Wzmacniacze operacyjne – podstawowe informacje

Młodzi elektronicy dobrze radzą sobie z programowaniem mikroprocesorów, a słabo rozumieją technikę analogową. Jednak we współczesnych urządzeniach nadal niezbędne są różne obwody i układy analogowe. A w nich najpopularniejszymi elementami są wzmacniacze operacyjne. W kilku artykułach przedstawiam podstawy wiedzy o wzmacniaczach operacyjnych/

Historia tych jakże ważnych elementów zaczęła się jeszcze przed II wojną światową. Wtedy oczywiście były to kosztowne układy lampowe i znajdowały zastosowanie wyłącznie w zastosowaniach profesjonalnych, a konkretnie wojskowych. Takie lampowe wzmacniacze operacyjne były wykorzystywane w analogowych komputerach (były takie!) do obliczania torów pocisków i rakiet. A konkretnie służyły do przeprowadzania operacji matematycznych, takich jak dodawanie, odejmowanie, mnożenie, dzielenie, pierwiastkowanie, potęgowanie i (a)logarytmowanie. I stąd wzięła się ich nazwa.

Dziś wzmacniacz operacyjny to maleńki układ scalony, mający zwykle 8 nóżek (co najmniej 5, czasem 14 lub więcej). Dziś wzmacniacze operacyjne to podstawowe elementy większości układów analogowych. Oprócz wzmacniania, element ten może realizować mnóstwo innych pożytecznych zadań. Aktualnie produkowanych jest niezliczone mnóstwo typów i odmian wzmacniaczy operacyjnych. Podstawowa zasada ich działania jest identyczna, a różnią się parametrami, związanymi głównie z precyzją i szybkością. W kilkuczęściowym artykule omówimy:

– zasadę działania i budowę wewnętrzną,

– popularne układy pracy,

– parametry (zalety, wady i ograniczenia).

Zasada działania

Na rysunku 1a pokazany jest symbol wzmacniacza operacyjnego. Wzmacniacz taki ma dwa wejścia, ściślej jedno wejście różnicowe (I – input) i jedno pojedyncze wyjście (O – output). Najprościej biorąc, wzmacniacz operacyjny wzmacnia różnicę napięć między swoimi wejściami. W rozmaity sposób jest to przedstawiane w podręcznikach i na schematach. Jeden z przykładów pokazany jest na rysunku 1b. Mamy tu (nie przestrasz się) tak zwane źródło napięciowe sterowane napięciem, po angielsku Voltage Controlled Voltage Source, stąd skrót VCVS. Co ważne, proste i oczywiste, napięcie wyjściowe zależy od różnicy napięć między wejściami według zależności:

U_O = A * ΔU_I

gdzie A to wzmocnienie napięciowe, ΔU_I to różnicowe napięcie wejściowe.

Idea jest dziecinnie prosta i oczywista: napięcie wyjściowe jest A razy większe niż napięcie wejściowe (napięcie między końcówkami wejściowymi).

Nie byłoby tu nic dziwnego, gdyby nie fakt, że wzmocnienie napięciowe A wzmacniacza operacyjnego ma być… nieskończenie wielkie.

A po co komu taki straszny dziwoląg: wzmacniacz o nieskończenie wielkim wzmocnieniu?

Wbrew pozorom, taki wzmacniacz, gdyby istniał, byłby niezmiernie przydatny i pożyteczny. Otóż nieskończenie wielkie ma być tylko „wzmocnienie własne gołego wzmacniacza”, zwane wzmocnieniem z otwartą pętlą, oznaczane A_OL (OL – open loop – otwarta pętla). A w rzeczywistości wzmacniacz prawie nigdy nie pracuje z otwartą pętlą, tylko między wyjściem a wejściem umieszczony jest obwód sprzężenia zwrotnego (feedback – sprzężenie zwrotne). I właśnie to obwód sprzężenia zwrotnego w danym układzie pracy wyznacza wypadkowe wzmocnienie i inne parametry.

Obrazowo i nieprecyzyjnie można to przedstawić jak na rysunku 2a: sygnał z wyjścia podany jest przez obwód sprzężenia zwrotnego na końcówkę wejściową oznaczoną „minus”, co oznacza wprowadzenie ujemnego sprzężenia zwrotnego. W podręcznikach także przy analizie wzmacniaczy operacyjnych bardzo często wykorzystuje się ogólny schemat układu regulacji z ujemnym sprzężeniem zwrotnym, pokazany na rysunku 2b.

W układzie użytkowym wypadkowe wzmocnienie i inne właściwości wyznacza obwód sprzężenia zwrotnego (β), a nie wzmocnienie własne A_OL. Co ciekawe, gdyby wzmacniacz operacyjny był idealny i miał nieskończenie wielkie wzmocnienie własne A_OL, wtedy właściwości byłyby wyznaczone tylko przez obwód sprzężenia zwrotnego (β). Jeżeli wzmocnienie wzmacniacza A_OL jest ograniczone, wtedy ono też ma jakiś, większy lub mniejszy, a w praktyce niezbyt duży wpływ na właściwości systemu.

Ogólnie biorąc, pętla (ujemnego) sprzężenia zwrotnego redukuje, zmniejsza wzmocnienie systemu do wartości potrzebnej użytkownikowi.

Redukcja wzmocnienia, czyli swego rodzaju obcięcie, utrata wzmocnienia, wcale nie jest niepotrzebną stratą. W praktyce na zasadzie „coś za coś” redukcja wzmocnienia powoduje bowiem polepszenie innych parametrów, na przykład zmniejszenie zniekształceń.

Czym bardziej redukujemy wzmocnienie, tym bardziej możemy poprawić niektóre inne parametry.

I od razu ważna uwaga dla rozszerzenia horyzontów: otóż w niniejszej serii artykułów (BR00x) omawiamy tylko klasyczne wzmacniacze operacyjne, z tak zwanym napięciowym sprzężeniem zwrotnym, nazywane VFB (Voltage Feedback). Ale od razu trzeba też wspomnieć, że istnieją także na pozór takie same wzmacniacze operacyjne ze sprzężeniem prądowym – CFB (Current Feedback). Symbol graficzny jest ten sam. W katalogach wyraźnie opisane są jako CFB (Current Feedback Amplifiers). Są to wzmacniacze bardzo szybkie i pomimo pewnych podobieństw do VFB (takie same są podstawowe układy aplikacyjne) działają na innej zasadzie i nie są teraz przedmiotem naszych rozważań.

Warto też dodać, że w podręcznikach akademickich można znaleźć jeszcze inne koncepcje wzmacniaczy i inne koncepcje sprzężenia zwrotnego. A na rynku można znaleźć nieliczne scalone wzmacniacze operacyjne zrealizowane według takich innych koncepcji, między innymi oznaczane OTA (Operational Transconductance Amplifier), gdzie sygnałem wyjściowym nie jest napięcie, tylko prąd – są to więc odmiany źródła prądowego sterowanego napięciem. Pierwszymi takimi scalonymi wzmacniaczami transkonduktacyjnymi były CA3080 i LM13700 (NE5517).

Przed laty duże nadzieję budziły operacyjne wzmacniacze transrezystancyjne, gdzie sygnałem wejściowym jest prąd, a dokładniej różnica malutkich prądów wejściowych, a sygnałem wyjściowym było napięcie. Nazywane bywają też transimpedancyjnymi, a na rynku pojawiły się jako tzw. wzmacniacze Nortona (LM359, LM3900). Dziś nie mają praktycznego znaczenia.

Trzeba też nadmienić, że oprócz klasycznych wzmacniaczy operacyjnych, istnieją też różne scalone wzmacniacze pomiarowe. Polskie określenie wzmacniacz pomiarowy, będące tłumaczeniem angielskiego instrumentation amplifier, odnosi się nie do precyzyjnego wzmacniacza operacyjnego, tylko do innego rodzaju wzmacniacza, który z reguły zawiera dwa lub trzy wzmacniacze operacyjne i sieć rezystorów. To odrębny temat.

My koncentrujemy się na klasycznych, absolutnie najpopularniejszych napięciowych wzmacniaczach operacyjnych, oznaczanych VFB.

Nieskończenie wielkie wzmocnienie?

Dość przekonujące jest uzasadnienie sensu istnienia wzmacniacza o nieskończenie wielkim wzmocnieniu – redukcja wzmocnienia może poprawić inne parametry, a finalne właściwości ustala pętla sprzężenia zwrotnego. Ale koniecznie trzeba też spojrzeć na sprawę niejako z innego punktu widzenia: przy nieskończenie wielkim wzmocnieniu A_OL do dowolnie dużej zmiany napięcia wyjściowego potrzebna byłaby nieskończenie mała zmiana napięcia wejściowego!

A to oznacza, że podczas normalnej pracy (idealnego) wzmacniacza operacyjnego obie końcówki wejściowe mają ten sam potencjał – różnica napięć między nimi jest równa zeru.

Oczywiście w rzeczywistości wzmocnienie napięciowe jest skończone, niemniej jest bardzo wielkie, rzędu setek tysięcy, a często milionów razy. Jeżeli przykładowo wzmocnienie jest równe 1 milion, to do zmiany napięcia wyjściowego o 1 wolt potrzebna jest zmiana napięcia wejściowego o… 1 mikrowolt. Tak, o jeden mikrowolt, czego nie sposób zmierzyć za pomocą większości multimetrów.

Zapamiętaj, że podczas normalnej pracy wzmacniacza operacyjnego zmiany napięcia między jego wejściami są znikomo małe, możemy przyjąć, że równe zeru.

Tak, ale zawsze trzeba pamiętać, że nawet znikomy wzrost napięcia na wejściu oznaczonym „+” powoduje wzrost napięcia wyjściowego, dlatego mówimy, że jest to wejście nieodwracające. Z kolei wzrost napięcia na wejściu oznaczonym „–” powoduje zmniejszanie napięcia wyjściowego. Mówimy, że to jest wejście odwracające. Ilustruje to rysunek 3. Raz na zawsze zapamiętaj te proste zależności.

Idealna nieskończoność…

Wierz mi, że pojęcie hipotetycznego, idealnego wzmacniacza operacyjnego jest bardzo pożyteczne, ponieważ znakomicie ułatwia zrozumienie kluczowych zależności. A w wielu przypadkach ułatwia też praktyczny dobór elementów współpracujących ze wzmacniaczem operacyjnym.

Dlatego trzeba podkreślić, że hipotetyczny, idealny wzmacniacz operacyjny ma doskonałe wszystkie parametry.

Jego wejścia zupełnie nie pobierają prądu, czyli mają nieskończenie wielką rezystancję.

Z kolei wyjście ma nieskończenie małą,  zerową rezystancję, czyli można z niego pobrać dowolnie duży prąd obciążenia. Idealny wzmacniacz operacyjny w spoczynku nie pobiera prądu ze źródła zasilania i oczywiście zarówno napięcia zasilające, jak i sygnały wyjściowe mogą być dowolnie duże.

Idealny wzmacniacz operacyjny jest też nieskończenie szybki, czyli ma pasmo przenoszenia od zera (prąd stały) do nieskończenie wielkiej częstotliwości.

Taki doskonały wzmacniacz ani nie zniekształca wzmacnianego sygnału, ani nie dodaje do niego żadnych szumów.

Rzeczywiste wzmacniacze operacyjne są zbudowane z tranzystorów i na pewno idealne nie są. Jednak współczesne wzmacniacze mają niektóre parametry naprawdę bliskie ideału. Tak, ale tylko niektóre. Z uwagi na niedoskonałości tranzystorów nie można zbudować wzmacniacza operacyjnego o bliskich ideału wszystkich parametrach. Dlatego do poszczególnych zastosowań trzeba wybierać odpowiednie wzmacniacze, optymalizowane do określonych celów. To bardzo ważne w praktyce i będziemy jeszcze o tym mówić.

A gdzie masa?

Kwestie masy oraz roboczych napięć wejściowych i wyjściowych we wzmacniaczach operacyjnych są bardzo ważne, ale słabo rozumiane, co w praktyce bardzo częstą jest przyczyną błędów i niepowodzeń.

Od początku istnienia elektroniki bardzo ważne jest pojęcie masy. W układach lampowych była to masa o dużej masie. Masą był solidny kawał blachy, na której mocowane były wszystkie elementy urządzenia. Ta blacha – masa, była dołączona do ujemnego bieguna głównego napięcia anodowego. Dziś masa to obwód wspólny, obwód o umownym potencjale równym 0V. To obwód i punkt odniesienia, względem którego mierzymy wszystkie napięcia (sygnały). W prawie każdym współczesnym układzie elektronicznym wyróżniamy obwód masy, „obwód zerowy”.

Zapamiętaj: wzmacniacz operacyjny z założenia nie ma końcówki masy. Realny wzmacniacz operacyjny oprócz różnicowego wejścia i pojedynczego wyjścia na pewno ma też dwie końcówki zasilania, jak na rysunku 4, ale żadna nie jest (nie powinna być) oznaczona jako masa – zwykle oznaczane są V_CC i V_EE albo V_DD, V_SS. Owszem, we wszystkich wzmacniaczach operacyjnych jedna z końcówek wejściowych, a w niektórych także jedna z końcówek zasilających może być dołączona do masy urządzenia. Ale żadna z końcówek wzmacniacza nie jest opisana jako masa.

Koniecznie trzeba przypomnieć, że  z początku półprzewodnikowe scalone monolityczne wzmacniacze operacyjne były zasilane napięciem podwójnym (dual supply), symetrycznym ±15V, co daje w sumie aż 30V, a sygnały przetwarzane miały wartości w zakresie od –10V do +10V, co jest zilustrowane na rysunku 5.

Wzmacniacze operacyjne musiały więc prawidłowo wytworzyć napięcia wyjściowe w zakresie ±10V, co było łatwe do zrealizowania nawet kilkadziesiąt lat temu. Mniej oczywiste jest to w odniesieniu do końcówek wejściowych. Otóż wiemy już, że podczas normalnej pracy obie końcówki wejściowe mają praktycznie ten sam potencjał i na pewno może to być potencjał masy. To jasne. Ale może być inaczej. Najprościej biorąc, zgodnie z założeniem, że przetwarzane sygnały mogą mieć wartości ±10V względem masy, wejścia wzmacniaczy na pewno powinny prawidłowo pracować przy wspólnych napięciach wejściowych w tym właśnie zakresie.

Zwróć uwagę, że według tych dawnych założeń, ani wyjścia, ani wejścia nie musiały prawidłowo pracować przy napięciach różniących się o 5V od napięć zasilania, co jest zaznaczone różowym kolorem na rysunku 5.

Z czasem coraz częściej wzmacniacze operacyjne próbowano wykorzystać na wiele najróżniejszych sposobów i powszechnie zasilano je napięciem niższym niż kanoniczne 30V (±15V). Wejścia i wyjścia rzeczywistych wzmacniaczy operacyjnych mogły pracować przy napięciach różniących się od napięć zasilania o znacznie mniej niż 5V.

Większość układów elektronicznych jest zasilanych nie napięciem symetrycznym, tylko napięciem pojedynczym, gdzie jako masę uznaje się ujemny biegun zasilania. Większość wejść dawnych wzmacniaczy operacyjnych nie mogła pracować na poziomie takiej masy, a ściślej na poziomie ujemnego napięcia zasilania. Chlubnym wyjątkiem był opracowany w roku 1972 układ scalony LM324 i jego wersja LM358, która głównie dzięki tej właśnie właściwości nie straciła popularności przez prawie 50 lat! Układ LM358 zawdzięcza swą niebywałą popularność przede wszystkim temu, że jego wejścia mogą pracować nie tylko na poziomie ujemnego napięcia zasilania (a w praktyce nawet do 0,3V poniżej)! Także obwody wyjściowe zostały tak zaprojektowane, że mogą wytworzyć na wyjściu napięcia bardzo bliskie ujemnej szynie zasilania. Dużą zaletą jest też fakt, że wzmacniacze operacyjne LM358 mogą pracować w szerokim zakresie całkowitego napięcia zasilania 3…32V (±1,5V…±16V), z szerokim zakresem napięć wejściowych i wyjściowych, co jest zilustrowane na rysunku 6.

Dziś tego rodzaju wzmacniaczy jest dużo więcej i w ich opisach znajdziemy określenie  single supply (SS, pojedyncze zasilanie). Ale z upływem lat układy elektroniczne zasilano coraz niższymi napięciami. Do niedawna standardem w układach cyfrowych było pojedyncze napięcie +5V, dziś coraz częściej jest to 3,3V, a nawet mniej.  I coraz więcej współczesnych wzmacniaczy operacyjnych przeznaczonych jest do pracy przy napięciu zasilającym 1,8V…5,5V. Niskie napięcie zasilania wręcz wymusza konieczność poszerzania zakresu roboczych napięć wejściowych i wyjściowych – dlatego powstały wzmacniacze operacyjne, których wejścia i wyjścia mogą pracować w pełnym zakresie napiec zasilania, a zwykle też nieco poniżej ujemnego napięcia zasilana oraz powyżej dodatniego, co jest zilustrowane na rysunku 7.

Są to wzmacniacze oznaczane rail-to-rail (od szyny do szyny, bo rail to szyna zasilająca). W opisach można znaleźć też skrót RR, w tym RRIO, co oznacza, że i wejścia (I), i wyjścia (O) mogą pracować w pełnym zakresie napięć zasilania. Poszczególne typy dostępnych dziś nowoczesnych wzmacniaczy operacyjnych różnią się między innymi dozwolonym zakresem napięć zasilania oraz roboczym zakresem napięć wejściowych. Są też nieliczne wzmacniacze RRO, ale praktycznie nie ma wzmacniaczy RRI. Ponadto coraz mniej produkuje się  i używa wzmacniaczy, które mogą być zasilane dużymi napięciami rzędu 30V. W wielu maksymalnym napięciem zasilania jest 12V…16V, a coraz więcej jest wzmacniaczy operacyjnych o maksymalnym napięciu zasilania 5,5V…7V. Nie wszystkie nowoczesne wzmacniacze są typu rail-to-rail, dość dużo jest wzmacniaczy typu single supply SS, ale nadal wykorzystujemy wiele wzmacniaczy typu dual supply, których wejścia nie mogą pracować na poziomie ujemnej szyny zasilania (masy).

Każdy wzmacniacz operacyjny może pracować prawidłowo tylko w zakresie napięć wejściowych i wyjściowych, zależnym od jego budowy wewnętrznej. Aby uniknąć błędów, zanim przejdziemy do omówienia podstawowych układów aplikacyjnych, musimy omówić budowę wewnętrzną wzmacniaczy operacyjnych. Przy okazji zapoznamy się trochę z ich historią. Ciąg dalszy w kolejnym artykule ER012.

Piotr Górecki