Historia i budowa wewnętrzna wzmacniaczy operacyjnych

W poprzednim artykule ER011 wstępnie zapoznaliśmy się ze wzmacniaczem operacyjnym: dziwolągiem, który teoretycznie ma mieć nieskończenie wielkie wzmocnienie i doskonałe wszystkie inne parametry. Rzeczywiste wzmacniacze operacyjne idealne nie są, a ich właściwości określone są przez parametry tranzystorów wykorzystanych do ich budowy. Fascynująca i bardzo pouczająca jest historia wzmacniaczy operacyjnych. Pokazuje też, skąd brały się i nadal biorą, wady i ograniczenia. Nie dziw się też, że tyle uwagi poświęcamy historii i skrótowi RRIO – to naprawdę jest bardzo ważne dla współczesnego elektronika.

Trochę historii

W tym śródtytule znajdziesz szereg schematów wewnętrznych różnych wzmacniaczy operacyjnych. Szczegółowa analiza takich schematów jest niepotrzebna i niecelowa, koniecznie trzeba natomiast zwrócić uwagę na budowę stopni wejściowych i wyjściowych, co będzie też dokładniej omawiane później.

Pierwsze wzmacniacze operacyjne przeznaczone były do celów profesjonalnych i były układami lampowymi. Potem realizowano wzmacniacze operacyjne jako moduły zawierające tranzystory, najpierw germanowe, potem krzemowe. Ogromna popularność wzmacniaczy operacyjnych zaczęła się dopiero wtedy, gdy pojawiły się one na rynku jako monolityczne układy scalone.

Na początku lat 60. w wiodącej wtedy firmie Fairchild Semiconductor 26-letni Bob Widlar opracował pierwszy monolityczny wzmacniacz operacyjny µA702. Układ wzbudził duże zainteresowanie, ale nie odniósł sukcesu komercyjnego. Sukces komercyjny odniósł µA709, drugi wzmacniacz operacyjny Widlara z roku 1965, produkowany potem przez wiele firm pod różnymi oznaczeniami. W roku 1967 Bob Widlar, który przeniósł się do National Semiconductor Corporation, opracował wzmacniacz LM101 (LM301, w Polsce produkowany dawniej jako ULY7701).

Spektakularny sukces komercyjny odniósł jednak podobny do LM101 wzmacniacz µA741 (uA741) o schemacie pokazanym na rysunku 1, który w roku 1968 opracował David Fullagar pracujący w Fairchild Semiconductor. W roku 1969 ukazała się szybsza wersja uA748 (wymagająca zewnętrznego kondensatora). Pojawiły się wersje podwójne (np. Motorola MC1558/MC1458) oraz poczwórne (Motorola MC4741 i National LM148).

Na wiele lat stworzony w roku 1968 układ µA741 stał się klasykiem i niejako punktem odniesienia. Jednak w roku 1972 opracowano układy LM324 i LM358, które stały się jeszcze bardziej popularne, o czym za chwilę. Ale generalnie parametry wszystkich tych wczesnych układów były słabe. Nastąpił wyścig producentów, oferujących wzmacniacze operacyjne o coraz lepszych parametrach. Jednak nie można było w równym stopniu poprawiać wszystkich kluczowych parametrów, dlatego pojawiły się wzmacniacze specjalizowane, przeznaczone do różnych zastosowań. Oprócz wzmacniaczy uniwersalnych o przeciętnych wszystkich parametrach, opracowano różne wzmacniacze precyzyjne, a także różne wzmacniacze operacyjne szybkie.

Już w roku 1969  pojawiły się wzmacniacze bardziej precyzyjne niż uA741: LM108 (LM112) z tak zwanymi tranzystorami superbeta na wejściach oraz wzmacniacz uA725. Na początku lat 70. ukazała się wersja precyzyjna AD741 Analog Devices. W roku 1975 w firmie PMI (Precision Monolitics, obecnie Analog Devices) opracowano kolejnego klasyka, wzmacniacz OP07 (rysunek 2), który stał się punktem odniesienia dla wzmacniaczy precyzyjnych. W roku 1988 pojawił się znacznie ulepszony OP77, a później dostępny do dziś OP177. Obecnie najbardziej precyzyjne wzmacniacze operacyjne wykorzystują zaskakująco sprytne sposoby korygowania błędów i zmniejszania szumów – w ich opisach znajdziemy takie np. określenia jak AutoZero czy Chopper Amplifier.

Jeżeli chodzi o szybkie wzmacniacze operacyjne, to w roku 1971 ukazał się LM118 (LM318) dużo szybszy od wszystkich wcześniejszych (pomijając bardzo szybkie bufory, jak  LM102, LM110, BUF-03, które nie były prawdziwymi wzmacniaczami operacyjnymi). W roku 1982 firma Harris wypuściła naprawdę szybki wzmacniacz operacyjny HA-2539, zawierający opatentowane, szybkie scalone tranzystory pnp.

Stopniowo doskonalono technologię i dziś mamy wzmacniacze operacyjne o deklarowanym pasmie przenoszenia od zera do górnej częstotliwości granicznej rzędu kilku gigaherców, czyli pracujące nawet w zakresie mikrofalowym.

Wszystkie wczesne scalone wzmacniacze operacyjne były zbudowane z tranzystorów bipolarnych. W szczególności w stopniu wejściowym pracowały tranzystory bipolarne, a więc w obwodach wejść musiały płynąć stosunkowo duże prądy polaryzacji baz tych tranzystorów. Tymczasem w licznych zastosowaniach źródło sygnału ma ogromną rezystancję wewnętrzną i współpracujący wzmacniacz operacyjny musi mieć jak największą rezystancję wejściową i jak najmniejsze prądy polaryzacji wejść.

Połowicznym rozwiązaniem jest zastosowanie sprytnego wewnętrznego obwodu kompensacji prądów wejściowych, co na rysunku 2 jest zaznaczone żółtą podkładką.

Jednak poważną wadą tranzystorów bipolarnych jest duży poziom tak zwanych szumów prądowych, a ich nie da się w ten sposób zredukować. Te szumy prądowe są dużo mniejsze w tranzystorach polowych, zarówno złączowych JFET, jak i MOSFET z izolowaną bramką.

Od początku próbowano też realizować monolityczne wzmacniacze operacyjne z wejściowymi tranzystorami polowymi (uA740, ICL8006), ale ich inne parametry związane z precyzją były wręcz fatalne. Przełom przyniósł rok 1974, gdy wykorzystano technologię implantacji jonów. Powstały wzmacniacze LF155…157, bardziej znane w wersjach LF355…LF357. Miały znikome prądy wejściowe i były dość szybkie. W roku 1978 powstały w Texas Instruments popularne do dziś kostki TL081/082/084 (rysunek 3) oraz wersje niskoszumowe TL07x i energooszczędne TL06x – wszystkie z tranzystorami JFET P na wejściach i bipolarnymi w dalszych stopniach (BiFET).

Także w roku 1974 powstały wzmacniacze CA3130, mające na wejściach tranzystory MOSFET P (a w strukturze tranzystory bipolarne). Potem powstawały liczne wzmacniacze operacyjne składające się wyłącznie z tranzystorów MOSFET. Prosty przykład na rysunku 4.

Układy audio

Oddzielna sprawa to wzmacniacze do toru sygnałowego urządzeń audio. Wzmacniacze operacyjne okazały się idealnymi cegiełkami do budowy najróżniejszych układów audio. Jednak wczesne wzmacniacze operacyjne nadawały się tylko do sprzętu niewysokiej klasy. Przełomem było pojawienie się w drugiej połowie lat 70. podwójnego wzmacniacza operacyjnego Signetics/Philips NE5532, przeznaczonego głównie do zastosowań audio, który w tych zastosowaniach do dziś jest klasykiem i punktem odniesienia. Ściślej biorąc, najpierw powstał pojedynczy wzmacniacz NE5534, który mógł stabilnie pracować przy wzmocnieniu większym niż 3×. Wkrótce potem zaproponowano jego podwójną wersję NE5533, po której dziś trudno znaleźć ślad. Nieprawdopodobnym przebojem okazała się natomiast kostka NE5532, czyli podwójna wersja z wewnętrzną kompensacją, mogąca pracować także przy wzmocnieniu równym jedności. Jej mocno uproszczony schemat pokazany jest na rysunku 5.

Spośród starszych wzmacniaczy, w lepszym sprzęcie audio były też często stosowane opracowane w roku 1980 precyzyjne i niskoszumowe OP27 i OP37, a potem wiele innych, niekoniecznie lepszych.

Dziś szereg wzmacniaczy operacyjnych, zarówno bipolarnych, jak i BiFET, reklamowanych jest jako specjalizowane do sprzętu audio.

W sprzęcie audio stosowane są też tak zwane wzmacniacze operacyjne ultraniskoszumowe, spośród których najbardziej znane są AD797 i LT1115. Rzeczywiście mają one bardzo małe tak zwane szumy napięciowe, ale za to duże szumy prądowe. Naprawdę ultraniskoszumowe są tylko przy wzmacnianiu małych sygnałów ze źródeł o bardzo niskiej rezystancji wewnętrznej 20…100 omów. W innych zastosowaniach nie warto ich wykorzystywać. Podobnie należy się mocno zastanowić, czy trzeba wykorzystywać inne kosztowne wzmacniacze o deklarowanych znikomych zniekształceniach THD poniżej 1 tysięcznej procenta. Niestety, mnóstwo osób nie rozumie dokładnie specyfiki i znaczenia parametrów technicznych podawanych w katalogach. A w dziedzinie audio oprócz mierzalnych parametrów technicznych ogromne znaczenie ma także opinia środowiska,  stereotypy, powszechne  opinie i wyobrażenia. Efektem są z jednej strony ewidentne błędy w kwestii wyboru wzmacniaczy pogarszające parametry, a z drugiej niepotrzebne wydatki na podzespoły, których obecność nie poprawi właściwości. To jednak temat na oddzielny, bardzo szeroki artykuł. Ogólnie biorąc, nadal w ogromnej większości układów audio z powodzeniem wystarczy NE5532, a często nawet TL072 (TL071, TL074). Tematyka audio nie jest jednak najważniejsza.

LM358 – początek drogi do RRIO

Ogromnie ważnym, a wręcz przełomowym momentem było opracowanie w National Semiconductor (Russell, Frederiksen) w roku 1972 wzmacniacza operacyjnego LM124, przeznaczonego do zastosowań w pewnym sensie przemysłowych, który co ciekawe i ważne, mógł być zasilany niskim pojedynczym napięciem. Zdecydowanie bardziej znana wersja wzmacniacza LM124 to do dziś używany  LM324, gdzie  w jednej obudowie zawarte są cztery jednakowe wzmacniacze. Nie pojawiła się pojedyncza wersja tego wzmacniacza, ale szybko wypuszczono układ z dwoma wzmacniaczami w jednej obudowie (DIP-8) o oznaczeniu LM158 oraz w do dziś ogromnie popularnej wersji LM358.

Koniecznie trzeba przypomnieć, że wszystkie wcześniejsze wzmacniacze operacyjne, także i ten, zasilane były standardowym napięciem symetrycznym ±15V, by osiągnąć użyteczny zakres  przetwarzanych sygnałów ±10V.

Rysunek 6 pokazuje mocno uproszczony schemat blokowy takich wzmacniaczy. Najogólniej biorąc, pierwsze scalone wzmacniacze operacyjne miały w obwodach wejściowych tranzystory npn, a ściślej tzw. parę różnicową: dwa tranzystory npn połączone emiterami. I już to nie pozwalało na pracę wejść (baz) na poziomie ujemnej szyny zasilania. Podobnie było ze wzmacniaczami mającymi w stopniu wejściowym tranzystory polowe, zarówno JFET N, jak i MOSFET z kanałem N.

Wzmacniacze LM358/LM324 miały tę zaletę, że mogły prawidłowo pracować także przy napięciu zasilania zdecydowanie mniejszym (już od 3V albo symetrycznie ±1,5V). Ale jeszcze większe znaczenie miał fakt, że w tym niepozornym wzmacniaczu operacyjnym wejścia mogły prawidłowo pracować na potencjale ujemnej szyny zasilania według rysunku 7. A nawet około 0,3V poniżej ujemnej szyny zasilania!

 

Jak pokazuje rysunek 8, jest to możliwe, ponieważ na wejściach pracują pary tranzystorów PNP w układzie Darlingtona (niebieska podkładka). Jeżeli wejścia mają potencjał masy, to na emiterach Q2, Q3 napięcie (U_E) wynosi około 1,2V. Napięcie nasycenia tranzystorów Q2, Q2 to co najwyżej 0,3V, a to pozwala na poprawną pracę lustra prądowego Q8, Q9: tranzystora Q8, który pracuje w sumie jako dioda, a także Q9. Co najważniejsze, napięcie U_B podawane na bazę Q10 nawet w takim trudnym przypadku może zmieniać się w zakresie od około 0,3V do około 0,9V, a to zapewni prawidłową pracę nie tylko wtórników Q10, Q11, ale przede wszystkim  tranzystora wzmacniającego Q12.

Podobnie wyjście LM324, LM358 i pokrewnych zostało dostosowane do pracy przy napięciach zbliżonych do masy (ściślej: do ujemnego napięcia zasilania). Umożliwiał to dodatkowy tranzystor pracujący jako źródło prądowe o wydajności 50uA, co w uproszczeniu na rysunku 8 zaznaczone jest zieloną podkładką, a dokładniej na rysunku 9, pochodzącym z katalogu innego producenta.

Wszystko to jest ogromnie ważne przy zasilaniu napięciem pojedynczym, a nie symetrycznym – otworzyło to bowiem drogę do niezliczonych nowych, wcześniej niedostępnych zastosowań.

Wzmacniacze LM358 (LM324) z grubsza biorąc, miały większość parametrów elektrycznych zbliżoną do uA741, jednak możliwość pracy wejść i wyjścia także w pobliżu ujemnej szyny zasilania – masy spowodowały, że te prawie pięćdziesięcioletnie kostki, a konkretnie LM358, do dziś są zaskakująco często wykorzystywane (a gdy potrzebna jest lepsza dokładność, stosowana bywa odrobinę lepsza wersja LM258). Można je spotkać w wielu tańszych urządzeniach i modułach, zwłaszcza produkowanych w Chinach. Natomiast kultowe i niegdyś tak popularne wzmacniacze uA741 definitywnie znikły z rynku już dość dawno.

Kostki LM358/LM324 były pierwszymi wzmacniaczami typu single supply (SS) przeznaczonymi do zasilania pojedynczym napięciem w szerokim zakresie 3V … 32V. Później pojawiły się inne typu SS o podobnych i jeszcze lepszych właściwościach. Z czasem tendencja do obniżania napięcia zasilania, nawet znacznie poniżej 5V, wywołała zapotrzebowanie na wzmacniacze operacyjne, których i wejścia, i wyjścia mogły pracować w pełnym zakresie napięć zasilania. Pojawiły się wspomniane już wcześniej wzmacniacze typu rail-to-rail. Będziemy do nich wracać.

A na razie omówmy, pod jakimi warunkami wejścia i wyjścia mogą pracować w całym zakresie napięć zasilania.

Obwody wejściowe

Najprościej biorąc, w kostce LM358 i pokrewnych tranzystory PNP w obwodach wejściowych pozwoliły wejściom pracować na poziomie ujemnej szyny zasilania. Łatwo zaakceptować wniosek, że analogicznie tranzystory NPN pozwolą na pracę wejść na poziomie dodatniej szyny zasilania. A to prowadzi do kolejnego prostego wniosku: aby uzyskać pracujące w całym zakresie napięć zasilania wejścia typu rail-to-rail, wystarczy odpowiednio połączyć i skoordynować pracę par tranzystorów PNP i NPN według uproszczonego rysunku 10.

Praktyczny przykład na rysunku 11, pokazującym obwody wejściowe wzmacniaczy operacyjnych AD8614/AD8644.

Tak samo jest w przypadku tranzystorów polowych, jak pokazuje rysunek 12, przedstawiający uproszczony schemat wewnętrzny wzmacniaczy operacyjnych LTC6078/6079, które mają na wejściach pary tranzystorów  MOSFET N i MOSFET P.

Obwody wyjściowe

Sygnałem wyjściowym wzmacniacza operacyjnego jest napięcie, ale z wyjścia zwykle pobierany jest jakiś znaczący prąd, więc wyjście powinno mieć małą rezystancję wyjściową. Od początku standardowym stopniem wyjściowym były różne odmiany symetrycznego wtórnika według uproszczonego rysunku 13, gdzie tranzystory wyjściowe pracują w bezpiecznym i stabilnym układzie wspólnego kolektora lub wspólnego drenu.

Wadą takich wtórników są duże napięcia nasycenia – napięcie wyjściowe nie może być bliskie jednej i drugiej szyny zasilania, co na przykładzie tranzystorów bipolarnych jest pokazane na rysunku 14.

Nawet gdyby baza tranzystora została dołączona do szyny zasilania, to napięcie na wyjściu będzie różnić się od napięcia bazy o około 0,7V. Taki klasyczny stopień wyjściowy nie jest w stanie wytworzyć na wyjściu napięć różniących się od potencjału obu szyn zasilania o mniej niż 0,7V, a w praktyce więcej niż 0,7V.

Warto jednak wiedzieć, że w niektórych przypadkach można częściowo obejść to ograniczenie: mianowicie wtedy, gdy rezystancja obciążenia jest dołączona do którejś z szyn zasilania. Wtedy właśnie ta rezystancja obciążenia ściąga napięcie wyjściowe wzmacniacza w kierunku szyny zasilania, do której jest podłączona. Nie zawsze, ale najczęściej rozszerza to zakres użytecznych napięć, które można uzyskać na wyjściu, jak pokazuje rysunek 15.

W ten sposób w przypadku  wzmacniacza LM358 zasilanego pojedynczym napięciem, z obciążeniem dołączonym do ujemnej szyny zasilania, czyli masy, można uzyskać na wyjściu napięcia od zera lub bardzo bliskie zeru z uwagi na wpływ innych obwodów, które też są dołączone do wyjścia wzmacniacza operacyjnego (na przykład obwodu sprzężenia zwrotnego).

Tak, ale to jest tylko półśrodek. W wielu zastosowaniach, zwłaszcza przy niskim napięciu zasilania, chcielibyśmy uzyskać zakres napięć wyjściowych od ujemnej do dodatniej szyny zasilania, czyli rail-to-rail, dokładnie równy całkowitemu napięciu zasilania. Ściśle biorąc, w praktyce nie jest to możliwe, choć zdecydowana większość współczesnych wzmacniaczy operacyjnych ma wyjście nazywane rail-to-rail (czyli od szyny do szyny).

Aby rozszerzyć zakres napięć możliwych do uzyskania na wyjściu, tranzystory w stopniu wyjściowym pracują nie jako wtórniki, tylko w układzie wspólnego emitera bądź wspólnego źródła według rysunku 16 (porównaj z rysunkiem 13). Pozwala to na wyjściu uzyskać napięcia bardzo bliskie obu szynom zasilania.

Przykład wzmacniacza operacyjnego z tego rodzaju wyjściem pokazany jest na rysunku 17.

Jednak taka budowa i określenie rail-to-rail wcale nie daje gwarancji, że na wyjściu można uzyskać napięcie w zakresie całkowitego napięcia zasilania. Wskazuje tylko na budowę stopnia wyjściowego. Jeżeli wykorzystane są tam tranzystory bipolarne, to wygląda to mniej więcej jak na rysunku 18a. Tranzystory bipolarne mają jakieś niezerowe napięcie nasycenia (U_CEsat), od kilku miliwoltów do nawet kilkuset miliwoltów, zależnie od prądu kolektora.

Problemu tego nie ma w przypadku tranzystorów MOSFET. W pełni otwarty MOSFET to jedynie niewielka rezystancja R_DSon, o wartości zależnej od rozmiarów struktury. A MOSFET zatkany to praktycznie nieskończenie wielka rezystancja. Dlatego jak pokazuje rysunek 18b, w stopniu wyjściowym rail-to-rail z MOSFET-ami można uzyskać napięcia wyjściowe z pełnego zakresu napięcia zasilania. Tak, ale tylko wtedy, gdy nie płyną tam prądy.

Jeżeli w stopniu wyjściowym płynie prąd obciążenia, to przy całkowicie otwartym jednym tranzystorze i całkowicie zamkniętym drugim, w najlepszym przypadku wywołuje on spadek napięcia na rezystancji R_DSon. Zilustrowane jest to na rysunku 18c.

W praktyce obciążenie bywa często dołączone do jednej z szyn zasilania, co w zasadzie daje efekt, pokazany na rysunku 15. Tak, rozszerza to zakres roboczych napięć wyjściowych (w jedną stronę), ale nawet jeżeli przy zasilaniu pojedynczym napięciem obciążenie jest dołączone do masy, to do tego wyjścia dołączony jest też obwód sprzężenia zwrotnego wzmacniacza, a to zwykle powoduje, że nie można na wyjściu uzyskać napięcia dokładnie równego potencjałowi szyn zasilania. Różnice mogą być małe, rzędu pojedynczych miliwoltów, co w licznych zastosowaniach okaże się zupełnie nieistotne. Jednak w niektórych zastosowaniach może to mieć znaczenie, dlatego trzeba o tym wiedzieć i pamiętać.

Stopnie pośrednie we wzmacniaczu

Pomiędzy różnicowym wejściem i stopniem wyjściowym z reguły pracuje jeden stopień wzmocnienia, choć takich stopni wzmacniających może być dwa. Te stopnie pośrednie mogą mieć bardzo różną budowę, co zresztą widać na schematach zaprezentowanych w tym odcinku. Naprawdę nie trzeba się wgłębiać i rozumieć, jak te pośrednie stopnie pracują. Tym bardziej że zamieszczane w kartach katalogowych schematy z reguły są uproszczone i nie pokazują wszystkich szczegółów. Wystarczy tylko pamiętać, że o kluczowych parametrach wzmacniacza operacyjnego podawanych w katalogach, a także o najważniejszych niedoskonałościach, decydują przede wszystkim obwody wejściowe oraz obwody wyjściowe.

Nie RRI, tylko RRO i RRIO

Tytuł artykułu to Droga do RRIO. Skrót RRIO oznacza Rail-to-Rail Input Output  i określa wzmacniacze operacyjne, które mają i wejścia, i wyjścia typu rail-to-rail. Od początku było to marzenie elektroników i cel wysiłków konstruktorów i technologów. Dziś większość nowo opracowywanych wzmacniaczy operacyjnych  ma budowę RRIO. Ale wcześniej było inaczej: popularne były wzmacniacze do zasilania napięciem pojedynczym względem masy (single supply), których wejścia i wyjścia nie mogły jednak pracować na poziomie dodatniej szyny zasilania.

W niektórych takich wzmacniaczach rozszerzono zakres napięć wyjściowych przez zastosowanie wyjścia według rysunku 16. Trzeba wiedzieć, że istnieją wzmacniacze RRO mające tylko wyjście rail-to-rail. Ich wejścia nie są typu rail-to-rail, ale zwykle mogą pracować na poziomie ujemnej szyny zasilania (single supply). Przykładem jest właśnie AD824, którego schemat masz na rysunku 17. Schemat (z firmowej karty katalogowej) jest o tyle mylący, że na wejściach  tego wzmacniacza pracują tranzystory polowe JFET oznaczone J1, J2, a na schemacie wykorzystano symbole graficzne tranzystorów NPN. Obecność JFET-ów N powoduje, że wejścia mogą pracować na poziomie ujemnej szyny zasilania (Vcc), a nawet 0,2V poniżej.

Praktycznie nie ma natomiast scalonych wzmacniaczy RRI, czyli tylko z wejściami rail-to-rail i klasycznym wyjściem według rysunku 13.

W kolejnym artykule ER013 omówimy podstawowe układy pracy wzmacniacza operacyjnego, a to doprowadzi nas do opisu jego niedoskonałości i kluczowych parametrów.

Piotr Górecki