Wzmacniacze operacyjne – dryft napięcia niezrównoważenia

W poprzednim artykule ER017 omawialiśmy problem wejściowego napięcia niezrównoważenia wzmacniacza operacyjnego i sposoby korekcji offsetu. Niestety, korekcja nie rozwiązuje problemu do końca, ponieważ w grę wchodzi jeszcze dryft (dryf) wejściowego napięcia niezrównoważenia, który podobnie jak samo napięcie niezrównoważenia niestety jest wzmacniany wraz z użytecznym stałym napięciem wejściowym.

Wiemy, że wejściowe napięcie niezrównoważenia wynika z niedoskonałej symetrii tranzystorów pracujących w obwodach wejściowych. Sam fakt, że podczas pracy napięcie stałe między wejściami nie jest dokładnie równe zeru, mógłby być nieznaczącą ciekawostką. Jednak w efekcie na wyjściu wzmacniacza operacyjnego spoczynkowe napięcie stałe jest przesunięte o wartość napięcia niezrównoważenia pomnożoną przez wartość wzmocnienia stałoprądowego. W niektórych zastosowaniach jest to poważnym problemem.

Istnieje szereg sposobów korekcji napięcia niezrównoważenia – w poprzednim artykule ER017 przedstawione były stosowne schematy. W pojedynczych wzmacniaczach operacyjnych przewidziane są dwie końcówki do dołączenia potencjometru, który pozwala nie tyle skorygować, ale nawet usunąć napięcie niezrównoważenia.

Niestety, żaden z takich sposobów nie rozwiązuje do końca problemu napięcia niezrównoważenia. Oto wyjaśnienie.

Dryft napięcia niezrównoważenia

Kłopot w tym, że napięcie niezrównoważenia, wynikające głównie z niedoskonałości tranzystorów wejściowych, nie jest ściśle ustalone, niezmienne, tylko zależy od temperatury, a ponadto zmienia się nieco z upływem czasu. Po pierwsze, nawet jeżeli w jakiejś temperaturze je skorygujemy, to zmiana temperatury spowoduje pojawienie się napięcia niezrównoważenia o jakiejś biegunowości. Po drugie, nawet gdy wzmacniacz pozostanie w jednakowej temperaturze, z upływem czasu napięcie niezrównoważenia będzie się w jakimś niewielkim stopniu zmieniać.

Jeżeli chodzi o wpływ temperatury, poszczególne wzmacniacze operacyjne bardzo różnią się wartością cieplnego współczynnika napięcia niezrównoważenia, często oznaczany TCV_OS, czasami dVos/dt, wyrażany w mikrowoltach na stopień Celsjusza (uV/°C). Najmniejsze wartości w najlepszych wzmacniaczach operacyjnych są rzędu 0,002uV/°C. Niestety, wiele popularnych i tanich wzmacniaczy operacyjnych wykazuje dryft termiczny nawet tysiące razy większy, typowo 7…10uV/°C, maksymalnie do kilkudziesięciu mikrowoltów na każdy stopień Celsjusza.

Typowa wartość TCV_OS równa 10uV/°C to w zasadzie niewiele, ale oznacza, że przy zmianie temperatury o 20 stopni napięcie niezrównoważenia wzmacniacza zmieni się o 200uV = 0,2mV. Co ważne, nawet jeśli wcześniej wzmacniacz został skorygowany „do zera”, po zmianie temperatury o te 20 stopni pojawi się napięcie niezrównoważenia 0,2mV, które zostanie wzmocnione tak samo, jak stały sygnał użyteczny. Jeżeli wzmocnienie stałoprądowe jest małe, kłopotu praktycznie nie ma. W praktyce problem dryftu cieplnego napięcia niezrównoważenia dotyczy precyzyjnych wzmacniaczy pomiarowych o dużym wzmocnieniu stałoprądowym. Jest to poważny kłopot przy wzmacnianiu bardzo małych napięć stałych, na przykład z termopar, sensorów PT100 czy innych precyzyjnych czujników.

W takich zastosowaniach kluczowym parametrem wzmacniacza będzie nie tyle samo napięcie niezrównoważenia (V_OS), które można tak czy inaczej skorygować, tylko właśnie jego dryft termiczny (TCV_OS). Warto dodać, że nawet niektóre wzmacniacze, dawniej uznawane za precyzyjne, mają stosunkowo duży współczynnik TCV_OS. Przykładowo kostki TL071/TL072 są uznawane za ulepszone wersje zwykłych TL081/TL082, ale mają tak samo zły, bardzo duży współczynnik cieplny, typowo 10uV/°C. Ale to jeszcze nie wszystko.

Starzenie wzmacniaczy operacyjnych

Napięcie niezrównoważenia V_OS (U_O) może w jakimś stopniu zmieniać się i rzeczywiście zmienia się z upływem czasu (starzenie). Starzenie generalnie nie jest duże, ma charakter logarytmiczny, to znaczy jest szybsze na początku pracy wzmacniacza i coraz wolniejsze z upływem czasu. W  katalogach popularnych wzmacniaczy informacji na ten temat nie ma. Tylko w katalogach precyzyjnych wzmacniaczy operacyjnych można znaleźć informacje o starzeniu (aging, ageing), które zwykle jest oznaczane Long Term V_OS Stability i wyrażane albo w mikrowoltach na miesiąc (uV/Mo, uV/Month), albo w mikrowoltach na rok (uV/yr), albo w mikrowoltach na 1000 godzin (uV/kh).

Dla popularnego dawniej precyzyjnego wzmacniacza OP07 katalog Analog Devices podaje V_OS/Time typowo 0,3 μV/Month, maksymalnie 1,5 μV/Month. Ogólnie biorąc, starzenie trzeba uwzględniać tylko w najbardziej precyzyjnych zastosowaniach.

Trzeba też wspomnieć, że napięcie niezrównoważenia może zmieniać się, i to szybko, z powodu specyficznego rodzaju szumów, nazywanych 1/f, których amplituda maleje ze wzrostem częstotliwości. Informacje na ten temat zawarte są w katalogach, w postaci wykresów gęstości szumów.

Problem napięcia niezrównoważenia i jego dryftu bywa naprawdę bardzo poważny, i to w na pozór prostych zastosowaniach. Na życzenie wyrażone na stronie Zapytaj, odpowiedz temat wzmacniaczy operacyjnych może być kontynuowany.

Piotr Górecki