowa się układ zestawiony we−

dług rysunku 20 ?

Obecność bufora, na przykład takiego, jak

na rysunku 13 czy na rysunku 11b(wpoprze−

dnim numerze EdW) gwarantuje, że sygna−

łem wyjściowym będzie teraz napięcie, a nie

prąd. Zwróć uwagę, że “kolektor” obciążony

jest bardzo dużą rezystancją – rezystancją

wejściową bufora o wartości setek kiloomów

albo nawet megaomów – dla jasności zazna−

czyłem ją na schemacie. Jeśli rezystancja R1

będzie niewielka, układ z rysunku 17 będzie

miał bardzo duże wzmocnienie napięciowe.

Chyba nie masz co do tego wątpliwości –

stosunek R I do R1 jest bardzo duży.

Aco się stanie, gdy dodamy jeszcze jeden

rezystor według rysunku 18 ? Rozważmy

działanie układu przy podaniu na wejście na−

pięcia dodatniego. Niezbędne będą do tego

wiadomości z poprzedniego odcinka.

Wcześniejsze rozważania udowodniły, że

napięcia na “bazie” i“emiterze” są równe. Je−

Rys. 20

Ponieważ punkt B jest na stałe zwarty do

masy, więc napięcie w punkcie E jest stale

równe zeru. “Diamentowy tranzystor” pracu−

je tu jakby w układzie wspólnej bazy – po−

równaj rysunek 15c. Ale obecność rezystora

R2 sporo zmienia.

Jeśli na przykład na wejściu pojawi się do−

datnie napięcie Uwe, to przez rezystor R1 na

pewno popłynie prąd równy Uwe/R1, bo na−

pięcie w punkcie E jest równe zeru. Załóżmy,

Elektronika dla Wszystkich

Idealny tranzystor

czyli...

znów o wzmacniaczach operacyjnych

Wzmacniacze operacyjne

że w pierwszej chwili prąd ten będzie przepły−

wał przez punkt E, a ściślej wpływał do koń−

cówki E (pomijamy na razie R2), wtedy do

“kolektora” też będzie chciał wpływać równy

mu prąd. Na kolektorze oraz na wejściu i wyj−

ściu bufora gwałtownie pojawi się znaczne na−

pięcie ujemne. Niewątpliwie przez rezystor R2

też popłynie prąd. Okaże się, iż w sumie prąd

popłynie w obwodzie wejście−R1−R2−wyjście.

Znów ustali się stan równowagi − praktycznie

cały ten prąd będzie płynął przez oba rezysto−

ry, a w obwodzie “emitera” będzie płynął je−

dynie znikomy prąd. Tak maleńki, by już jako

prąd kolektora” wywołać na rezystancji wej−

ściowej bufora spadek napięcia potrzebny do

zapewnienia przepływu prądu przez R2.

Podobnie będzie przy ujemnych napię−

ciach wejściowych – napięcie wyjściowe bę−

dzie dodatnie, a prąd popłynie od wyjścia bu−

fora przez R2, R1 do wejścia.

Rysunek 21 pokazuje przykładowe na−

pięcia i prądy.

Okazało się więc, że układ OPA660, za−

wierający “diamentowy tranzystor” oraz bu−

for, przewidziany jest do pracy głównie w ro−

li prądowego wzmacniacza operacyjnego.

Obecnie na rynku można spotkać wiele tego

typu gotowych wzmacniaczy o schemacie

blokowym jak na rysunkach 17..21.

Jak wspomniałem, “diamentowy tranzystor”

jest bardzo szybki. Podobnie wszystkie prądowe

wzmacniacze operacyjne przeznaczone są do

pracy w zakresie wysokich częstotliwości, rzę−

du dziesiątek a nawet setek megaherców. Tak

jest, najszybsze produkowane obecnie wzmac−

niacze operacyjne to wzmacniacze zprądowym

sprzężeniem zwrotnym, a ich częstotliwości

graniczne sięgają 1000MHz (1GHz).

“Wzmacniacze prądowe” (CFA) mają

istotne zalety w stosunku do klasycznych, na−

pięciowych wzmacniaczy operacyjnych (VFA

– voltage feedback amplifier) jedynie wzakre−

sie wysokich częstotliwości. Okazują się nie

tylko szybsze, mniej podatne na samowzbu−

dzenie i po przeliczeniu na jednostkę pasma −

tańsze. Choć byłoby to możliwe, “wzmacnia−

czy prądowych” nie stosuje się w układach

stałoprądowych i wolnozmiennych.

Rysunek 23 pokazuje wzięty z katalogu

przykład zastosowania wzmacniacza opera−

cyjnego ze sprzężeniem prądowym typu

AD811 produkcji Analog Devices. Kostka

przeznaczona jest głównie do pracy w profe−

sjonalnym sprzęcie wideo i współpracy z li−

niami 75−omowymi.

Jak widać, aplikacja jest identyczna jak

zwykłego wzmacniacza i niekiedy w star−

szych opracowaniach wymienia się po prostu

wzmacniacze VFAna CFAbez zmiany płytki.

odsprzęganie zasilania, wartości rezystorów

sprzężenia zwrotnego(!), specyficzne właści−

wości poszczególnych kostek, opisane w ka−

talogach, a nawet problemy dopasowania do

linii przesyłowych. Konieczne jest odpowie−

dnie do wymagań w.cz. zaprojektowanie płyt−

ki drukowanej. Temat ten zdecydowanie wy−

kracza jednak poza ramy niniejszego artyku−

łu. Bardzo szybkie “wzmacniacze prądowe”

nie są przeznaczone dla początkujących, tyl−

ko konstruktorów zajmujących się obróbką

i konwersją bardzo szybkich sygnałów.

W rozważaniach, które zaczęły się od po−

szukiwania idealnego tranzystora doszliśmy

do dwóch układów, bardzo pożytecznych

i wykorzystywanych w praktyce:

− wzmacniacza transimpedancyjnego,

− wzmacniacza ze sprzężeniem prądowym.

Żeby nie zatracić proporcji trzeba dodać, że

wzmacniacze transimpedancyjne (LM136000,

NE5517) są dziś wykorzystywane bardzo

rzadko. Przed kilku laty były bardziej atrakcyj−

ne wukładach regulacji. Dziś wyparły je stam−

tąd inne regulatory analogowe i cyfrowe.

Rys. 23

Rys. 21

Okazuje się, iż dla zachowania równości

prądów płynących przez R1 i R2 musi być

spełniony warunek:

I = Uwe/R1 = Uwy/R2

Jak stąd wynika, stosunek Uwy do Uwe,

czyli wzmocnienie tego wzmacniacza wynosi:

G = Uwy/Uwe = R2/R1

Tym, którzy jeszcze nie zorientowali

się, o co chodzi podaję czarno na białym:

analizowany układ zachowuje się dokła−

dnie jak wzmacniacz operacyjny nieod−

wracający i odwracający . Końcówka “ba−

zy” jest wejściem nieodwracającym, koń−

cówka “emitera” – wejściem odwracają−

cym. Takie same są wzory na wzmocnienie

i takie same rezystancje wejściowe – po−

równaj rysunek 22 . Wszystko się zgadza,

jednak analizowany układ nie jest klasycz−

nym wzmacniaczem operacyjnym, bo ma zu−

pełnie inną konstrukcję, awejście odwracają−

ce (końcówka E) nie jest typowym wejściem

o dużej rezystancji – nadal jest to końcówka

mająca właściwości wejścia i wyjścia (nie−

mniej jednak, podobnie jak w zwykłym

wzmacniaczu operacyjnym, prąd przez nią

płynący w czasie normalnej pracy jest bardzo

mały, bliski zeru). Co to więc za dziwoląg?

Jak wspomniałem, nie jest to ciekawostka

– jest to wzmacniacz operacyjny ze sprzę−

żeniem prądowym (current feedback ope−

rational amplifier, w skrócie CFA).

Zakończenie

W powyższych, bardzo uproszczonych roz−

ważaniach pokazałem tylko najważniejsze za−

leżności i wnioski. W rzeczywistości, podob−

nie jak w przypadku klasycznych wzmacnia−

czy operacyjnych, sprawa wcale nie jest tak

prosta. Trzeba wziąć pod uwagę, że przy czę−

stotliwościach rzędu setek megaherców

ogromną rolę odgrywa prowadzenie masy,

Natomiast wzmacniacze ze sprzężeniem

prądowym są znakomite, ale tylko do układów

pracujących przy częstotliwościach rzędu dzie−

siątek i setek megaherców. Przy mniejszych

częstotliwościach i prądzie stałym szumy, prą−

dy polaryzujące, napięcia niezrównoważenia,

dryfty okazują się dużo gorsze niż w klasycz−

nych wzmacniaczach operacyjnych (VFA).

Opisane konstrukcje nie są więc powala−

jącą na kolana nowością. “Diamentowe tran−

zystory”, dostępne już od niemal dziesięciu

lat, nie wywołały większego zainteresowania

konstruktorów, mało tego – ze względu na

brak zapotrzebowania zaprzestano produkcji

niektórych z nich. Wzmacniacze transimpe−

dancyjne też nie zrobią już większej kariery.

Nadal intensywnie rozwijać się będą nato−

miast wzmacniacze prądowe (CFA), ponie−

waż zapotrzebowanie na szybkie wzmacnia−

cze gwałtownie rośnie.

Jednak podstawą ogromnej większości

układów analogowych pozostaną klasyczne

wzmacniacze operacyjne ze sprzężeniem na−

pięciowym (VFA) itym elementom nadal na−

leży poświęcać najwięcej uwagi.

Rys. 22

Piotr Górecki

Elektronika dla Wszystkich

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: