Podstawowe układy pracy wzmacniaczy operacyjnych

Wcześniej omówiliśmy zasadę działania i budowę wzmacniaczy operacyjnych. Zanim zapoznamy się z właściwościami i niedoskonałościami wzmacniaczy operacyjnych, konieczne jest przypomnienie najważniejszych informacji o podstawowych układach pracy wzmacniaczy operacyjnych.

W poprzednim artykule ER012 omawialiśmy budowę wewnętrzną wzmacniaczy operacyjnych, co doprowadziło nas do skrótu RRIO. Teraz mamy omówić podstawowe układy pracy wzmacniacza operacyjnego, co z kolei doprowadzi nas do opisu jego niedoskonałości i kluczowych parametrów. Zaczniemy od analizy podstawowych układów pracy.

Analiza jest zaskakująco łatwa, tylko przede wszystkim trzeba przypomnieć sobie elementarne zależności dotyczące kierunków zmian napięcia (rośnie/maleje) podane na rysunku 1, przy czym zupełnie nie przeszkadza fakt, iż wzmocnienie teoretycznie jest nieskończenie wielkie.

Najogólniej biorąc, wzmacniacz operacyjny może pracować:

1 – bez sprzężenia zwrotnego,

2 – z dodatnim sprzężeniem zwrotnym,

3 – z ujemnym sprzężeniem zwrotnym,

co jest w bardzo dużym uproszczeniu zilustrowane na rysunku 2.

Sprzężenie zwrotne może zostać uzyskane różnie, ale najczęściej realizuje się je za pomocą dwóch rezystorów. W przytłaczającej większości zastosowań wzmacniacze operacyjne pracują w układach zawierających obwód ujemnego sprzężenia zwrotnego według ogólnego rysunku  3a. Znacznie rzadziej   z dodatnim sprzężeniem według rysunku 3b. Jeszcze rzadziej bez sprzężenia zwrotnego, jednak koniecznie trzeba też wspomnieć także i o takiej możliwości.

Komparator

W rzadkich przypadkach wzmacniacz operacyjny pracuje bez pętli sprzężenia zwrotnego. Z uwagi na ogromne wzmocnienie, teoretycznie nieskończenie wielkie, w układzie według rysunku 4a już znikome napięcie dodatnie na wejściu powoduje, że na wyjściu pojawia się duże napięcie dodatnie, bliskie dodatniemu napięciu zasilania. Znikome napięcia ujemne na wejściu powodują pojawienie się na wyjściu dużego napięcia bliskiego ujemnemu napięciu zasilania. Napięciem odniesienia (Uref) jest tu potencjał masy. Ale sygnał wejściowy może też być podany na wejście odwracające według rysunku 4b i wtedy nawet małe sygnały dodatnie powodują, że na wyjściu pojawia się napięcie ujemne bliskie ujemnemu napięciu zasilania.

Wejście odniesienia nie musi być dołączone do masy, tylko do suwaka potencjometru według rysunku 5ab i wtedy układ porównuje napięcie wejściowe U_IN z napięciem odniesienia U_REF. Na wyjściu otrzymujemy informację, które z napięć jest wyższe. Na rysunkach 4 i 5 mamy prościutki układ porównujący, czyli komparator.

Rezystancja wejściowa takich komparatorów jest ogromna, teoretycznie nieskończenie wielka.

W roli komparatora z powodzeniem pracują wzmacniacze operacyjne, ale produkowane były i są nieliczne układy komparatorów, które optymalizowane są do pracy właśnie w takiej roli.

Od razu trzeba dodać, że komparatory według rysunku 5 mają szansę prawidłowo pracować tylko wtedy, gdy napięcia na obu wejściach będą mieścić się w podanym w katalogu zakresie napięć wejściowych dozwolonym dla danego wzmacniacza operacyjnego. A jak już wiemy, tylko we wzmacniaczach z wejściami rail-to-rail jest to pełny zakres między ujemnym i dodatnim napięciem zasilania. Jeżeli wejście nie jest typu rail-to-rail, to dla napięć wejściowych bliskich ujemnemu lub dodatniemu napięciu zasilania komparator nie będzie prawidłowo pracował. W niektórych może przy tym wystąpić…

Inwersja fazy. Niektóre wzmacniacze operacyjne mają taką budowę wewnętrzną i właściwości, że w zakresie takich niedozwolonych napięć wejściowych bliskich potencjałowi szyn zasilania następuje tak zwana inwersja fazy. Wtedy niejako wejścia wzmacniacza zamieniają się rolami: wejście odwracające staje się nieodwracającym i na odwrót. Problem dotyczy i pracy w roli komparatora, i w innych konfiguracjach. Takich warunków pracy wzmacniacza należy za wszelką cenę unikać, a skutecznym rozwiązaniem problemu jest oczywiście zastosowanie nowoczesnego wzmacniacza z wejściami rail-to-rail.

I jeszcze jeden szczegół. W komparatorze różnica między wejściami może być duża, ale trzeba sprawdzić w katalogu, jaka jest największa dopuszczalna dla danego wzmacniacza operacyjnego, co jest związane z budową obwodów wejściowych. W niektórych wzmacniaczach między wejściami włączone są diody według rysunku 6, które zaczynają przewodzić przy różnicy napięć większej niż 0,6V.

W poprzednim artykule ER012 takie diody można zobaczyć na rysunkach 2 i 11, a są one obecne także na wejściach bardzo popularnego wzmacniacza NE5532, co nie było zaznaczone na zamieszczonym tam rysunku 5. Obecność takich wbudowanych diod spowoduje, że pomiędzy wejściami wzmacniacza popłynie prąd. Co prawda jeśli nie będzie on duży, to nie uszkodzi wzmacniacza, ale w niektórych przypadkach może to spowodować błędne działanie układu.

Przerzutnik, generator

Wzmacniacze operacyjne mogą i pracują w roli komparatorów, czyli układów porównujących, jednak bardzo rzadko według rysunków 4, 5. Przyczyną są wszechobecne szumy i zakłócenia (czyli malutkie napięcia zmienne), które występują też na wejściach wzmacniaczy operacyjnych. Szumy te nakładają się na sygnały użyteczne. Nałożone na sygnał szumy oraz ogromne wzmocnienie napięciowe powodują, że gdy wejściowy sygnał użyteczny zmienia się pomału, to w pobliżu progu przełączania te niewielkie szumy są wzmacniane i na wyjściu nie występują ładne przebiegi jak na rysunkach 4, 5, tylko silnie wzmocnione „śmieci”, jak pokazuje rysunek 7. W wielu zastosowaniach jest to niedopuszczalne, bo powodowałoby błędną pracę dalszych układów i wtedy jednym z rozwiązań jest wprowadzenie obwodu zapewniającego histerezę.

Histerezę realizuje obwód dodatniego sprzężenia zwrotnego z wyjścia na wejście według rysunku 3b. Taki układ komparatora z dodatnim sprzężeniem zwrotnym zapewniającym histerezę nazywany jest też przerzutnikiem Schmitta. Działanie będzie jasne, gdy narysujemy układ w dwóch przypadkach, jak na rysunku 8.

Na rezystorze R_Y występuje jakieś niewielkie napięcie (dla dwóch stanów na wyjściu: U_Ap, U_An) i jeżeli amplituda szumów nie będzie większa od tego napięcia, to szumy nie spowodują zmiany stanu wyjścia. W układzie występuje histereza, czyli tworzą się dwa progi przełączania, a działanie wersji odwracającej zilustrowane jest na rysunku 9.

Po zmianie stanu wyjścia z „niskiego” na „wysoki”, w punkcie A wystąpi niewielkie dodatnie napięcie U_Ap. Jeśli teraz napięcie w punkcie B zacznie wzrastać, na wyjściu nic się nie będzie działo, dopóki napięcie na wejściu odwracającym nie zbliży się do dodatniego napięcia U_Ap. Wtedy znów nastąpi gwałtowny przerzut ze stanu „wysokiego” na „niski”. Dodatnie sprzężenie zwrotne ma niejako dwa skutki:

– przyspiesza zmiany na wyjściu

– wyznacza dwa napięcia progowe przełączania U_An i U_Ap.

Różnica między tymi napięciami progowymi (U_Ap – U_An) to wielkość, czyli szerokość histerezy. Szerokość histerezy powinna być większa niż miedzyszczytowa amplituda zakłóceń –  „śmieci” spodziewanych na wejściu. Wtedy „śmieci” te nie będą powodować niepożądanych drgań na wyjściu.

W praktyce zazwyczaj chcemy tak dobrać wartości rezystorów R_Y i R_X, by uzyskać określoną histerezę, wyrażoną w miliwoltach lub w woltach. Jak wynika z rysunków 8 i 9, histerezę obliczymy, znając skok napięcia wyjściowego, czyli różnicę między stanem „wysokim” i „niskim” wyjścia oraz rezystancje dzielnika R_Y, R_X. Można byłoby wyprowadzić stosowny wzór, ale w praktyce nie ma to sensu. Po pierwsze zazwyczaj histereza jest mała,  rzędu miliwoltów i nie musi być dobrana precyzyjnie – błąd obliczeń wielkości histerezy 10% czy nawet 30% jest w większości przypadków bez znaczenia. A jeśli tak, to możemy dokonać dwóch uproszczeń. Po pierwsze, zwykle nie znamy dokładnej wartości skoku napięcia wyjściowego i przyjmujemy, że jest on równy całkowitemu napięciu zasilania (U_TOT = U_P +U_N). Po drugie, jeśli histereza jest wielokrotnie mniejsza od całkowitego napięcia zasilania, to możemy wzór na histerezę uprościć do postaci:

U_H  ~ [R_Y / R_X] U_TOT

co możemy przedstawić w łatwiejszej do zrozumienia postaci:

U_TOT / U_H ~ R_X / R_Y

Wzór ten informuje, że stosunek rezystancji  R_X/R_Y ma być taki jak stosunek U_TOT/U_H. Należy założyć wartość jednego z rezystorów i z proporcji obliczyć wartość drugiego:

R_X = R_Y  (U_TOT / U_H)

albo

R_Y = R_X  (U_H  / U_TOT)

W praktyce zwykle wartość R_X jest rzędu 10kΩ … 1MΩ (nie powinna być większa od 10MΩ).

Rysunek 10 pokazuje dwie podstawowe realizacje przerzutnika Schmitta z histerezą: wersję nieodwracającą i odwracającą oraz charakterystyki przejściowe. Wersje różnią się nie tylko tym, że inna jest faza przebiegu wyjściowego względem wejściowego. W wersji nieodwracającej z rysunku 10a histerezę wyznaczają nie tylko rezystancje R_X, R_Y, ale też rezystancja źródła sygnału, która dodaje się do rezystancji R_Y. A rezystancja wejściowa takiego przerzutnika jest równa sumie rezystancji R_X + R_Y.

Z kolei w wersji odwracającej z rysunku 10b rezystancja wejściowa jest ogromna, teoretycznie nieskończenie wielka, ale na wielkość histerezy ma wpływ ustawienie potencjometru Pot. Nie wartość napięcia U_REF, tylko wypadkowa rezystancja obu części potencjometru. Mianowicie do rezystancji R_Y dodaje się rezystancja wypadkowa obu połączonych równolegle części potencjometru (R_P1 || R_P2). Aby zminimalizować ten wpływ, wartość rezystora R_Y powinna być co najmniej 5 razy większa od rezystancji potencjometru.

W praktyce zamiast potencjometru często stosuje się dzielnik z dwóch rezystorów (R_Y1,|R_Y2), przy czym  jeden z tych rezystorów w razie konieczności może być jakimś czujnikiem. Przykład na rysunku 11 to dwie wersje czujnika zmierzchowego, gdzie czujnik (fotorezystor) nie jest umieszczony w obwodzie dodatniego sprzężenia zwrotnego, a dodatkowy potencjometr pozwala ustawić próg działania. Taki układ z termistorem pozwala zbudować najprostszy użyteczny regulator temperatury.

Przedstawione wcześniej wzory do obliczania rezystorów stosownie do potrzebnej wielkości histerezy są też słuszne dla układów zasilanych pojedynczym napięciem, gdzie funkcję R_Y pełnią dwa rezystory R_Y1, R_Y2, jak choćby na rysunku 11. Wtedy do obliczeń jako R_Y  trzeba wziąć rezystancję wypadkową równoległego połączenia R_Y1 || R_Y2.

Dość często jednak histereza jest mała, rzędu pojedynczych miliwoltów i wartość R_Y byłaby ponad tysiąc razy mniejsza od wartości R_X. Gdyby rezystancja R_Y z jakichś powodów musiała mieć dużą wartość (np. w wersji z rysunku 10a), wtedy można zastosować podwójny dzielnik według rysunku 12, gdzie wartość histerezy ustalana jest praktycznie tylko przez wartość R_A. Obliczenia histerezy są tu też bardzo proste. Dzielnik pomocniczy, złożony z jednakowych rezystorów R_P1, R_P1, tłumi sygnał dwukrotnie. Czyli histereza będzie dwa razy większa, niż wyznacza to stosunek rezystorów dzielnika R_A/ R_B.

Warto też wspomnieć, że komparatory z przerzutnikiem Schmitta często współpracują z różnymi czujnikami, jak choćby fotorezystor, fototranzystor, termistor, itp. Sygnały napięciowe z takich czujników zwykle zawierają różne „śmieci”, w tym przydźwięk sieci 50Hz. Dlatego w praktycznych układach oprócz samych przerzutników, stosuje się też filtry, które zmniejszają poziom takich zakłóceń. Jednak nie będziemy teraz wnikać w dalsze szczegóły.

Na koniec przywołajmy tylko pewien bardzo popularny układ generatora na wzmacniaczu operacyjnym. Jak pokazuje rysunek 13a, zawiera on opisywany właśnie przerzutnik Schmitta, zaznaczony zieloną podkładką oraz dodatkowy obwód RC, zaznaczony żółtą podkładką.

Częściej schemat ten rysuje się i realizuje w postaci pokazanej na rysunku 13b. Częstotliwość oscylacji wyznaczona jest głównie przez obwód R_A, C_A, ale zależy także od wielkości histerezy, czyli wartości rezystorów R_X,  R_Y1, R_Y2. Często R_X = R_Y1 = R_Y2 = 10kΩ…100kΩ. A wartości R_A, C_A mogą być niemal dowolne (100Ω…1MΩ‚ 100pF…1000uF). Na wyjściu uzyskuje się przebieg prostokątny, którego napięcie międzyszczytowe jest niewiele mniejsze od całkowitego napięcia zasilania. Co interesujące, w punkcie A występuje przebieg podobny do trójkątnego o napięciu takim, jak szerokość histerezy przerzutnika.

Kończymy omawianie układów pracy wzmacniacza operacyjnego z dodatnim sprzężeniem zwrotnym. W następnym artykule ER014 omawiamy konfigurację nieodwracającą.

Piotr Górecki