Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Wszystko co musisz wiedzieć o używaniu op-ampów przy niskim napięciu zasilania

ghost666 27 Mar 2014 19:59 4038 0
  • Napotykasz konieczność zaprojektowania układu wymagającego podstawowej aplikacji wzmacniacza operacyjnego w systemie z niskim napięciem zasilającym? Kuszącym rozwiązaniem jest użycie klasycznego wzmacniacza operacyjnego, przystosowanego do pracy z wyższym napięciem zasilającym - uprości to konstrukcję i pozwoli zaoszczędzić pieniądze. Podstawowym pytaniem jest jedna kwestia - czy tak układ będzie w ogóle poprawnie działał? poniższy artykuł opisuje jak sprawdzić czy wybrany przez nas op-amp sprawdzi się w aplikacji z niskim napięciem zasilania.

    Jako przykład, na którym omówić można by to zagadnienie, wybrać można LM324. Jet to tani i popularny układ, którego karta katalogowa mówi nam iż powinien poprawnie pracować od napięcia zasilającego wynoszącego 3 V. Z kolei układ LM2902 omówiony zostanie z uwagi na możliwość jego pracy w temperaturze do -40°C, co jest dodatkowym wyzwaniem. Spowodowane jest to faktem iż w niskiej temperaturze spadek napięcia na złączu P-N jest największy. Zatem najpoważniejsze problemy z zakresem napięć na wejściach i wyjściach wzmacniaczy operacyjnych przy niskim zasilaniu powodowane właśnie będą niską temperaturą.

    Krok 1: Sprawdzenie zakresu poprawnych napięć wejściowych o wyjściowych przy zadanym napięciu zasilania.

    Układ LM2902 nie ma w swojej karcie katalogowej parametrów dla zasilania napięciem 3 V, w związku z tym w naszej dalszej analizie wykorzystamy te przedstawione dla zasilania równego 5 V. Interesujące nas parametry z karty katalogowej przedstawione są na poniższym jej wycinku.

    Wszystko co musisz wiedzieć o używaniu op-ampów przy niskim napięciu zasilania


    Wejściowe napięcie współbieżne sygnału, VCIR, jest podane tylko dla napięć zasilających nie mniejszych niż 5 V, dla 3 V producent pozostawia nas samych sobie. Jednakże przecież zasady fizyki działać będą dla każdego zasilania, co oznacza że możemy wykorzystać podaną zależność szacującą zakres VCIR na od 0 V do Vcc - 2 V, co w naszym przypadku oznacza zakres od 0 V do 1 V.

    Maksymalne napięcie wyjściowe, VOH, przy 25°C, jest łatwe do wyznaczenia. Wynosi ono VCC-1,5 V, co przy założonym napięciu zasilania, daje nam 1,5 V użytecznego zakresu. Jednakże dla specyfikacji w pełnym zakresie temperatur pracy wynosi ono VCC-3V, co oznacza że przy naszym napięciu zasilania... cóż, nie mamy żadnego zakresu napięć wyjściowych. Oczywiście nie możemy tak tego wykorzystać! Ale jak jest w rzeczywistości? spójrzmy na schemat wewnętrzny omawianego układu, który zawarty jest w karcie katalogowej. Wynika z niego iż napięcie zanim trafi z zasilania na wyjście, przechodzi przez dwa tranzystory, co wprowadza nam w tor sygnałowy dwa spadki o napięcie VBE (baza-emiter). Załóżmy współczynnik temperaturowy -2 mV/°C tego złącza, co daje nam łączny spadek, dla -40°C, wynoszący 2 x (-40°C - 25°C) x -2 mV/°C = -260 mV. Zaokrąglijmy tą wartość - dla bezpieczeństwa - do -300 mV. Wyznaczone w ten sposób napięcie VOH wyniesie VCC-1,5 V - 0,3 V, czyli w naszym przypadku 1,2 V.





    Minimalne napięcie wyjściowe, VOL, zasadniczo wynosi 0 V dla całego zakresu temperatur, jednakże jest tutaj jeden haczyk. Odnosi się to tylko do obciążeń podłączonych do masy. W przypadku gdy wejście musi przyjmować prąd, gdyż obciążenie wpięte jest pomiędzy linię zasilającą a wyjście z wzmacbiacza operacyjnego. Abu uzmysłowić sobie jak wpływa to na napięcie wyjściowe odnieśmy się do poniższego wykresu obrazującego napięcie wyjściowe w funkcji prądu przyjmowanego przez to wejście dla układu LM2904-N (podobna zależność będzie prawdziwa dla układu LM2902).

    Wszystko co musisz wiedzieć o używaniu op-ampów przy niskim napięciu zasilania


    VOL dla średniej wielkości prądów jest poniżej 0,8 V. Pamiętajmy jednak iż dane te są prawdziwe dla temperatury układu wynoszącej 25°C. Spójrzmy jeszcze raz na schemat naszego układu, tylko po to aby odnaleźć jedno złącze P-N po drodze. Oznacza to dodatkowy spadek napięcia charakteryzujący się współćzynnikiem temperaturowym wynoszącym -2 mV/°C. W temperaturze -40°C VOL wyniesie zatem (-40°C-25°C) x -2 mv/°C = 130 mV. Zaokrąglijmy to do 200 mV, aby zapewnić sobie pewien margines działania. Zatem VOL = 0,8 V + 0,2 V = 1 V.

    Krok 2: Spójrzmy na wynikowy zakres napięć pracy

    Zakres napięć wejściowych, przy napięciu zasilającym równym 3 V wyniesie od 0 V do 1 V. Jest to pewne wyzwanie dla projektanta układu, jednak da się z tym żyć. Przy tym samym napięciu zasilającym zakres napięć wyjściowych wynosi od 1 V do 1,2 V. Koszmarnie mało, co oznacza że praktycznie nie da się zastosować tego układu.

    Krok 3: Bądź kreatywny!

    Dobrą wiadomością jest fakt że zakres napięć wyjściowych może wynosić od 0 V do 1,2 V, jeśli prąd nie będzie trafiał do wejścia wzmacniacza operacyjnego, a tylko z niego wypływał lub ewentualny prąd wchodzący do wyjścia wyniesie kilka mikroamperów. Dodatkowo zakres napięć wyjściowych można jeszcze powiększyć wykorzystując dodatkowe oporniki podciągające wyjście do masy lub do zasilania.

    Zastosowanie opornika podciągającego wyjście do masy pozwoli zmniejszyć napięcie VOL. Aby ocenić jego wpływ na jego wartość wystarczy wyznaczyć całkowite obciążenie wyjścia wzmacniacza (wliczając w to oporniki sprzężenia zwrotnego). Zastosowanie tej techniki np. z układem LM2902 nie ma na niego negatywnego wpływu.

    Podciąganie do linii zasilania pozwoli z drugiej strony zwiększyć maksymalne napięcie wyjściowe z naszego układu. O ile poprawi się napięcie VOH zależy, podobnie jak z VOL, od terowanego obciążenia. Pamiętać należy iż prąd wpływający w tym wypadku do wyjścia op-ampa (około 30 µA dla omawianego układu) musi zostać dostarczony przez opornik podciągający.

    Zatem, podsumowując, zastosowanie układu LM2902 - taniego wzmacniacza operacyjnego, przystosowanego do pracy z napięciem zasilającym 5 V i więcej - w układzie zasilanym napięciem na przykład 3 V jest rozsądne. Podobnie sprawa ma się z innymi układami tego typu. Pamiętać należy oczywiście o każdorazowym przeliczeniu zakresu napięć wejściowych i wyjściowych a także o wyznaczeniu całkowitego obciążenia wyjścia układu. Wszystko to aby zapewnić poprawne działanie wzmacniacza operacyjnego w tej nietypowej dla niego aplikacji.
    Źródła:
    http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive...g-general-purpose-op-amps-at-low-voltage.aspx


    Fajne!