Pytanie: Wybieram właśnie wzmacniacz operacyjny do mojego precyzyjnego toru analogowego. Czy szybszy nie będzie lepszy?
Odpowiedź: Projektując tor analogowy z wzmacniaczem operacyjnym (op-ampem) trzeba zwrócić uwagę na wiele krytycznych elementów. Jednym z nich jest rezystor umieszczony w pętli sprzężenia zwrotnego układu (RF) - tak w torze symetrycznym jak i niesymetrycznym. Jeśli w naszym układzie najważniejsza ma być szybkość i pasmo, to zastosujmy się do poradnika, jaki umieszczałem na Elektrodzie kilka miesięcy temu - zasadniczo wskazuje on, że najlepiej jest wykorzystać opornik o rezystancji takiej, jak przewiduje aplikacja z noty katalogowej układu. Jednakże w naszym systemie może chodzić o np. minimalizację strat albo większe wzmocnienie sygnału - wtedy wybór większej wartości RF może okazać się właściwy.
Wraz z zwiększaniem się RF i zwiększaniem się wzmocnienia układu, dobór tego opornika upraszcza się. Wraz z zwiększaniem się wzmocnienia destabilizujący wpływ opornika w pętli i pojemności wewnętrznej op-ampa zmniejsza się. Wraz z zwiększaniem się wzmocnienia układ będzie mniej podatny na powstawanie lokalnych maksimów w widmie wzmocnienia w funkcji częstotliwości.
Przykład pokazany na rysunku 1 obrazuje wyniki pomiaru znormalizowanej odpowiedzi częstotliwościowej układu AD4807-1 - niskoszumnego wzmacniacza operacyjnego z sprzężeniem napięciowym i wyjściem oraz wejściem typu rail-to-rail. Układ pracował z opornikiem RF = 10 k? i wzmocnieniami wynoszącymi 11 V/V, 21 V/V, 31 V/V.
Unoszenie się wzmocnienia dla okolic częstotliwości granicznej układu dla małych wzmocnień jest wynikiem niestabilności układu - gdy wzmocnienie zwiększa się, to charakterystyka powraca do bardziej pożądanej i nie odchyla się od niej o więcej niż 1 dB. Oznacza to, że przy takim oporniku RF układ pracuje stabilnie dla większych wzmocnień.

Rys.1. Wyniki pomiarów charakterystyki częstotliwościowej dla RF = 10 k? i wzmocnień równych 11 V/V, 21 V/V oraz 31 V/V.
Rys.2. Wyniki symulacji SPICE działania takiego samego jak powyżej układu dla RF = 10 k?, VS = ?5 V, obciążeniu 1 k? oraz wzmocnieniu 2 V/V i 31 V/V.
Problemy ze stabilnością nie są widoczne tylko w pomiarach - można ich w ogóle nie przeprowadzać, a skorzystać tylko z symulacji SPICE. Wyniki takiej symulacji pokazano na rysunku 2 gdzie układ pracuje z wzmocnieniami 2 V/V i 31 V/V. Na wykresie widoczne jest lokalne maksimum dla niskiego wzmocnienia - wynik braku zapasu marginesu fazy w układzie, co powoduje niestabilną pracę.
Z drugiej strony - praca z niskim wzmocnieniem ma swoje zalety. Na rysunku 3 zaprezentowano przebieg na wejściu wzmacniacza i na jego wyjściu dla trzech różnych wzmocnień (to także symulacja SPICE).
Jak widać na powyższym rysunku układ dla dużego wzmocnienia ma problemy z osiągnięciem prędkości narastania napięcia na wyjściu, aby dobrze przenieść podany na wejście impuls.
Jak widać nawet w prostym systemie z jednym wzmacniaczem operacyjnym projektowanie nie jest proste, a jest sztuką kompromisów. W tym przypadku pomiędzy pasmem, prędkością, wzmocnieniem i wartością rezystora RF w pętli sprzężenia zwrotnego. Projektując układ elektroniczny musimy tak dostosować te parametry, aby spełniał on wszystkie wymagania w urządzeniu.
Źródło: http://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-135.html
Odpowiedź: Projektując tor analogowy z wzmacniaczem operacyjnym (op-ampem) trzeba zwrócić uwagę na wiele krytycznych elementów. Jednym z nich jest rezystor umieszczony w pętli sprzężenia zwrotnego układu (RF) - tak w torze symetrycznym jak i niesymetrycznym. Jeśli w naszym układzie najważniejsza ma być szybkość i pasmo, to zastosujmy się do poradnika, jaki umieszczałem na Elektrodzie kilka miesięcy temu - zasadniczo wskazuje on, że najlepiej jest wykorzystać opornik o rezystancji takiej, jak przewiduje aplikacja z noty katalogowej układu. Jednakże w naszym systemie może chodzić o np. minimalizację strat albo większe wzmocnienie sygnału - wtedy wybór większej wartości RF może okazać się właściwy.
Wraz z zwiększaniem się RF i zwiększaniem się wzmocnienia układu, dobór tego opornika upraszcza się. Wraz z zwiększaniem się wzmocnienia destabilizujący wpływ opornika w pętli i pojemności wewnętrznej op-ampa zmniejsza się. Wraz z zwiększaniem się wzmocnienia układ będzie mniej podatny na powstawanie lokalnych maksimów w widmie wzmocnienia w funkcji częstotliwości.
Przykład pokazany na rysunku 1 obrazuje wyniki pomiaru znormalizowanej odpowiedzi częstotliwościowej układu AD4807-1 - niskoszumnego wzmacniacza operacyjnego z sprzężeniem napięciowym i wyjściem oraz wejściem typu rail-to-rail. Układ pracował z opornikiem RF = 10 k? i wzmocnieniami wynoszącymi 11 V/V, 21 V/V, 31 V/V.
Unoszenie się wzmocnienia dla okolic częstotliwości granicznej układu dla małych wzmocnień jest wynikiem niestabilności układu - gdy wzmocnienie zwiększa się, to charakterystyka powraca do bardziej pożądanej i nie odchyla się od niej o więcej niż 1 dB. Oznacza to, że przy takim oporniku RF układ pracuje stabilnie dla większych wzmocnień.
Rys.1. Wyniki pomiarów charakterystyki częstotliwościowej dla RF = 10 k? i wzmocnień równych 11 V/V, 21 V/V oraz 31 V/V.
Rys.2. Wyniki symulacji SPICE działania takiego samego jak powyżej układu dla RF = 10 k?, VS = ?5 V, obciążeniu 1 k? oraz wzmocnieniu 2 V/V i 31 V/V.
Problemy ze stabilnością nie są widoczne tylko w pomiarach - można ich w ogóle nie przeprowadzać, a skorzystać tylko z symulacji SPICE. Wyniki takiej symulacji pokazano na rysunku 2 gdzie układ pracuje z wzmocnieniami 2 V/V i 31 V/V. Na wykresie widoczne jest lokalne maksimum dla niskiego wzmocnienia - wynik braku zapasu marginesu fazy w układzie, co powoduje niestabilną pracę.
Z drugiej strony - praca z niskim wzmocnieniem ma swoje zalety. Na rysunku 3 zaprezentowano przebieg na wejściu wzmacniacza i na jego wyjściu dla trzech różnych wzmocnień (to także symulacja SPICE).
Jak widać na powyższym rysunku układ dla dużego wzmocnienia ma problemy z osiągnięciem prędkości narastania napięcia na wyjściu, aby dobrze przenieść podany na wejście impuls.
Jak widać nawet w prostym systemie z jednym wzmacniaczem operacyjnym projektowanie nie jest proste, a jest sztuką kompromisów. W tym przypadku pomiędzy pasmem, prędkością, wzmocnieniem i wartością rezystora RF w pętli sprzężenia zwrotnego. Projektując układ elektroniczny musimy tak dostosować te parametry, aby spełniał on wszystkie wymagania w urządzeniu.
Źródło: http://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-135.html
Fajne? Ranking DIY
