Analog Devices jest jednym z wiodących producentów półprzewodnikowych elementów elektronicznych, a pozycja ta narzuca również rolę kreatora rynku. W laboratoriach ADI trwa bezustanna praca nad opracowywaniem nowych podzespołów i udoskonalaniem starszych konstrukcji. Na tym polega postęp, tak działają i inne firmy.

Pierwsze wzmacniacze operacyjne były budowane już w latach 40. XX wieku, oczywiście przy użyciu lamp elektronowych. Od tego czasu elektronika przewróciła się do góry nogami. Współczesne konstrukcje w niczym nie przypominają prostych, niemal akademickich idei realizowanych w pierwszych scalonych wzmacniaczach operacyjnych. Ewolucja wynikała głównie z dążenia do uzyskiwania coraz lepszych parametrów i trzeba przyznać, że środki, jakimi realizuję się te cele współcześnie nawet nie śniły się konstruktorom pierwszych układów. Dzisiaj, wydaje się, że skonstruowano już wszystkie możliwe odmiany wzmacniaczy operacyjnych, gwarantujące realizację każdego zadania, jakie tylko zostanie postawione przed konstruktorem. Dlaczego więc trwa bezustanny proces opracowywania nowych typów układów? Odpowiedź jest prosta. Dzieje się tak, ponieważ nadal nie udało się wyprodukować wzmacniacza idealnego. Przykładem poszukiwań ideału są wzmacniacze z przetwarzaniem.

Zasada działania wzmacniacza chopperowego (z przetwarzaniem)

Intuicyjnie rozumiemy, że droga dojścia do „idealnego”, rozumianego jako pozbawionego wszelkich błędów, jest nieporównywalnie dłuższa, niż droga do „idealnego” tylko pod pewnymi względami. Pomijając fakt, że ideał w ogóle jest nieosiągalny, dostępne dziś technologie pozwalają uzyskać bardzo dobre wyniki dla wybranych parametrów wzmacniaczy.

Jedną z większych bolączek dla konstruktorów projektujących urządzenia ze wzmacniaczami operacyjnymi są szumy i dryfty napięciowe – czy to termiczne, czy czasowe. Niedoskonałość ta jest szczególnie dokuczliwa w przypadku realizacji wzmacniaczy stałoprądowych, bowiem nawet najdrobniejszy dryft napięcia występującego na wejściu, pojawia się na wyjściu jako sygnał wielokrotnie wzmocniony. W ten sam sposób dokuczliwe są szumy 1/f. Ogólna wiedza na temat teorii obwodów, teorii sygnałów i technologii pozwoliła opracować zupełnie nowe konstrukcje wzmacniaczy o radykalnie poprawionych grupach parametrów. Jedną z takich idei zastosowano we wzmacniaczach tzw. chopperowych (z przetwarzaniem) i auto-zero (samozerujących.)

Zasadę działania wzmacniacza chopperowego wyjaśniono na rys. 1. Sygnał wejściowy jest poddawany kluczowaniu przebiegiem prostokątnym o częstotliwości f_ch. Jest to odmiana modulacji, w wyniku której widmo sygnału wejściowego (rys. 1a) zostaje przesunięte do częstotliwości f_ch (rys. 1b). Powstają wprawdzie składniki modulacji przebiegu wejściowego harmonicznymi przebiegu modulującego, ale nie będą one miały znaczenia w dalszym procesie. Zmodulowany sygnał zostaje podany na wejście wzmacniacza, gdzie dodają się do niego czynniki, z którymi toczona jest walka, czyli szum 1/f i offset (rys. 1c). Na rys. 1c uwzględniono również szum biały, który też jest obecny w sygnale wejściowym (rys. 1d). Na skutek zastosowania modulacji widmo sygnału użytkowego zostało odsunięte od widma szumu 1/f. Po wzmocnieniu sygnału następuje proces odwrotny (demodulacja). W efekcie widmo sygnału użytkowego wraca na swoje miejsce, a widmo szumu 1/f zostaje przesunięte do częstotliwości f_ch. Ostateczną postać wzmocnionego napięcia wejściowego zapewnia wyjściowy filtr dolnoprzepustowy wycinający niepożądane składniki modulacji (rys. 1g).

Rys. 1. Ilustracja zasady działania wzmacniacza chopperowego

Zasada działania wzmacniacza z autozerowaniem

Budowę i zasadę działania wzmacniacza z autozerowaniem (są to układy 1. generacji wg klasyfikacji Analog Devices) przedstawiono na rys. 2. Sygnał wejściowy jest wzmacniany przez szerokopasmowy wzmacniacz A_B, zaś wzmacniacz A_A jest wykorzystywany do kompensowania napięcia offsetu. Oba wzmacniacze pracują w konfiguracji z wejściem przesuwającym poziom wyjściowy (V_NB i V_NA). Do wzmacniaczy jest dołączony zespół kluczy analogowych taktowanych generowanym wewnętrznie przebiegiem zegarowym. Przebieg ten ustala dwa cykle pracy układu. W pierwszym z nich (rys. 2a), oba wejścia wzmacniacza A_A są ze sobą zwarte. Przy zwartym wejściu, na wyjściu wzmacniacza A_A występuje zatem napięcie offsetu, które jest zapamiętywane w kondensatorze C_M1. W tym samym cyklu na wyjściu wzmacniacza głównego A_B występuje wzmocnione napięcie wejściowe, którego poziom jest przesunięty o wartość napięcia występującego na kondensatorze C_M2. W drugim cyklu pracy (rys. 2b) następuje przełączenie par kluczy. Klucze φ_A zostają rozwarte a φ_B zwarte. Wejście wzmacniacza zerującego A_A jest dołączone do wejścia układu, jednocześnie jego napięcie wyjściowe jest korygowane napięciem zapamiętanym w poprzednim cyklu w kondensatorze C_M1 stanowiącym jego własny offset. Podanie napięcia wyjściowego wzmacniacza zerującego na wejście V_NB wzmacniacza głównego A_B powoduje skompensowanie jego napięcia offsetu. To napięcie zerujące jest jednocześnie zapamiętane w kondensatorze C_M2, tak by zachować prawidłowe warunki pracy wzmacniacza A_B w cyklu pierwszym.

Rys. 2. Ilustracja zasady działania wzmacniacza z autozerowaniem