Poradnik LTspice tips&tricks #2 – pomiary wzmacniacza standardowego i rail-to-rail

Drugi odcinek “Poradnik LTSpice” poświęcamy wzmacniaczom operacyjnym. Rozwijały się one bardzo dynamicznie od początków ich istnienia. Czy ktoś jeszcze pamięta układy, które wymagały zewnętrznej kompensacji częstotliwościowej? Obecnie wzmacniacze operacyjne można podzielić na wiele kategorii. Jedna z nich dotyczy zakresu napięć występujących na wyjściu wzmacniacza.

O zakresie napięcia wyjściowego wzmacniacza operacyjnego decyduje przyjęte w nim rozwiązanie układowe stopnia końcowego. Użytkownikom zależy najczęściej na tym, aby zmiany napięcia wyjściowego były jak największe. Naturalnym ograniczeniem są napięcia zasilające. Napięcie wyjściowe z czysto fizycznych powodów nie może przekraczać barier wyznaczonych przez zasilanie. Ale nawet zbliżenie się do tych wartości sprawia projektantom scalonych wzmacniaczy operacyjnych sporo trudności. Dopiero po wielu latach rozwijania wiedzy i technologii pojawiła się klasa układów, których napięcia wyjściowe tylko nieznacznie odstają od napięcia zasilającego. Wzmacniacze takie są nazywane rail-to-rail.

Sponsorzy kursu – firmy Arrow Electronics i Analog Devices – przygotowali specjalną ofertę cenową na zestaw Analog Training Board (ATB), który jest sprzętową platformą ewaluacyjno-testową kursu.
Są na niej weryfikowane przykłady przedstawione w cyklu artykułów i na filmach. Liczba zestawów Analog Training Board (ATB) dostępnych w cenie promocyjnej jest ograniczona.

Badanie charakterystyki przejściowej wzmacniacza operacyjnego

Na płytce Analog Training Board znajdują się dwa wzmacniacze operacyjne: AD8039 – standardowy i ADA4622 – rail-to-rail. W celu określenia zakresu ich napięcia wyjściowego zostaną zmierzone charakterystyki przejściowe, czyli zależności napięcia wyjściowego od wejściowego przy ustalonym napięciu zasilającym i rezystancji obciążenia. W pomiarach przyjęto zasilanie napięciami +5 V i –5 V, natomiast obciążeniem będą kolejno zmieniane rezystory 10 kΩ, 470 Ω i 150 Ω.

Przed przystąpieniem do symulacji i pomiarów sprawdźmy jak producent wzmacniaczy określa zakres zmian napięcia wyjściowego w notach katalogowych tych układów. Parametry te są podawane w powiązaniu z kilkoma innymi. W aplikacjach użytkowych i pomiarach warsztatowych nie zawsze jest możliwe zapewnienie takich warunków, należy je więc traktować jako ustalony punkt odniesienia.

Noty katalogowe obu wzmacniaczy zawierają dane obowiązujące m.in. dla zasilania ±5 V, obciążenia 1 kΩ i wzmocnienia 2 V/V. Zakres napięcia wyjściowego wzmacniacza klasycznego AD8039 przedstawiono na rys. 1, natomiast dla wzmacniacza rail-to-rail ADA4622 na rys. 2. Na podstawie tych danych widać ważną różnicę między wzmacniaczami. Wzmacniacz rail-to-rail może, przy zachowaniu pewnych warunków, pracować z napięciami niewiele różniącymi się od napięć zasilających (ok. +30 mV i –45 mV w przypadku ADA4622), gdy tymczasem różnica między maksymalnym napięciem wyjściowym w napięciem zasilającym wzmacniacz standardowy jest rzędu 1 wolta (dokładnie tyle dla wzmacniacza AD8038). Sprawdźmy czy te dane katalogowe potwierdzą się w symulacji i w pomiarach.

Rys. 1. Katalogowy zakres napięcia wyjściowego wzmacniacza AD8038

Rys. 2. Katalogowy zakres napięcia wyjściowego wzmacniacza ADA4622

Symulacja

Schemat pomiarowy obu układów przedstawiono na rys. 3. Wzmacniacze pracują w konfiguracji z wejściem odwracającym, mają wzmocnienie 10 V/V. Do wyjść dołączono rezystory z parametrycznie określoną rezystancją {rl}. Konkretne wartości są podane w poleceniu: .step param rl list 150 470 10k. Należy jednak zauważyć, że rezystancja 150 Ω została zamontowana na płytce Analog Training Board w celu sprawdzenia, jak będą się zachowywały wzmacniacze dla nadmiernego ich obciążenia. W nocie katalogowej układu ADA4622 podano np. maksymalne obniżenie napięcia wyjściowego dla prądu wyjściowego 15 mA. Z rezystorem RL=150 Ω prąd ten wzrasta do ok. 30 mA. Tak duże obciążenie wzmacniacza w praktyce raczej nie występuje, ale dynamiczny skok obciążenia w specyficznych sytuacjach nie jest już tak nieprawdopodobny.

Rys. 3. Schemat ideowy układu do wyznaczania charakterystyk przejściowych

Do zdejmowania charakterystyk przejściowych zastosujemy analizę DC sweep polegającą na liniowej (w tym konkretnym przypadku) zmianie napięcia wskazanego źródła (V1) od wartości początkowej (-3 V) do końcowej (+3 V) z ustalonym krokiem (10 mV). Tak duże napięcie wejściowe przy wzmocnieniu równym 10 V/V w sposób nieunikniony doprowadzi do osiągnięcia skrajnych napięć wyjściowych, tym samym uzyskamy charakterystykę przejściową w pełnym zakresie (rys. 4 i 5).

Rys. 4. Charakterystyka przejściowa wzmacniacza rail-to-rail

Rys. 5. Charakterystyka przejściowa wzmacniacza standardowego

Pierwszy wniosek wynikający z symulacji, to potwierdzenie zgodności wyników z danymi katalogowymi, zarówno dla dodatnich, jak i ujemnych napięć wyjściowych. Zgodnie z przewidywaniami napięcie wyjściowe maleje wraz ze wzrostem obciążenia (zmniejszaniem rezystora RL). Warto zauważyć, że bardziej wrażliwy na obciążenie jest wzmacniacz rail-to-rail, dla którego różnica napięcia wyjściowego przy obciążeniu 10 kΩ i 150 Ω wynosi 574 mV, natomiast ten sam pomiar dla wzmacniacza standardowego daje wynik 490 mV. Czas na weryfikację praktyczną.

Pomiary

Pomiary charakterystyk przejściowych obu wzmacniaczy przeprowadzimy z użyciem oscyloskopu, generatora arbitralnego i zasilacza zestawu Analog Discovery 2. Wzmacniacze mają być zasilane dwoma napięciami, należy więc uaktywnić oba zasilacze ustawiając w nich napięcia: +5 V i –5 V. W generatorze arbitralnym wybieramy napięcie trójkątne o amplitudzie 700 mVpp (bez offsetu), o częstotliwości 100 Hz. Do utworzenia charakterystyki przejściowej konieczne jest także  uruchomienie okna XY.

Zmierzone charakterystyki przejściowe obu wzmacniaczy okazały się w dużym stopniu zgodne z danymi katalogowymi i symulacjami (rys. 6 i 7). Na charakterystyce przejściowej wzmacniacza standardowego występuje jednak niepożądane ugięcie, które może w znacznym stopniu zmniejszać użyteczny zakres napięcia wyjściowego wzmacniacza. Gdyby amplituda sygnału wyjściowego sięgała tego ugięcia, mogłoby dochodzić do zniekształcenia sygnału.

Rys. 6. Charakterystyka przejściowa wzmacniacza rail-to-rail

Rys. 7. Charakterystyka przejściowa wzmacniacza standardowego

Pomiary potwierdziły mniejszą odporność na nadmierne obciążenie wzmacniaczy rail-to-rail. Co więcej, wzmacniacz rail-to-rail z obciążeniem 150 Ω wytwarzał na wyjściu niższe napięcie niż wzmacniacz standardowy pracujący w takich samych warunkach (rys. 8). Należy jednak zauważyć, że badany układ (ADA4622) nie należy do typów wysokoprądowych.

Rys. 8. Wyniki pomiarów charakterystyk przejściowych układów rzeczywistych

Skutki praktyczne

Skutki praktyczne są oczywiste. W zasadzie zostały już sformułowane. Wzmacniacz rail-to-rail charakteryzuje się znacznie większą dynamiką pracy niż wzmacniacz standardowy. Aby przekonać się, jak te różnice wyglądają ilościowo wykonamy symulację i pomiar.

Skorzystamy z tego samego układu pomiarowego co poprzednio, zamieniając tylko źródło sygnału na sinusoidalne o częstotliwości 100 Hz i zmienianej amplitudzie. Amplituda jest więc określona parametrycznie {ua}, a na pulpicie dopisujemy polecenie .step param um 390m 410m 2m, która zapewni zmianę napięcia sygnału sinusoidalnego od 390 mV do 410 mV z krokiem 2 mV. Do kontrolowania jakości sygnałów wyjściowych użyjemy poleceń: .four 100 11 v(wy_RTR) oraz .four 100 11 v(wy_RTR). Spowodują one obliczenie poszczególnych składowych harmonicznych w sygnale wyjściowym każdego wzmacniacza oraz obliczą współczynnik zawartości harmonicznych – THD w odniesieniu do częstotliwości sygnału 100 Hz.

Symulację prowadzimy dla rezystora obciążenia RL równego 10 kΩ. Schemat układu symulowanego przedstawiono na rys. 9, natomiast wyniki symulacji na rys. 10. Analizując liczbowe wartości współczynnika zniekształceń harmonicznych w oknie „View->SPICE Error Log” łatwo można zauważyć, że począwszy od napięcia wejściowego ok. 404 mV harmoniczne na wyjściu wzmacniacza standardowego zaczynają lawinowo rosnąć. W tym punkcie są równe 1,001% i zaczynamy wychodzić z użytecznego zakresu pracy. Przy tym samym wysterowaniu harmoniczne wzmacniacza rail-to-rail są na poziomie zaledwie 0,036%.

Rys. 9. Schemat układu do symulacji zniekształceń harmonicznych

Rys. 10. Wyniki pomiaru harmonicznych

Pomiary rzeczywistego układu

Analogiczny pomiar wykonujemy w układzie rzeczywistym. Pamiętajmy o zmianie przebiegu generatora na sinusoidalny. Analizując wzmacniacz standardowy okazuje się, że maksymalne napięcie wyjściowe, po przekroczeniu którego zaczynają lawinowo rosnąć harmoniczne, jest równe 4,69 Vpp (rys. 11). Analogiczne napięcie dla wzmacniacza rail-to-rail jest równe… 9,84 Vpp (rys. 12). Niebo a ziemia.

Rys. 11. Pomiar maksymalnego niezniekształconego napięcia wyjściowego wzmacniacza standardowego

Rys. 12. Pomiar maksymalnego niezniekształconego napięcia wyjściowego wzmacniacza rail-to-rail

Współczesne trendy wymuszają na konstruktorach stosowanie pojedynczego, często niezbyt wysokiego napięcia zasilania. Cechy wzmacniacza standardowego praktycznie eliminują go z takich aplikacji. Należy jednak pamiętać również o tym, że cecha rail-to-rail dotyczy zarówno wyjścia, jak i wejścia.

O autorze

Jarosław Doliński

Jarosław Doliński jest absolwentem Wydziału Elektroniki na Politechnice Warszawskiej. Pracował w Przemysłowymi Instytucie Telekomunikacji oraz Instytucie Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy, gdzie zajmował się konstruowaniem urządzeń transmisji danych. Współpracował z Zakładem Urządzeń Teatralnych m.in. w zakresie konstrukcji interkomów teatralnych i urządzeń dla inspicjentów. Brał także udział w pracach projektowych rejestratorów urządzeń wiertniczych i elektroniki montowanej na żurawiach mobilnych.
Obecnie prowadzi firmę zajmująca się konstruowaniem i produkcją urządzeń elektronicznych dla rehabilitacji i wspomagania treningu sportowego.
Jest autorem czterech książek poświęconych elektronice i mikrokontrolerom, współpracuje ponadto z miesięcznikami „Elektronika Praktyczna”, „Elektronik” oraz „Świat Radio”.