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

Jakie są zalety stosowania op-ampów z wejściem JFET w szybkich układach?

ghost666 01 Mar 2019 21:37 960 0
  • Wprowadzeniem tego artykułu będzie dawka podstawowej wiedzy. Wzmacniacze z sprzężeniem napięciowym są czasami kategoryzowane w oparciu o rodzaj tranzystora, jaki wykorzystany jest w sekcji wejściowej układu - może to być układ CMOS (komplementarny układ metal-tlenek-półprzewodnik) lub JFET (złączowy tranzystor polowy). Niektóre układy stosują nawet kilka tranzystorów danego rodzaju w sekcji wejściowej. Na przykład wzmacniacz operacyjny (op-amp) z wejściem JFET w swojej strukturze zawiera parę różnicową tranzystorów JFET, dzięki czemu taki op-amp charakteryzuje się wysoką impedancją wejściową. Dalej, za parą JFETów, znajdują się już tradycyjne tranzystory bipolarne, które formują dalsze stopnie wzmacniacza.

    Op-ampy z wejściem typu JFET chętnie wykorzystywane są jako elementy wejściowe we front-endach analogowych układów pomiarowych jako elementy składowe wielokanałowych, multipleksowanych systemów sensorowych, elementy wejściowe w systemach do pomiaru prądu, a także jako sterowniki przetworników analogowo-cyfrowych (ADC) czy wzmacniacze transimpedancyjne - konwertery prąd/napięcie - do stosowania z czułymi fotodiodami.

    W prezentowanym artykule omówione zostaną podstawowe zalety wykorzystania układów z wejściem JFET, między innymi w wymienionych powyżej aplikacjach. Przykłady przedstawione w tekście oparte są na układzie OPA2810 - wzmacniaczu operacyjnym rail-to-rail (tak na wejściu, jak i wyjściu) z wejściem FET, pasmem równym 110 MHz i napięciem zasilania do 27 V.

    Systemy akwizycji danych i pomiar prądu

    Aparatura testowo-pomiarowa często wykorzystuje wzmacniacz operacyjny z wejściem JFET jako bufor o wzmocnieniu jednostkowym na swoim wejściu. Układy takie stosowane są tam w konfiguracji wzmacniacza nieodwracającego. Tego rodzaju sprzęt musi mierzyć sygnał napięciowy bez zakłócania wielkości mierzonej, co jest możliwe przy wejściach o wysokiej impedancji i niskich prądach polaryzacji wejścia - dokładnie takie warunki występują we wzmacniaczu z wejściem typu JFET.

    W analizatorach mocy czy oscyloskopach obecność dużego tłumika impedancji na początku toru analogowego sprawia, że ​​jeszcze bardziej konieczne jest stosowanie wzmacniacza wejściowego o wysokiej impedancji wyjściowej.

    Wejścia wzmacniaczy wejściowych CMOS i JFET są połączone z bramkami wejściowej pary różnicowej w układzie. Dzięki temu prądy polaryzacji są bardzo małe - w zakresie kilku pikoamperów lub mniej. Bardzo wysoka impedancja wejściowa OPA2810, z prądem polaryzacji o wartości około 2pA, jedynie minimalnie zmienia się w funkcji współbieżnego napięcia wejściowego. Jest możliwa dzięki zastosowaniu głównego stopnia wejściowego JFET wraz z układem pomocniczym w technologii CMOS, którzy działa w zakresie napięć większych od 2,5 V od napięcia zasilania.

    W aplikacjach, gdzie mierzony jest płynący prąd przez bocznik rezystancyjny często stosuje się układy typu JFET. Stosunkowo niewielkie zmiany prądu polaryzacji w funkcji napięcia współbieżnego na wejściu (szczególnie w liniowym obszarze działania układu, z dala od napięć zasilania op-ampa), jak pokazano na rysunku 1 sprawiają, że OPA2810 idealnie nadaje się do pracy w tego rodzaju systemach - przy zasilaniu ± 12 V, układ taki pozwala zminimalizować zmiany napięcia offsety przy szerokiej zmianie sygnału wejściowego . Dzięki temu możliwe jest precyzyjniejsze mierzenie np. prądu.





    Jakie są zalety stosowania op-ampów z wejściem JFET w szybkich układach?
    Rys.1. Zmiana prądu polaryzacji wejścia w funkcji napięcia współbieżnego dla układu OPA2810.



    Urządzenia testujące oraz systemy pomiarowe muszą również dokładnie odtwarzać sygnały wejściowe na wyjściu wzmacniacza. Jest to możliwe dzięki wyjątkowej niskiemu poziomowi zniekształceń generowanych przez układ OPA2810. Ich poziom jest niski również przy wysokim prądzie wyjściowym - opisywany op-amp może bez problemu stabilnie działać przy obciążeniu wejścia prądem 75 mA przy zasilaniu napięciem powyżej 24 V.

    Szerokopasmowe wzmacniacze transimpedancyjne dla fotodiod

    W szerokopasmowych wzmacniaczach transimpedancyjnych do pomiaru prądu fotodiody wykorzystuje się wzmacniacz operacyjny skonfigurowany tak, jak pokazano na rysunku 2.

    Jakie są zalety stosowania op-ampów z wejściem JFET w szybkich układach?
    Rys.2. Wzmacniacz transimpedancyjny z pojemnością w pętli sprzężenia zwrotnego.


    Szerokie pasmo takiego wzmacniacza jest bardzo przydatne do uzyskania dużego wzmocnienia w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego, a niski poziom szumów wejściowych i niewielki prąd polaryzacji w wzmacniaczu z wejściem JFET pomagają w zmniejszeniu poziomu szumu wyjściowego. Jest to niezwykle istotne w układach transimpedancyjnych, gdyż wzmocnienie w takim układzie jest bardzo wysokie. Jednocześnie, niski prąd wejściowy wzmacniacza, przekłada się na minimalizację offsetu napięciowego układu.

    Aby tego rodzaju układ był stabilny, konieczne jest użycie kondensatora w sprzężeniu zwrotnym (CF). Obliczając wartości komponentów na rysunku 2 należy używać równań opisanych dokładniej tutaj. Dzięki temu uzyskać można optymalne parametry, jak widać na wykresie wzmocnienia i fazy w funkcji częstotliwości, pokazanych na rysunku 3.

    Jakie są zalety stosowania op-ampów z wejściem JFET w szybkich układach?
    Rys.3. Widmo wzmocnienia i fazy wyjściowego w funkcji częstotliwości (charakterystyki Bodego) dla układu pokazanego na rysunku 2.


    Wielokanałowe systemy akwizycji danych

    Wzmacniacze operacyjne o wysokiej impedancji wejściowej są szczególnie przydatne w systemach pomiarowych, gdzie często wykorzystuje się je jako układy wejściowe dla sensorów o wysokiej impedancji wyjściowej, a szczególnie w aplikacjach wielokanałowych.

    Tego rodzaju systemy korzystają najczęściej z multipleksera, który łączy sensory z torem przetwarzania analogowo-cyfrowego poprzez multiplekser, jak pokazano na rysunku 4a. W układzie takim, każdy podłączony do systemu sensor posiada swój własny wzmacniacz operacyjny, który nie musi być zbyt szybki.

    Alternatywne podejście zaprezentowano na schemacie pokazanym na rysunku 4b, gdzie wszystkie sensory podłączone są poprzez multiplekser, do superszybkiego wzmacniacza operacyjnego, który stabilizuje się w dużo krótszym czasie niż te z układu pokazanego na rysunku 4a. Wynika to z faktu, że w czasie przełączania sensorów następuje zawsze pewien schodek o wielkości zależnej od napięć na poszczególnych sensorach. Tutaj zaczynają się liczyć parametry op-ampa, takie jak szybkość stabilizacji czy maksymalna szybkość narastania napięcia na wyjściu układu.

    Na rysunku 4c zaprezentowano oscylogram napięcia wejściowego i wyjściowego z op-ampa OPA2810, po przyłożeniu doń skoku o 8 V. Układ pracuje jako bufor o wzmocnieniu jednostkowym dla wielu kanałów akwizycji, tak jak pokazano na rysunku 4b.

    Jakie są zalety stosowania op-ampów z wejściem JFET w szybkich układach?
    Rys.4. Wielokanałowy front-end dla sensorów z wieloma wolno stabilizującymi się wzmacniaczami operacyjnymi (a)l z pojedynczym OPA2810 z krótkim czasem stabilizacji; odpowiedź OPA2810 na przebieg schodkowy (c).


    Z powodu szybkich i dużych zmian napięcia na wejściu, wzmacniacz ograniczony jest maksymalną prędkością narastania napięcia wyjściowego. Przez to napięcie wyjściowe przestaje śledzić napięcie wejściowe i powstaje różnica napięć (VIN, DIff na wykresie), która osiąga do 7 V, jednakże szybko spada po tym, gdy napięcie na wejściu przestanie narastać i zamknie się pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego.

    Typowe wzmacniacze operacyjne osiągają VIN,Diff na poziomie 0,7 V-1,5 V, jeśli różnica napięć jest większa, to układ może nawet ulec uszkodzeniu. Aby zabezpieczyć układy te przed taką awarią, umieszcza się szeregowo z wejściami rezystory, których zadaniem jest ograniczenie prądu wejściowego, niestety formują one wraz z pojemnością wejściową układ RC, efektywnie redukując pasmo układu. OPA2810 pracować może z tak wysoką różnicą napięć bez zewnętrznych oporników zabezpieczających, dzięki zastosowaniu wewnętrznych ograniczników napięcia, które nie pogarszają parametrów układu.

    Dzięki szybkiej stabilizacji napięcia wyjściowego, szerokiemu pasmu pracy, niskiemu prądowi wejściowemu i opisanych powyżej zabezpieczeniom przed dużą różnicą napięcia na wejściu i wyjściu układu, OPA2810 idealnie nadaje się do stosowania w wielokanałowych, multipleksowanych systemach pomiarowych.

    Drivery przetworników analogowo-cyfrowych

    W większości z opisanych powyżej zastosowań wzmacniacze o dużej prędkości mogą zostać wykorzystane do sterowania przetwornikami ADC o sukcesywnej aproksymacji. Ponieważ przetworniki ADC tego rodzaju szybko przełączają swoją pojemność wewnętrzną podczas okresów próbkowania, należy wykorzystać taki wzmacniacz, który oferuje dostateczny prąd wyjściowy, aby sprostać obciążeniu wejściowemu przetwornika ADC.

    Aby uzyskać wysoką częstotliwość próbkowania, wejście ADC musi szybko się stabilizować z dokładnością do 0,5 LSB, zanim rozpocznie się digitalizacja wartości napięcia. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu wzmacniaczy operacyjnych o dużej szybkości ze względu na ich szersze pasmo i wynikające z tego wzmocnienie pętli oraz lepsze parametry stabilizacji napięcia wyjściowego. Układ OPA2810 stabilizuje się w granicach 0,001% wartości końcowej w czasie około 130 ns, dla skoku napięcia wejściowego o 10 V przy zasilaniu napięciem 24 V. Oscylogram takiego przebiegu pokazano na rysunku 5.

    Z uwagi względu na dużą szybkość zmiany napięcia oraz krótki czas stabilizacji, można użyć tego wzmacniacza do digitalizacji wielu sygnałów o niższej częstotliwości. Użycie wzmacniacza z wejściem JFET i relatywnie wysokim napięciem zasilania jako elementu wejściowego w torze przetwarzania analogowo-cyfrowego pozwala osiągnąć wyższy stosunek sygnału do szumu i zniekształceń (SINAD) w naszym pomiarze, jak i lepiej wykorzystać zakres dynamiki, jaki oferuje przetwornik ADC.

    Jakie są zalety stosowania op-ampów z wejściem JFET w szybkich układach?
    Rys.5. Oscylogram stanu przejściowego podczas odpowiedzi na wielkosygnałowy schodek napięcia.


    Podsumowanie

    Jak omówiono powyżej, wzmacniacze operacyjne z wejściem zbudowanym na tranzystorach JFET mają wiele zalet, szczególnie w aplikacjach wymagających dużej szybkości działania. Wynika to z ich rozlicznych zalet: wysokiej impedancji wejściowej, niskim zniekształceniom, szybkiej stabilizacji wejścia czy szerokiemu zakresowi napięć zasilania. Warto w tego rodzaju aplikacjach rozważyć wybranie op-ampa tego rodzaju, ale pamiętać też trzeba, że nie są to jedyne sytuacje, gdy układy z JFETem na wejściu doskonale się sprawdzają.

    Źródło: http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2018/06/19/what-are-the-advantages-of-using-jfet-input-amplifiers-in-high-speed-applications


    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
  • Relpol