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

Co musimy wiedzieć o op-ampie, gdy pracujemy z niskim napięciem zasilania

ghost666 27 Sty 2016 15:16 2388 3
  • Może to być sporym zaskoczeniem dla wielu osób, ale bardzo często zdarzają się sytuacje, gdy projektant układu elektronicznego dobiera zbyt niskie zasilanie układu - zupełnie nieodpowiadające wykorzystywanym wzmacniaczom operacyjnym (op-ampom). Co wtedy zrobić? Jak zbyt niskie napięcie zasilające wpływa na działanie systemu?

    Nie trzeba wielkiego trudu, aby usprawiedliwić tego rodzaju pomyłki. Op-ampy dobierane są zazwyczaj na podstawie innych parametrów niż napięcie zasilania, szczególnie gdy projekt i dobór elementów zmienia się w sposób dynamiczny. Wyobraźmy sobie sytuację, gdy projektant dobiera układ pod względem parametrów dynamicznych do układu. Jednocześnie oczywiście dba, aby mógł on pracować z zasilaniem systemu równym 2,7 V. Później, na kolejnym etapie projektowania, ktoś podmienia op-amp na inny - bardzo podobny, ale wymagający zasilania co najmniej 3 V - to bardzo częsty błąd. Przyczyny takich podmianek są różne - kwestia lepszej dostępności czy niższych kosztów tego drugiego układu. Na etapie prototypowania układu może nie udać się wykryć pomyłki - może partia próbek, które dostarczył producent lepiej sprawdza się przy niskim napięciu? Różne czynniki mają na to wpływ. Dopiero w dalszym toku finalizowania projektu okazuje się, że coś jest nie tak z układem. Bliższe zbadanie systemu wskazuje, że problemem jest zbyt niskie napięcie zasilania wzmacniacza operacyjnego.

    Za niskie napięcie zasilające to nie jest coś, co przeraża elektroników. Wszystkie najgorsze rzeczy, jakie mogą spotkać układy scalone, zdarzają się zazwyczaj przy napięciu zbyt wysokim. Przy zbyt niskim głównym naszym zmartwieniem będzie zachowanie układu i pogorszenie jego parametrów.

    Prześledźmy zachowanie układu, na przykładzie op-ampa wykonanego w technologii CMOS. Na rysunku 1 widać, że minimalne napięcie zasilania układu wynosi 2,7 V. Zespół projektantów odpowiedzialnych za ten element ustala to napięcie na podstawie jego projektu, sposobu wykonania elementu oraz pewnych rozrzutów produkcyjnych. Istotne jest uwzględnienie tych ostatnich, gdyż proces wytwarzania elementów półprzewodnikowych nie jest w pełni powtarzalny. Dzięki temu, niezależnie od tego jaki element z linii produkcyjnej przetestujemy, będzie on poprawnie działał w zadanych warunkach przy napięciu zasilania równym 2,7 V.

    Co musimy wiedzieć o op-ampie, gdy pracujemy z niskim napięciem zasilania
    Rys. 1: Przykładowa charakterystyka op-ampa wykonanego w technologii CMOS dla niskich napięć zasilania.


    Z uwagi na uwzględnienie rozrzutu produkcji i założenia pewnego zapasu, układ będzie też pracował poprawnie dla napięć niższych niż napięcie wymienione w karcie katalogowej (2,7 V). Pomiary laboratoryjne wskazują, że niskonapięciowe układy CMOS funkcjonować będą poprawnie dla napięć niższych od znamionowego nawet o kilka dziesiątych części wolta.





    Przyjrzyjmy się teraz, czemu niektóre układy mogą pracować w sytuacji, gdy ich napięcie zasilania jest delikatnie niższe niż to zapisane w karcie katalogowej. Na rysunku 2 pokazany jest prąd pobierany z zasilania - IDD - w funkcji napięcia zasilającego - VDD - dla wzmacniacza TLV2620. Układ ten jest szerokopasmowym wzmacniaczem wykonanym w technologii CMOS, charakteryzującym się pasmem 11 MHz. Rekomendowane napięcie zasilania układu wynosi od 2,7 V do 5,5 V, jednakże można zasilać go, jak się okazuje, napięciem do 6 V.

    Co musimy wiedzieć o op-ampie, gdy pracujemy z niskim napięciem zasilania
    Rys. 2: Prąd IDD w funkcji napięcia zasilającego VDD i temperatury dla CMOSowego op-ampa TLV2620.


    Rysunek 2 pokazuje, jak zależy prąd pobierany z zasilacza (IDD) od napięcia zasilającego i temperatury pracy układu. W poniższym artykule interesuje nas najbardziej zachowanie w okolicy minimalnego napięcia zasilania dla układu TLV2620 - 2,7 V. To napięcie oznaczone jest na rysunku 2 czerwoną pionową linią. Krzywe dla różnych temperatury charakteryzują się w tym rejonie podobnym nachyleniem po obu stronach granicznego napięcia 2,7 V. Prąd IDD jest tylko odrobinę mniejszy dla VDD równego 2,4 czy 2,4 V (niebieskie linie) niż dla VDD = 2,7 V. Jako że nie następuje tutaj istotna zmiana pobieranego prądu, można założyć, że z dużą doza prawdopodobieństwa wzmacniacz ten będzie działał i dla niższych napięć zasilania niż specyfikowane w karcie katalogowej.

    Gdzie zatem znajduje się granica używalności układu? IDD spada mocno, gdy VDD zmniejsza się dalej. Napięcia po lewej stronie nagłego spadku związane są już z rejonem "power up", jaki oznaczono na rysunku 1. Przy tych napięciach zasilania elementy wewnętrzne układu nie są poprawnie spolaryzowane, a co za tym idzie - układ nie będzie działał poprawnie. Dalsze zmniejszanie napięcia zasilającego spowoduje zupełne wyłączenie układu.

    Różne wzmacniacze operacyjne wykazują różne zachowania w rejonie tego nagłego spadku. Zaprezentowany powyżej TLV2620 wykazuje mocno nachylony spadek IDD dla zmniejszających się napięć. Z kolei inne układy mogą prezentować mniej ostrą zmianę prądu w funkcji napięcia VDD. W obu przypadkach nie ma możliwości sprawdzenia czy w danym punkcie, poniżej nominalnego napięcia zasilania, układ jest w pełni sprawny.

    Inne wzmacniacze, takie jak także wykonany w technice CMOS TLV2333 wykazuje mniej nachyloną krzywą IDD w funkcji VDD. Układ ten dedykowany jest do pracy z niskim napięciem i średnią mocą wyjściową. Wykres zależności prądy IDD w funkcji napięcia zasilającego VDD dla tego op-ampa pokazany jest na rysunku 3. Specyfikacja w karcie katalogowej tego układu mówi, że napięcie zasilania powinno mieścić się w zakresie od 3 V do 5 V, jednakże rekomendowane napięcia są szersze - od 2 V do 8 V, co oznacza, że układ będzie poprawnie działał i dla VDD równego 2 V.

    Co musimy wiedzieć o op-ampie, gdy pracujemy z niskim napięciem zasilania
    Rys. 3: Krzywa IDD w funkcji VDD dla układu

    Co musimy wiedzieć o op-ampie, gdy pracujemy z niskim napięciem zasilania
    Rys. 4: Wzmocnienie w otwartej pętli sprzężenia układu TLV2332 w funkcji napięcia VDD.


    Rysunek 3 pokazuje jak IDD spada wraz z zmniejszaniem się VDD bez zmiany nachylenia krzywej. Co bardzo interesujące - karta katalogowa TLV2333 zawiera w sobie szereg ciekawych wykresów, pokazujących różne parametry zmienno- i stałoprądowe układu w funkcji napięcia zasilającego VDD. Na rysunku 4 zaprezentowano, jak spadek napięcia zasilającego przekłada się na spadek wzmocnienia układu. Dla bardzo małych napięć zasilających - na poziomie 2 V - wzmocnienie w otwartej pętli wynosi zaledwie 50 kV/V, co jednak jest nadal użyteczne w pewnych aplikacjach.

    Możliwość pracy przy niskim napięciu zasilania jest niezwykle użyteczna, szczególnie przy systemach zasilanych z baterii. Jeśli nasze urządzenie zasilane jest baterią o nominalnym napięciu 3 V, to gdy rozładuje się ona do 2 V, nasz układ nadal będzie działał, oczywiście odrobinę gorzej, z uwagi na spadek parametrów.

    Powracając do kwestii niskiego napięcia zasilania, konieczne jest podkreślenie, że podstawą działania z takim systemem jest zrozumienie, w jaki sposób zmniejszające się napięcie zasilania wpływać będzie na pogorszenie parametrów układu, szczególnie w sytuacji, gdy napięcie zasilające jest niższe niż minimalne napięcie, jakie zapisano w karcie katalogowej układu. Oczywiście najlepszym rozwiązaniem będzie wykorzystanie układu, którego zakres rekomendowanych napięć pracy zawiera w sobie napięcie zasilające w naszym systemie, ale jak napisano powyżej - czynniki np. ekonomiczne mogą powodować, że zastosowany zostanie inny, podobny układ.

    Jak poradzić sobie z problemem opisanym na samym początku artykułu? Poszukać zamiennika układu, który pozwala na pracę z niższym napięciem zasilania, jakie występuje w naszym urządzeniu. Katalogi elementów elektronicznych wszystkich wiodących producentów umożliwiają tego rodzaju poszukiwania bez większych problemów, a jeśli nie uda nam się znaleźć takiego elementu, zawsze można skontaktować się z przedstawicielem handlowym firmy, który pomoże nam dobrać pasujący do naszej aplikacji wzmacniacz.

    Źródło: http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2016/01/15/op-amp-supply-limits-are-they-critical-part-2?HQS=hpa_thehubAMP_160124&DCMP=mytinwsltr_01_23_2016&sp_rid_pod3=LTI4MDExNzAzNTES1&sp_mid_pod3=4968551


    Fajne!
  • #2 29 Sty 2016 09:15
    winio42
    Poziom 18  

    Plus za artykuł, aczkolwiek moim zdaniem zasada jest prosta - napięcia zasilania ma nie być niższe niż to z datasheeta i koniec :)
    Wygodne są stabilizatory, które zgłaszają przerwanie (tj. ciągną linię typu OD do masy) w razie zbyt niskiego poziomu baterii.

    Dużo bardziej interesuje mnie inna kwestia - wiele wzmacniaczy (zwłaszcza precyzyjnych, instrumentalnych) ma napięcie pracy typu 5-36V (zazwyczaj bipolarne +-2.5V do +-18V). Bardzo często producenci podają ich (świetne skądinąd) parametry typu szumy, CMRR - ale dla pracy z maksymalnym napięciem zasilania. Domyślam się wobec tego, że musi być tego jakiś powód - prawdopodobniej dla napięć najniższych, ale dopuszczalnych, typu właśnie +-2.5V (np. z USB) parametry pracy będą dużo gorsze - ciekawi mnie, jak bardzo...

  • #3 29 Sty 2016 09:25
    Setel
    Poziom 25  

    W dobie dzisiejszej, przy tak olbrzymiej ofercie tanich wzmacniaczy operacyjnych, poruszony temat jawi się jako nieco wydumany. Nie ma żadnego kłopotu z dobraniem odpowiedniego OA, na właściwe napięcie. Dlaczego stosować elementy niewłaściwe, skoro bez problemu można kupić właściwe?

  • #4 29 Sty 2016 09:40
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    O ile urządzenie projektuje inżynier elektronik i tylko on, to istotnie temat jest wydumany. Niestety bardzo często systemy takie projektuje wraz z nim ekonomista, który o elektronice ma pojęcie średnie i będzie on elektronikowi podmieniał elementy na tańsze, ale niekoniecznie w 100% identyczne...

    @winio42 Słuszna uwaga i generalnie chyba tak jest, że przynajmniej część parametrów spada z napięciem zasilania. Poszukam na ten temat materiałów :)