Jak wybrać precyzyjny wzmacniacz operacyjny? Zaufaj Złotowłosej.

 Pytanie:

Chcę wybrać wzmacniacz operacyjny do mojego toru sygnałowego wysokiej precyzji. Czyż nie jest tak, że szybszy model zawsze będzie lepszy?

Odpowiedź:

Dobór odpowiedniego pasma wzmacniacza precyzyjnego do danego zastosowania przypomina nieco bajkę o Złotowłosej i trzech niedźwiadkach: Jedna miska owsianki była za zimna, druga – za gorąca, a trzecia – w sam raz. Poszukujemy wzmacniacza, który nie byłby zbyt wolny, ale też nie zbyt szybki. Ważne, aby zapewniał odpowiednie wzmocnienie i szybkość potrzebne do utrzymania pożądanej stabilności i dokładności.

Istnieją dwa podstawowe parametry wzmacniacza operacyjnego służącego do realizacji pętli napięciowego sprzężenia zwrotnego. Są to wzmocnienie stałoprądowe (w praktyce iloczyn współczynnika wzmocnienia i częstotliwości, GBP) oraz margines fazy. Wykres 1 przedstawia współczynnik wzmocnienia popularnego wzmacniacza precyzyjnego ADA4610 pracującego w otwartej pętli. Na wykresie widać, że wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego na niskiej częstotliwości przekracza 30.000 (90 dB) i spada o 20 dB na dekadę, osiągając wartość 1 (0 dB) na częstotliwości około 10 MHz – jest to pasmo przenoszenia. Wykres wzmocnienia (A) w otwartej pętli pozwala wyznaczyć wzmocnienie stałoprądowe wzmacniacza operacyjnego i zaprojektować obwód pracujący w zamkniętej pętli. Pasmo B określone jest zależnością GBP = A * B, co widać na wykresie 2. Można na przykład zaobserwować, jak zmniejszenie wzmocnienia w zamkniętej pętli Av ze 100 (40 dB) do 10 (20 dB) przekłada się na poszerzenie pasma o jedną dekadę, ze 163 kHz do 1,63 MHz.

Z kolei wykres fazy na obrazku 1. przedstawia przesunięcie fazy sygnału przy przejściu przez wzmacniacz operacyjny. Margines fazy (PM) można przybliżyć, odczytując wartość przesunięcia fazowego na granicy pasma wzmacniacza. W przypadku modelu ADA4610 jest to około 67°, co zapewnia wystarczającą stabilność. Jeśli projekt systemu powoduje zmniejszenie marginesu fazy obwodu wzmacniacza do zbyt małej wartości, może to doprowadzić do silnych tętnień na wyjściu lub nawet oscylacji.

Poza stabilnością, częstotliwość wpływa też na dokładność. Na niskich częstotliwościach wzmocnienia wzmacniacza operacyjnego w otwartej pętli (Avol) jest największe i bywa czasem określane jako wzmocnienia stałoprądowe. Wraz ze wzrostem częstotliwości wzmocnienie maleje, a błąd wzmocnienia się pogarsza. Zatem przy większej częstotliwości łatwo zaobserwować błąd wzmocnienia zbyt duży dla precyzyjnego czujnika sygnału.

Wykres 1. Wzmocnienie w otwartej pętli i opóźnienie fazowe w funkcji częstotliwości
Wykres 1. Wzmocnienie w otwartej pętli i opóźnienie fazowe w funkcji częstotliwości
Wykres 2. Wzmocnienie w zamkniętej pętli w funkcji częstotliwości
Wykres 2. Wzmocnienie w zamkniętej pętli w funkcji częstotliwości

Wzmocnienie w pętli zamkniętej można wyznaczyć, stosując poniższy wzór (1). β opisuje współczynnik sprzężenia zwrotnego. 1/ β jest zatem wzmocnieniem w idealnej pętli zamkniętej (np. 100 V/V – zielona linia na wykresie 2). Iloczyn Aβ jest natomiast „wzmocnieniem pętli” (loop gain).

wz1

Ponieważ wzmocnienie pętli maleje z częstotliwością, obserwujemy wzrost błędu wzmocnienia. Procentową wartość błędu można wyznaczyć z poniższego wzoru (2):

wz2

Wzmocnienie pętli Aβ można sobie wyobrazić jako różnicę między wzmocnieniem stałoprądowym otwartej pętli widocznym na wykresie 1. (i podawanym w specyfikacji technicznej) oraz wzmocnieniem zamkniętej pętli na wykresie 2. Przykładowo, dla wzmacniacza o wzmocnieniu przy otwartej pętli 100 dB i idealnym wzmocnieniu w pętli zamkniętej 40 dB otrzymujemy wzmocnienie pętli 60 dB (1000 V/V). Tabela 1. pokazuje, że zwiększenie wzmocnienia pętli zmniejsza błąd, tym samym zwiększając precyzję.

Tabela 1. Wzrost wzmocnienia pętli powoduje zmniejszenie błędu względnego

Bez nazwy-1

Jeśli zatem szersze pasmo i wyższe wzmocnienie są korzystne, dlaczego by nie użyć wzmacniacza operacyjnego, którego parametry byłyby dużo wyższe, niż potrzebuje nasz sygnał? Istnieje ku temu kilka powodów. Poziom szumów wzmacniacza zależy od szerokości jego pasma. Jeśli wybierzemy wzmacniacz o paśmie szerszym, niż jest potrzebne, nadmierny szum zostanie wzmocniony przez obwód wzmacniacza i pogorszy stosunek sygnału do szumu systemu. Szybsze wzmacniacze operacyjne bywają bardziej narażone na wpływ pojemności pasożytniczych obecnych w systemie. Mogą one zwiększyć opóźnienie toru sygnałowego, zmniejszając margines fazy, a tym samym stabilność. Ponadto szybsze wzmacniacze pobierają większą moc, ponieważ prąd spoczynkowy na wyjściu musi być większy, aby wysterować pojemności obciążenia z większą częstotliwością.

Wybór najszybszego wzmacniacza operacyjnego może spowodować stratę mocy i pogorszenie jakości sygnału. Wybór zbyt wolnego – pogorszenie dokładności, stabilności i innych parametrów. Najlepszym wyborem będzie znalezienie równowagi między szybkością, wzmocnieniem, dokładnością i marginesem fazy odpowiednich do danego zastosowania.

O autorze

Daniel Burton

Daniel Burton [daniel.burton@analog.com] pracuje jako inżynier aplikacyjny w Analog Devices. Ukończył San Jose State University z dyplomem inżyniera (Bachelor of Science in Electrical Engineering), po czym działał w dziedzinie czujników i analogowych torów sygnałowych, czemu poświęcił większość swej drogi zawodowej. Dan jest w Analog Devices od 2010 i swą uwagę skupia na wzmacniaczach precyzyjnych oraz źródłach napięcia referencyjnego.