Wady i niedoskonałość wzmacniaczy operacyjnych

Zgodnie z zapowiedzią z poprzedniego artykułu ER015, w tym zajmiemy się niedoskonałościami wzmacniaczy operacyjnych. Żaden wzmacniacz operacyjny nie jest doskonały. Nie można stworzyć idealnego wzmacniacza operacyjnego, ale można z powodzeniem optymalizować wybrane parametry.

Wady i niedoskonałości

Wzmacniacz operacyjny, który na początku wydaje się dziwolągiem wymyślonym przez teoretyków, po nieco bliższym poznaniu okazuje się genialnym wynalazkiem, który wręcz budzi zachwyt z uwagi na niezliczone możliwości wykorzystania. Tak, ale zachwyt dotyczy idealnego wzmacniacza operacyjnego. Tymczasem idealnych wzmacniaczy operacyjnych nie ma i dalsze poznawanie tematu jest jak wylanie wiadra zimnej wody na głowę.

Jak już wiemy, scalone wzmacniacze operacyjne zbudowane są z tranzystorów: bipolarnych, JFET lub MOSFET, a tranzystory te nie są doskonałe. Tranzystory bipolarne mają szereg zalet, ale mają też wady, dlatego realizuje się mnóstwo wzmacniaczy z wykorzystaniem tranzystorów polowych, które mają inne zalety i inne wady.

Występuje tu zjawisko zbyt krótkiej kołdry: nie można uzyskać idealnych, a nawet optymalnych wszystkich parametrów wzmacniacza operacyjnego.

Można jednak optymalizować budowę i wybrane parametry do określonych zastosowań. Już dawno na rynku dostępne były wzmacniacze operacyjne uniwersalne, które miały przeciętne wszystkie parametry. Niewątpliwie najpopularniejszym do dziś pozostał podwójny wzmacniacz LM358, który aktualnie należy uznać już nie tyle za przeciętny, ale za bardzo słaby w porównaniu z nowszymi. Do dziś ogromną popularnością cieszy się też wzmacniacz  NE5532 przeznaczony do dobrej klasy układów audio, a także uniwersalne kostki rodziny TL08x/07x/06x.

Ale dostępnych jest też mnóstwo starszych i nowszych wzmacniaczy operacyjnych dedykowanych do określanych zastosowań, które mają optymalizowane niektóre parametry, stosowanie do ich głównego przeznaczenia.

I tak jest mnóstwo wzmacniaczy określanych jako precyzyjne. Niektóre wzmacniacze uznawane są za niskoszumne i zwykle mają one też małe zniekształcenia. Oddzielną grupą są wzmacniacze szybkie oraz bardzo szybkie. Do zastosowań bateryjnych potrzebne są oszczędne wzmacniacze mikromocowe, mające spoczynkowy pobór prądu rzędu mikroamperów, a nawet poniżej 1 mikroampera.

Absolutnie niemożliwe jest omówienie wszystkich dostępnych dziś wzmacniaczy operacyjnych. Sensowne wydaje się najpierw zasygnalizowanie kluczowych niedoskonałości, a potem omówienie niektórych ważniejszych szczegółów i tego, jak znajdują one swoje odbicie w parametrach podawanych w kartach katalogowych.

Niedoskonałość wyjścia

Omówimy teraz ograniczenia związane z napięciem i prądem wyjściowym. Otóż w idealnym wzmacniaczu operacyjnym napięcie wyjściowe mogłoby przyjąć dowolną wartość pomiędzy ujemnym i dodatnim napięciem zasilania. W starszych wzmacniaczach napięcie wyjściowe nie może być bliższe jednej i drugiej szynie zasilania mniej niż około 1,5V. Nawet we wzmacniaczach z wyjściem rail-to-rail napięcie wyjściowe nie może być dokładnie równe potencjałowi każdej z szyn zasilania, zwłaszcza gdy wyjście jest obciążone, czyli gdy płynie tam prąd. Zilustrowane jest to na rysunku 1. W karcie katalogowej danego wzmacniacza należy szukać informacji, jaki jest gwarantowany zakres napięć wyjściowych przy danym obciążeniu wyjścia.

W idealnym wzmacniaczu operacyjnym prąd wyjściowy mógłby mieć dowolnie dużą wartość. W realnych wzmacniaczach wydajność prądowa jest ograniczona, zwykle do kilkunastu…kilkudziesięciu miliamperów. Zazwyczaj w obwodach wyjściowych wbudowane są skuteczne ograniczniki, dzięki którym przeciążenie, a nawet zwarcie wyjścia nie uszkodzi wzmacniacza, choć może on być wtedy bardzo gorący. Należy jednak stanowczo unikać sytuacji, w których wzmacniacz operacyjny jest gorący.

Bardzo nieliczne wzmacniacze operacyjne mają wydajność prądową ponad 100mA (i odpowiednie obudowy, pozwalające odprowadzać ciepło do otoczenia). Wzmacniacze mikromocowe, które pobierają znikomy prąd zasilania, mają też małą wydajność wyjścia, często poniżej 1mA. W wielu wzmacniaczach z tranzystorami polowymi czym niższe napięcie zasilania, tym mniejsza wydajność prądowa wyjścia. W karcie katalogowej podane są konkretne informacje na ten temat.

W niektórych zastosowaniach problemem jest nie tyle mała wydajność prądowa, co fakt, że dla przebiegów zmiennych wzmacniacz operacyjny ma jakąś znaczącą rezystancję wyjściową. Wprawdzie ujemne sprzężenie zwrotne może tę rezystancję zmniejszyć niemal do zera, ale tylko w zakresie niższych częstotliwości. Natomiast w zakresie wyższych częstotliwości właśnie rezystancja wyjściowa może być źródłem poważnych problemów, między innymi samowzbudzenia wzmacniacza. To jednak odrębny, trudny temat dla bardziej zaawansowanych.

Niedoskonałość „środka”

Idealny wzmacniacz operacyjny w spoczynku w ogóle nie powinien z zasilacza pobierać prądu. Powinien pobierać prąd tylko wtedy, gdy płynie prąd wyjściowy. Oczywiście tak nie jest. Można przyjąć, że przeciętne wzmacniacze operacyjne mają spoczynkowy pobór prądu rzędu 1mA. Oczywiście pobór prądu jest większy, gdy wyjście wzmacniacza jest obciążone.

Spoczynkowy pobór prądu jest mocno związany z szybkością wzmacniacza. Najprościej biorąc, większe prądy szybciej przeładowują pasożytnicze pojemności. Dlatego wzmacniacze szybkie i bardzo szybkie mają spoczynkowy pobór prądu większy, zwykle rzędu kilkunastu do nawet kilkudziesięciu mA. Jeśli natomiast spoczynkowy prąd zasilania jest mniejszy od 0,1mA, zapewne  wiąże się to ze zmniejszeniem szybkości wzmacniacza. Ogólnie biorąc, wszystkie tak zwane wzmacniacze mikromocowe są powolne.

W większości wzmacniaczy operacyjnych prąd zasilania bardzo niewiele zmienia się w szerokim zakresie zmian napięcia zasilania, a to wynika z obecności  licznych źródeł i luster prądowych w układzie wewnętrznym.

Obecność źródeł prądowych poprawia szereg parametrów, ale tylko częściowo. Na przykład w rzeczywistym wzmacniaczu operacyjnym nieuniknione tętnienia napięcia zasilania zawsze przenoszą się w jakimś niewielkim stopniu do toru sygnałowego – określa to parametr zwany PSRR, do którego będziemy wracać.

Jeżeli chodzi o zniekształcenia sygnału i szumy, to wprawdzie są one nieuniknione, ale można je redukować, aktualnie nawet do nieprzekraczalnych teoretycznych granic. Na sumaryczną wielkość zniekształceń mają wpływ wszystkie bloki wzmacniacza. W finalnej aplikacji poziom zniekształceń nieliniowych zależy też od wzmocnienia. Natomiast o szumach występujących na wyjściu decydują  przede wszystkim właściwości stopnia wejściowego (a także wzmocnienie).

Idealny wzmacniacz operacyjny miałby nieskończenie wielkie wzmocnienie własne (z otwartą pętlą). Realne wzmacniacze operacyjne naprawdę duże wzmocnienie mają tylko przy prądzie stałym i bardzo małych częstotliwościach rzędu herców. Ze wzrostem częstotliwości każdy wzmacniacz operacyjny ma coraz mniejsze wzmocnienie, a w katalogach jako pasmo przenoszenia podaje się częstotliwość, przy której wzmocnienie zmniejsza się do wartości 1×, czyli 0dB.

Stare uniwersalne wzmacniacze, np. LM358, mają maksymalne wzmocnienie rzędu 100000× (100dB) i wzmocnienie to maleje do jedności przy częstotliwości rzędu 1MHz, jak pokazuje rysunek 2. Dla mniej zorientowanych jest to bardzo przykre zaskoczenie. Przykładowo LM358 to wzmacniacz 1-megahercowy. Tak, ale jak widać na rysunku 2, sygnały o częstotliwości 100kHz wzmacnia on tylko o 10 decybeli, czyli jedynie dziesięciokrotnie!

Nowsze wzmacniacze mają maksymalne wzmocnienie dużo większe, nawet ponad 1 milion razy (120dB). We wzmacniaczach najszybszych wzmocnienie zmniejsza się do jedności dopiero przy częstotliwościach setek megaherców, a nawet ponad 1GHz. Natomiast w niektórych wzmacniaczach mikromocowych zmniejsza się do jedności już przy częstotliwościach rzędu  kilku kiloherców.

Szerokość pasma przenoszenia jest też dość mocno związana z maksymalną szybkością zmian napięcia wyjściowego, oznaczaną SR i wyrażaną zwykle w woltach na mikrosekundę. W kartach katalogowych podawane są informacje o wartości SR oraz o częstotliwości, przy której wzmocnienie zmniejsza się do jedności, co jest ważne, choćby przy wyborze wzmacniacza do układów audio.

Niedoskonałość wejścia

W bardzo wielu zastosowaniach najważniejszym problemem okazuje się niedoskonałość obwodów wejściowych. W klasycznych wzmacniaczach operacyjnych (VFA) na wejściu pracuje para różnicowa złożona z dwóch jednakowych tranzystorów. Może to być para tranzystorów bipolarnych, co w dużym uproszczeniu pokazane jest na rysunku 3.

W innych wzmacniaczach w takich parach pracują tranzystory polowe złączowe JFET N lub JFET P, a w jeszcze innych pary tworzą tranzystory MOSFET N lub MOSFET P. We wzmacniaczach z wejściem typu rail-to-rail w stopniu wejściowym współpracują dwie takie pary różnicowe z tranzystorami komplementarnymi, co dodatkowo komplikuje sytuację.

Jak wiemy, podczas normalnej pracy na obu wejściach (+, –) z uwagi na ogromne wzmocnienie, napięcia powinny być praktycznie jednakowe. W rzeczywistości tak dobrze nie jest. Przy bliższej analizie nasuwają się też następujące pytania:

1 – W jakim zakresie wspólnych napięć wejściowych taka para różnicowa będzie prawidłowo pracować?

2 – Na ile problemem są prądy wejściowe (prądy baz lub bramek)? Jak to wpływa na rezystancję wejściową?

3 – Na ile problemem jest brak idealnej symetrii tranzystorów pary różnicowej?

Jeżeli chodzi o pierwszą, najłatwiejszą kwestię, to w katalogu zawsze podany jest zakres wspólnych napięć wejściowych, w którym wzmacniacz będzie pracował poprawnie.

Jeżeli chodzi o kwestię drugą, to idealny wzmacniacz operacyjny z definicji powinien mieć prądy wejściowe równe zeru, a rezystancje wejściowe nieskończenie wielkie. Liczne wzmacniacze, zwłaszcza te z tranzystorami MOSFET, mają znikomo małe prądy polaryzacji wejść, a większość wzmacniaczy ma zaskakująco duże (stałoprądowe) rezystancje wejściowe, rzędu gigaomów. Tak, ale w każdym wzmacniaczu musi być zapewniona droga przepływu stałego prądu polaryzującego wejście.

Prądy polaryzacji obu wejść wzmacniacza zawsze płyną przez jakieś zewnętrzne rezystancje, a to oznacza niepożądane spadki napięć na tych rezystancjach. Nie zawsze są one problemem. Gdy prądy wejściowe są rzędu pikoamperów, problem jest nieznaczący. Przykładowo prąd wejściowy 10 pikoamperów, płynąc przez rezystancję 1 megaoma, wywoła na niej spadek napięcia o wielkości tylko 10 mikrowoltów – zaniedbywalnie mały w większości zastosowań. Ale przy użyciu innego wzmacniacza o prądzie wejściowym 100nA, czyli 0,1uA, na rezystancji 1MΩ prąd ten da spadek napięcia aż 100mV, absolutnie niedopuszczalny w wielu zastosowaniach.

A teraz o kwestii trzeciej: brak idealnej symetrii tranzystorów wejściowej pary różnicowej często okazuje się bardzo poważnym problemem. Nawet niewielkie różnice między tranzystorami pary wejściowej powodują błędy, które mocno przeszkadzają w bardziej precyzyjnych zastosowaniach. Wszystko zależy od doskonałości procesu produkcyjnego, a użytkownik nie ma na to żadnego wpływu.

Problemom tym oraz wynikającym stąd bardzo ważnym parametrom takim jak: wejściowe napięcie niezrównoważenia, dryft wejściowego napięcia niezrównoważenia, wejściowy prąd niezrównoważenia oraz współczynnik CMRR, poświęcony jest następny artykuł ER017 .

 Piotr Górecki