62_095.pdf
(
225 KB
)
Pobierz
1128567 UNPDF
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
95
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
96
Elektronika dla Wszystkich
Plik z chomika:
PafOwio
Inne pliki z tego folderu:
01_01.pdf
(1977 KB)
01_02.pdf
(3229 KB)
01_03.pdf
(4144 KB)
01_04.pdf
(1595 KB)
01_05.pdf
(1512 KB)
Inne foldery tego chomika:
ALFINE_2002
PCB
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin