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

Rzadko zadawane pytania: czasami wzmacniacz sunąć musi po szynach

ghost666 14 Maj 2017 16:40 2052 0
  • Rzadko zadawane pytania: czasami wzmacniacz sunąć musi po szynach
    Pytanie: Projektuję blok kondycjonowania sygnału w precyzyjnym analogowym torze pomiarowym. Czy powinienem korzystać z wzmacniaczy z wejściem typu rail-to-rail?

    Odpowiedź: Być może. To zależy głównie od tego, czy sygnał, z którego sygnałem pracujemy, daje na wyjściu napięcie bliskie jednemu z napięć zasilania naszego analogowego front-endu. Na przykład, jeśli monitorujemy prąd od 0 mA do 500 mA płynący przez opornik 10 ? to maksymalne napięcie wyjściowe wynosi 5 V. Jeśli napięcie zasilające wzmacniacz operacyjny także wynosi ok. 5 V to konieczne jest zastosowanie układu typu rail-to-rail. (Analogiczna sytuacja występuje dla napięć bliskich drugiej stronie zasilania - napięciu ujemnemu lub w przypadku zasilania asymetrycznego masie (0 V). Oznacza to, że jeśli wykorzystujemy op-amp zasilany asymetrycznie do pomiaru małych napięć także warto zaopatrzyć się w układ typu rail-to-rail - przyp.red.).

    Klasycznym rozwiązaniem wejścia wzmacniacza operacyjnego jest wzmacniacz różnicowy na dwóch tranzystorach. Aby możliwe było wzmacnianie napięcia różnicowego na tym układzie konieczne jest zachowanie odpowiedniej dynamiki między napięciem wejściowym, napięciem współbieżnym a szynami zasilania. Jeśli odstęp tych napięć - zapas dynamiki - będzie zbyt mały to pogorszy się szereg dynamicznych i statycznych parametrów wzmacniacza operacyjnego w układzie. Przełoży się na to zmniejszenie precyzji działania systemu, jak pokazano na rysunku 1. W karcie katalogowej każdego op-ampa zdefiniowano jakiego zapasu dynamiki wymaga; dopóki pozostajemy w granicach napięć wejściowych wszystko jest w porządku.

    Niektóre z klasycznie wykorzystywanych w przemyśle układów, takie jak ADA4610, wyposażone są właśnie w wejścia na tranzystorach będących parą różnicową. Pamiętajmy o tym, aby stosując je w naszych torach analogowych nie wykraczać z napięciem wejściowym poza opisane w karcie katalogowej granice.

    Rzadko zadawane pytania: czasami wzmacniacz sunąć musi po szynach
    Rys.11. Typowe napięcie offsetu wejściowego w funkcji napięcia współbieżnego dla układu ADA4610.






    Jeśli napięcie wyjściowe z używanego w układzie sensora nie dochodzi do napięcia V+, ale dochodzi poziomu V- to także konieczne jest zastosowanie specjalnego układu, tj. takiego który umożliwi pracę z napięciem wejściowym równym ujemnemu napięciu zasilania. Najczęściej tego rodzaju układy wyposażone są w asymetrycznie zasilane stopnie wejściowe, w których V- = GND. W takim układzie op-amp zasilany jest pojedynczym napięciem zasilania. Tego typu wzmacniacze charakteryzują się odmienną topologią wejścia, niż w przypadku opisanym powyżej.

    Finalnie, jeśli układ wymaga pracy z sygnałem wejściowym o napięciu od V- do V+ wymagany jest wzmacniacz z wejściem skonstruowanym w topologii umożliwiającej pracę rail-to-rail, czyli od szyny do szyny zasilania. Typowo w tych układach w stopniu wejściowym integruje się dwa wzmacniacze różnicowe, po jednym dla każdego napięcia zasilania. Klasycznym układem tego typu w ofercie Analog Devices jest ADA4661. Jak pokazano na rysunku 2 układ ten charakteryzuje się doskonałą precyzją w całym zakresie napięć wejściowych pomiędzy napięciami zasilania.

    Rzadko zadawane pytania: czasami wzmacniacz sunąć musi po szynach
    Rys.2. Typowe zachowanie offsetu wejściowego w funkcji napięcia współbieżnego dla układu z wejściem rail-to-rail (ADA4661).


    Z drugiej strony, w układach rail-to-rail z dwoma parami tranzystorów występują inne problemy. W momencie gdy napięcie współbieżne przechodzi z dodatniego w ujemne (i odwrotnie) pojawiają się zniekształcenia związane z przejściem z jednej pary tranzystorów na drugą. Amplituda tych zniekształceń, w przypadku układu ADA4661 wynosi około 50 mikrowoltów i następuje około 2 V poniżej napięcia V+. Jakkolwiek tak niewielkie zniekształcenie może być bez znaczeniu w wielu systemach to w przypadku precyzyjnych torów analogowych jest sporym problemem.

    Jednym z możliwych rozwiązań jest utrzymanie napięcia poniżej granicy napięć; w przypadku omawianego układu daje to rozpiętość napięć zasilających do 16 V. W aplikacjach o niskim napięciu zasilania (na przykład 5 V) jest to o wiele problematyczne, gdyż zagwarantowanie odpowiedniego zapasu dynamiki (ok. 2 V) jest dużym wyzwaniem przy tak niskim napięciu zasilania. W takim systemie potrzebne jest inne podejście i wykorzystanie op-ampa ze stopniem wejściowym w zupełnie innej topologii.

    Przykładem wzmacniacza operacyjnego, w którym zminimalizowano zakłócenia przy przejściu przez zero jest ADA4500. W układzie tym wzmacniacz wejściowy oparty jest na jednej parze tranzystorów, jednakże wsparto ją pompą ładunku, która "sztucznie" wewnątrz układu zwiększa napięcie zasilania. Dzięki wykorzystaniu takiej topologii wejścia układ może współpracować z sensorami z napięciem wyjściowym w całym zakresie napięć zasilania, bez zniekształceń sygnału, jak pokazano na rysunku 3. Układ ten, oprócz pracy bez zniekształceń przy przejściu przez zero zapewnia 95 dB odrzucenia wpływu napięcia współbieżnego i napięcia offsetu wejściowego na poziomie zaledwie 120 ?W przy 25°C, co dodatkowo poprawia jego precyzję w torach pomiarowych.

    Rzadko zadawane pytania: czasami wzmacniacz sunąć musi po szynach
    Rys.3. Napięcie offsetu wejściowego w funkcji napięcia współbieżnego dla układu ADA4500.


    Dokładniejsze omówienie topologii wejściowych wzmacniaczy operacyjnych - ich budowy, wad i zalet znaleźć możemy w szerszym artykule związanym z zagadnieniem wejść i wyjść rail-to-rail w op ampach. Artykuł dostępny jest tutaj (mogę przetłumaczyć go na język polski i umieścić na forum, jeśli ktoś jest zainteresowany - przyp.red.).

    W poniższej tabeli zebrano przykładowe wzmacniacze operacyjne z różnymi topologiami wejścia, napięciami pracy etc.

    Nazwa elementuMaksymalne napięcie wyjściowe poniżej V+Minimalne napięcie wyjściowe powyżej V-Zakres napięć zasilaniaStruktura wejścia
    ADA46102,52,510 do 36Klasyczna para różnicowa
    ADA45221,504,5 do 55Zasilenia niesymetryczne
    ADA46221-0,210 do 30Zasilenia niesymetryczne
    ADA4084003 do 30Rail-to-rail
    ADA4661003 do 18Rail-to-rail
    ADA4505001,8 do 5Zerowe zniekształcenia przy przejściu przez zero
    ADA4500002,7 do 5,5Zerowe zniekształcenia przy przejściu przez zero


    Źródło: http://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-141.html


    Fajne! Ranking DIY