Wzmacniacze operacyjne – wejściowe napięcie niezrównoważenia

Zgodnie z zapowiedzią z poprzedniego artykułu ER016, zajmiemy się teraz dokładniej niedoskonałościami obwodów wejściowych wzmacniacza operacyjnego, w szczególności wejściowym napięciem niezrównoważenia, które nazywane bywa napięciem offsetu lub częściej offsetem. Przedstawię też sposoby korekcji wejściowego napięcia niezrównoważenia.

Rozważmy prosty przykład wzmacniacza z tranzystorami bipolarnymi NPN według rysunku 1.

Obwód wejściowy klasycznego wzmacniacza operacyjnego (VFB) zawiera parę różnicową, która od strony emiterów zasilana jest przez źródło prądowe. Źródło prądowe powinno być idealne, a dwa tranzystory wejściowe powinny być identyczne, by miały idealnie jednakowe parametry, w tym identyczne wartości napięcia U_BE. Tranzystory te są wytwarzane w układzie scalonym za pomocą bardziej czy mniej precyzyjnych procesów technologicznych. Osiągnięcia technologiczne są imponujące, ale nie jest możliwe osiągniecie pełnej, idealnej symetrii tranzystorów stopnia wejściowego. A niesymetria wejściowej pary różnicowej jest przyczyną kilku poważnych problemów. Najważniejszy i najprostszy do zrozumienia jest problem napięcia niezrównoważenia. Najprościej biorąc, napięcie niezrównoważenia to różnica napięć U_BE tranzystorów wejściowej pary różnicowej. We wzmacniaczach z tranzystorami polowymi na wejściach, analogicznie jest to różnica napięć U_GS tranzystorów pary wejściowej.

Wejściowe napięcie niezrównoważenia

Napięcie niezrównoważenia często nazywane jest też napięciem offsetu, czyli przesunięcia i oznaczane jest Uos (Vos). W wejściowej parze różnicowej tranzystory zwykle mają nieco inne napięcia U_BE lub U_GS, dlatego podczas normalnej pracy, między wejściami wzmacniacza operacyjnego wystąpi niewielkie napięcie stałe. Ta niewielka różnica napięć między wejściami wzmacniacza może mieć różną biegunowość. Ilustruje to w pewnym uproszczeniu rysunek 2 pokazujący, jakie wartości napięć wystąpią na końcówkach niedoskonałych wzmacniaczy.

Fakt, że dwa wejścia wzmacniacza operacyjnego podczas normalnej pracy mają odrobiną różniące się potencjały, wydaje się niegroźną ciekawostką. W niektórych zastosowaniach to zupełnie nie przeszkadza, ale w innych jest przyczyną poważnych błędów.

Przede wszystkim trzeba raz na zawsze zapamiętać, że jeżeli wzmacniacz wzmacnia napięcia stałe, to wzmacniane jest także napięcie niezrównoważenia, tak samo jak sygnał użyteczny. Dlatego obecność napięcia niezrównoważenia może być poważnym kłopotem we wzmacniaczach, które wzmacniają niewielkie sygnały stałoprądowe. Jak pokazuje przykład sytuacji spoczynkowej na rysunku 3, napięcie niezrównoważenia występuje na „dolnym” rezystorze dzielnika sprzężenia zwrotnego, a żeby tak było, na wyjściu wzmacniacza musi wystąpić napięcie stałe, które to zapewni.

Napięcie niezrównoważenia nie jest wzmacniane, a przez to nie stanowi problemu w konfiguracji według rysunku 4, wykorzystywanej często w układach audio, gdzie w obwodzie sprzężenia zwrotnego włączony jest kondensator (oznaczony C_F).

Dla napięć stałych taki układ jest bowiem wtórnikiem jak na rysunku 2.

Natomiast we wzmacniaczach napięć stałych o dużym wzmocnieniu, silnie wzmocnione napięcie niezrównoważenia może wprowadzić ogromny błąd, co jest pokazane w znacznym uproszczeniu na rysunku 5, gdzie mamy wzmacniacz nieodwracający o wzmocnieniu 1000× wyznaczonym przez dwa rezystory.

I kolejny ważny szczegół, zilustrowany w dużym uproszczeniu na rysunku 6.

Otóż (stałoprądowe) wzmocnienie napięciowe samego scalonego wzmacniacza operacyjnego (oznaczane często A_OL) jest ogromne, rzędu 100 tysięcy do 1 miliona razy, a nawet więcej. Dzięki temu zmiana różnicowego napięcia wejściowego (U_D) już o 1 mikrowolt spowoduje znaczącą zmianę napięcia wyjściowego, od 0,1…1V. Podczas normalnej, liniowej pracy wzmacniacza różnicowe napięcie wejściowe samego wzmacniacza (U_D) zmienia się więc w zakresie najwyżej kilkudziesięciu mikrowoltów, często tylko kilku mikrowoltów. Tak, ale te znikome zmiany napięcia między wejściami w rzeczywistych wzmacniaczach występują niejako na tle dużo większego stałego napięcia niezrównoważenia.

Podkreślmy: te drobne bieżące zmiany napięcia między wejściami będą rzędu 1 mikrowolta lub nieco więcej, natomiast napięcie niezrównoważenia (offsetu) zwykle jest wielokrotnie większe: w przeciętnych wzmacniaczach jest rzędu 1 miliwolta (1000 mikrowoltów), a w niektórych wzmacniaczach CMOS nawet ponad 10mV.

Rysunek 6 jest mocno uproszczony i sygnalizuje tylko ideę. W rzeczywistości sytuacja jest znacznie bardziej skomplikowana, a niektóre jej aspekty też w uproszczeniu pokazuje rysunek 7. Popularne wzory wskazują, że wzmocnienie powinno być równe 1000, a na wyjściu zamiast spodziewanych 2 woltów mamy 999mV.

Najpopularniejsze wzmacniacze  LM358 mają napięcie niezrównoważenia typowo 2mV, maksymalnie 7…10mV, zależnie od wersji i od producenta. Wzmacniacz NE5532 typowo ma offset 0,5mV, maksymalnie do 5…7mV. TL082 typowo ma offset 3…5mV, maksymalnie 20mV, a TL072 nieco lepiej: typowo 1…3mV, maksymalnie do 7…10, zależnie od producenta i wersji. Wersje z mniejszym offsetem są wyraźnie droższe.

Nowsze wzmacniacze mają napięcie niezrównoważenia mniejsze, poniżej 1mV, a produkowane są też wzmacniacze z bieżącą korekcją (auto zero, zero drift), które mają napięcie niezrównoważenia praktycznie równe zeru – rzędu 1uV.

Napięcie niezrównoważenia jest wrodzonym defektem praktycznie wszystkich wzmacniaczy operacyjnych. Trzeba wiedzieć, że w większości pojedynczych wzmacniaczy operacyjnych w 8-nóżkowych obudowach przewidziane są końcówki (1, 5 lub 8), do których można dołączyć potencjometr korekcyjny – różnie  w różnych typach. Rysunek 8 pokazuje dołączenie takiego potencjometru korekcyjnego do kostek TL071 i OP27.

Napięcie niezrównoważenia w konfiguracji odwracającej i nieodwracającej można też łatwo skorygować według rysunku 9 (wg Analog Devices MT-037).

Gorzej jest w konfiguracji wtórnika, bo wejście odwracające podąża tam za sygnałem wejściowym. Problem jest też przy zasilaniu wzmacniacza napięciem pojedynczym, ponieważ napięcie niezrównoważenia może mieć różną biegunowość.

Niestety, nawet najlepsza korekcja nie rozwiązuje do końca problemu napięcia niezrównoważenia, co omówimy w następnym artykule ER018.

Piotr Górecki