Pytanie: Po co płacić więcej, skoro wzmacniacz różnicowy można zestawić samodzielnie z elementów dyskretnych?
Odpowiedź: Klasyczny dyskretny wzmacniacz różnicowy jest dość prostym układem. A co może być skomplikowane w przypadku wzmacniacza operacyjnego i układu czterech rezystorów? Okazuje się, że całkiem sporo.
Parametry takiego obwodu zestawionego z elementów dyskretnych mogą być istotnie gorsze niż chcieliby jego projektanci. W oparciu o rzeczywiste parametry układu, artykuł ten pokazuje niektóre wady i problemy napotykane w przypadku wykorzystania dyskretnych rezystorów, w tym trudności z uzyskaniem zarówno dostatecznie wysokiej dokładności wzmocnienia, niskiego dryftu wzmocnienia i offsetu, jak i wysokiego współczynnika odrzucenia sygnału współbieżnego.
Klasyczny wzmacniacz różnicowy z czterema rezystorami pokazany jest na rysunku 1.
Funkcja przejścia takiego układu opisana jest równaniem:
$$V_{OUT} = frac {R_4} {R_3 + R_4} times frac {R1 + R_2} {R_1} times V_2 - frac {R_2} {R_1} times V_1 qquad (1)$$
Jeżeli R1 = R3 oraz R2 = R4, to równanie 1 upraszcza się do następującego równania:
$$V_{OUT} frac {R_2} { R_1} times (V_2 - V_1) qquad (2)$$
Uproszczenie to może być łatwym sposobem na przybliżenie oczekiwanego sygnału, ale oporniki te nigdy nie są dokładnie takiej samej wartości - wynika to m.in. z ich rozrzutów produkcyjnych itp. Ponadto rezystory takie mają zwykle niską dokładność i wysoki współczynnik temperaturowy, co powoduje znaczne błędy w obwodzie pracującym np. w warunkach zmieniającej się temperatury.
Na przykład, stosując dobrej klasy wzmacniacz operacyjny i standardowe rezystory o tolerancji 1%, i współczynniku temperaturowym równym 100 ppm/°C, początkowy błąd wzmocnienia może wynosić do 2% i może zmieniać się w funkcji temperatury z nachyleniem do 200 ppm/°C. Jednym z rozwiązań tego problemu byłoby użycie układu rezystorów monolitycznych do precyzyjnego ustawienia wzmocnienia, ale są one duże i trudne w implementacji na PCB, a także wyjątkowo drogie.
Oprócz niskiej dokładności i znacznego przesunięcia wzmocnienia w funkcji temperatury, większość wzmacniaczy różnicowych, zbudowanych z elementów dyskretnych charakteryzuje się słabym CMRR – współczynnikiem odrzucenia wpływu napięcia współbieżnego i zakresem napięcia wejściowego mniejszym niż napięcie zasilania op-ampa. Monolityczne wzmacniacze pomiarowe (tzw. wzmacniacze instrumentalne) także będą charakteryzowały się pewnym dryfem wzmocnienia, ponieważ wewnętrzna sieć rezystorów przedwzmacniaczy nie jest zgodna z zewnętrznym rezystorem ustawienia wzmocnienia idącym do pinu RG.
Najlepszym rozwiązaniem wszystkich tych problemów jest zastosowanie wzmacniacza różnicowego z wewnętrznymi rezystorami do ustawiania wzmocnienia, takiego jak na przykład AD8271. Zazwyczaj produkty tej klasy składają się z bardzo precyzyjnego wzmacniacza operacyjnego o niskim poziomie zniekształceń i kilku wewnętrznych rezystorów, które są trymowane laserowo, do uzyskania wysokiej precyzji rezystancji. Rezystory te można łączyć ze sobą w celu stworzenia szerokiej gamy konfiguracji wzmacniaczy, w tym konfiguracji różnicowej, nieodwracającej i odwracającej. Rezystory w układzie scalonym można łączyć ze sobą równolegle, aby uzyskać szerszy zakres opcji rezystancji. Zastosowanie oporników w układzie scalonym zapewnia projektantowi kilka zalet w porównaniu z konstrukcją dyskretną.
Większość istotnych parametrów stałoprądowych obwodów wzmacniacza operacyjnego zależy od dokładności otaczających go rezystorów. Oporniki wewnętrzne układu są bardzo precyzyjne; są przycinane laserowo i testowane pod kątem ich dokładności dopasowania do układu. Z tego powodu istnieje gwarancja wysokiej dokładności dla parametrów, takich jak dryft wzmocnienia, CMRR czy błąd wzmocnienia. Obwód na rysunku 1, gdy jest zintegrowany w układzie scalonym, może zapewnić dokładność wzmocnienia nie gorszą niż 0,1% przy jego dryfcie termicznym mniejszym niż 10 ppm/°C, jak pokazano na rysunku 2.
Rys.2. Porównanie błędu wzmocnienia w funkcji temperatury dla AD8271 (pomarańczowa kreska) w porównaniu z rozwiązaniem dyskretnym (niebieska kreska).
Parametry zmiennoprądowe
Rozmiar obwodu jest znacznie mniejszy w układzie scalonym niż na płytce drukowanej (PCB), więc wielkości pasożytnicze (indukcyjność, pojemność, itp.) są również mniejsze. Dlatego też elementy scalone osiągają lepsze parametry dynamiczne. Wejścia odwracające i nieodwracające wzmacniacza operacyjnego w AD8271 celowo nie są wyprowadzane poza obudowę układu scalonego. Nie łącząc tych węzłów ze ścieżkami na płytce drukowanej, związane z nimi pojemności pasożytnicze pozostają niskie, co powoduje zarówno lepszą stabilność pętli, jak i poprawienie charakterystyki odrzucenia napięcia współbieżnego w funkcji częstotliwości. Porównanie tych wartości zaprezentowane jest na rysunku 3.
Rys.3. Współczynnik odrzucenia sygnału współbieżnego w funkcji częstotliwości dla AD8271 (pomarańczowa kreska) i dla rozwiązania dyskretnego (niebieska kreska).
Ważną cechą wzmacniacza różnicowego jest wysoki stopień odrzucania sygnałów wspólnych dla obu wejść układu. Odnosząc się do rysunku 1: jeśli rezystory R1 do R4 nie są idealnie do siebie dopasowane (lub jeśli R1, R2 i R3, R4 nie są do siebie dopasowane, gdy wzmocnienie jest większe niż 1), część napięcia współbieżnego zostanie wzmocniona przez wzmacniacz różnicowy i pojawi się na wyjściu układu jako różnica między napięciami V1 i V2; sygnału tego nie można odróżnić od rzeczywistego sygnału różnicowego.
Zdolność wzmacniacza różnicowego do odrzucenia tego napięcia nazywa się współczynnikiem odrzucenia napięcia współbieżnego. Można go wyrazić jako prosty współczynnik odrzucenia w trybie wspólnym (CMRR) lub przeliczyć na decybele (dB). W przypadku rozwiązania dyskretnego rezystory te nie są nigdy tak dobrze dopasowane jak laserowo przycięte oporniki w zintegrowanym rozwiązaniu, co widać na wykresie napięcia wyjściowego w funkcji napięcia współbieżnego, na rysunku 4.
Rys.4. Napięcie wyjściowe w funkcji napięcia współbieżnego dla AD8271 (pomarańczowa kreska) i rozwiązania dyskretnego (niebieska kreska).
Zakładając idealny wzmacniacz operacyjny, współczynnik odrzucenia napięcia współbieżnego (CMRR) we wzmacniaczu różnicowym, opisać można równaniem:
$$CMRR cong frac {A_d + 1} {4 time t} qquad(3)$$
gdzie Ad jest wzmocnieniem wzmacniacza różnicowego, a t jest tolerancją rezystora. Zatem, przy wzmocnieniu równym jedności i opornikach o tolerancji 1%, CMRR wynosi 50 V/V lub około 34 dB; przy rezystorach 0,1% CMRR wzrasta do 54 dB. Nawet biorąc pod uwagę doskonały wzmacniacz operacyjny z nieskończonym tłumieniem napięcia współbieżnego, CMRR jest ograniczona przez dopasowanie rezystorów otaczających układ. Dodatkowo, niektóre tańsze wzmacniacze operacyjne mają CMRR w zakresie od 60 dB do 70 dB, co dodatkowo pogarsza błędy.
Precyzyjne rezystory o małej tolerancji wartości oporu
Podczas gdy wzmacniacze zwykle działają dobrze w określonym zakresie temperatur roboczych, to z opornikami jest już inaczej. Koniecznie należy wziąć pod uwagę ich współczynnik temperaturowy, przy korzystaniu z zewnętrznych dyskretnych rezystorów. W przypadku wzmacniacza ze zintegrowanymi opornikami, elementy te można można przycinać i dopasowywać do układu. Układ scalony zwykle ma rezystory blisko siebie tak, że wszystkie dryfują razem, zmniejszając w ten sposób współczynnik przesunięcia wynikający z temperatury. W przypadku dyskretnym rezystory są rozmieszczone dalej od układu i od siebie na płytce drukowanej, a co za tym idzie, nie są tak ściśle sprzężone termicznie jak te zintegrowane w obudowie układu scalonego. Powoduje to pogorszenie parametrów układu w funkcji temperatury. Porównanie offsetu napięciowego dla wersji dyskretnej i scalonej wzmacniacza różnicowego pokazano na rysunku 5. Widoczna jest istotna różnica w zakresie zmian napięcia offsetu w funkcji temperatury dla wersji dyskretnej.
Rys.5. Przesunięcie systemu w funkcji temperatury dla AD8271 (kreska pomarańczowa) w porównaniu z rozwiązaniem dyskretnym (kreska niebieska).
Wzmacniacze różnicowe wykonane z op-ampa i czterech oporników - dyskretne jak i monolityczne - są szeroko stosowane w elektronice w wielu aplikacjach. Dzięki wykorzystaniu tylko jednej części (układu scalonego ze wzmacniaczem pomiarowym), a nie kilku dyskretnych komponentów umieszczonych na płytce drukowanej, PCB można szybciej zaprojektować, redukując jej wielkość i poziom skomplikowania, a jednocześnie osiągając wyższe parametry toru sygnałowego.
Aby uzyskać solidną konstrukcję o dobrych parametrach, lepiej sięgnąć po rozwiązanie scalone. Układy takie oferują niższy poziom szumów, większy zakres napięć wejściowych oraz CMRR na poziomie 80 dB lub więcej. Wszystkie rezystory w układzie scalonym są wytwarzane z tego samego materiału o niskim dryfie, co oporniki w samym op-ampie, więc ich stosunek dopasowania do temperatury jest taki sam, co dodatkowo poprawia parametry projektowe systemu.
Wniosek
Łatwo jest dostrzec istotne różnice między wzmacniaczami różnicowymi z wewnętrznymi opornikami do ustawiania wzmocnienia a rozwiązaniami wzmacniaczy tego typu zestawionymi z elementów dyskretnych. Różnią się one parametrami, takimi jak dokładność i dryf wzmocnienia – na korzyść w pełni scalonych wzmacniaczy. Układy z wewnętrznymi, precyzyjnie dobranymi opornikami, oferują także wyższy współczynnik odrzucenia wpływu napięcia współbieżnego (CMRR) w sygnale wejściowym, co jest istotne dla elementów różnicowych.
Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-165.html
Odpowiedź: Klasyczny dyskretny wzmacniacz różnicowy jest dość prostym układem. A co może być skomplikowane w przypadku wzmacniacza operacyjnego i układu czterech rezystorów? Okazuje się, że całkiem sporo.
Parametry takiego obwodu zestawionego z elementów dyskretnych mogą być istotnie gorsze niż chcieliby jego projektanci. W oparciu o rzeczywiste parametry układu, artykuł ten pokazuje niektóre wady i problemy napotykane w przypadku wykorzystania dyskretnych rezystorów, w tym trudności z uzyskaniem zarówno dostatecznie wysokiej dokładności wzmocnienia, niskiego dryftu wzmocnienia i offsetu, jak i wysokiego współczynnika odrzucenia sygnału współbieżnego.
Klasyczny wzmacniacz różnicowy z czterema rezystorami pokazany jest na rysunku 1.
Funkcja przejścia takiego układu opisana jest równaniem:
$$V_{OUT} = frac {R_4} {R_3 + R_4} times frac {R1 + R_2} {R_1} times V_2 - frac {R_2} {R_1} times V_1 qquad (1)$$
Jeżeli R1 = R3 oraz R2 = R4, to równanie 1 upraszcza się do następującego równania:
$$V_{OUT} frac {R_2} { R_1} times (V_2 - V_1) qquad (2)$$
Uproszczenie to może być łatwym sposobem na przybliżenie oczekiwanego sygnału, ale oporniki te nigdy nie są dokładnie takiej samej wartości - wynika to m.in. z ich rozrzutów produkcyjnych itp. Ponadto rezystory takie mają zwykle niską dokładność i wysoki współczynnik temperaturowy, co powoduje znaczne błędy w obwodzie pracującym np. w warunkach zmieniającej się temperatury.
Na przykład, stosując dobrej klasy wzmacniacz operacyjny i standardowe rezystory o tolerancji 1%, i współczynniku temperaturowym równym 100 ppm/°C, początkowy błąd wzmocnienia może wynosić do 2% i może zmieniać się w funkcji temperatury z nachyleniem do 200 ppm/°C. Jednym z rozwiązań tego problemu byłoby użycie układu rezystorów monolitycznych do precyzyjnego ustawienia wzmocnienia, ale są one duże i trudne w implementacji na PCB, a także wyjątkowo drogie.
Oprócz niskiej dokładności i znacznego przesunięcia wzmocnienia w funkcji temperatury, większość wzmacniaczy różnicowych, zbudowanych z elementów dyskretnych charakteryzuje się słabym CMRR – współczynnikiem odrzucenia wpływu napięcia współbieżnego i zakresem napięcia wejściowego mniejszym niż napięcie zasilania op-ampa. Monolityczne wzmacniacze pomiarowe (tzw. wzmacniacze instrumentalne) także będą charakteryzowały się pewnym dryfem wzmocnienia, ponieważ wewnętrzna sieć rezystorów przedwzmacniaczy nie jest zgodna z zewnętrznym rezystorem ustawienia wzmocnienia idącym do pinu RG.
Najlepszym rozwiązaniem wszystkich tych problemów jest zastosowanie wzmacniacza różnicowego z wewnętrznymi rezystorami do ustawiania wzmocnienia, takiego jak na przykład AD8271. Zazwyczaj produkty tej klasy składają się z bardzo precyzyjnego wzmacniacza operacyjnego o niskim poziomie zniekształceń i kilku wewnętrznych rezystorów, które są trymowane laserowo, do uzyskania wysokiej precyzji rezystancji. Rezystory te można łączyć ze sobą w celu stworzenia szerokiej gamy konfiguracji wzmacniaczy, w tym konfiguracji różnicowej, nieodwracającej i odwracającej. Rezystory w układzie scalonym można łączyć ze sobą równolegle, aby uzyskać szerszy zakres opcji rezystancji. Zastosowanie oporników w układzie scalonym zapewnia projektantowi kilka zalet w porównaniu z konstrukcją dyskretną.
Większość istotnych parametrów stałoprądowych obwodów wzmacniacza operacyjnego zależy od dokładności otaczających go rezystorów. Oporniki wewnętrzne układu są bardzo precyzyjne; są przycinane laserowo i testowane pod kątem ich dokładności dopasowania do układu. Z tego powodu istnieje gwarancja wysokiej dokładności dla parametrów, takich jak dryft wzmocnienia, CMRR czy błąd wzmocnienia. Obwód na rysunku 1, gdy jest zintegrowany w układzie scalonym, może zapewnić dokładność wzmocnienia nie gorszą niż 0,1% przy jego dryfcie termicznym mniejszym niż 10 ppm/°C, jak pokazano na rysunku 2.
Rys.2. Porównanie błędu wzmocnienia w funkcji temperatury dla AD8271 (pomarańczowa kreska) w porównaniu z rozwiązaniem dyskretnym (niebieska kreska).
Parametry zmiennoprądowe
Rozmiar obwodu jest znacznie mniejszy w układzie scalonym niż na płytce drukowanej (PCB), więc wielkości pasożytnicze (indukcyjność, pojemność, itp.) są również mniejsze. Dlatego też elementy scalone osiągają lepsze parametry dynamiczne. Wejścia odwracające i nieodwracające wzmacniacza operacyjnego w AD8271 celowo nie są wyprowadzane poza obudowę układu scalonego. Nie łącząc tych węzłów ze ścieżkami na płytce drukowanej, związane z nimi pojemności pasożytnicze pozostają niskie, co powoduje zarówno lepszą stabilność pętli, jak i poprawienie charakterystyki odrzucenia napięcia współbieżnego w funkcji częstotliwości. Porównanie tych wartości zaprezentowane jest na rysunku 3.
Rys.3. Współczynnik odrzucenia sygnału współbieżnego w funkcji częstotliwości dla AD8271 (pomarańczowa kreska) i dla rozwiązania dyskretnego (niebieska kreska).
Ważną cechą wzmacniacza różnicowego jest wysoki stopień odrzucania sygnałów wspólnych dla obu wejść układu. Odnosząc się do rysunku 1: jeśli rezystory R1 do R4 nie są idealnie do siebie dopasowane (lub jeśli R1, R2 i R3, R4 nie są do siebie dopasowane, gdy wzmocnienie jest większe niż 1), część napięcia współbieżnego zostanie wzmocniona przez wzmacniacz różnicowy i pojawi się na wyjściu układu jako różnica między napięciami V1 i V2; sygnału tego nie można odróżnić od rzeczywistego sygnału różnicowego.
Zdolność wzmacniacza różnicowego do odrzucenia tego napięcia nazywa się współczynnikiem odrzucenia napięcia współbieżnego. Można go wyrazić jako prosty współczynnik odrzucenia w trybie wspólnym (CMRR) lub przeliczyć na decybele (dB). W przypadku rozwiązania dyskretnego rezystory te nie są nigdy tak dobrze dopasowane jak laserowo przycięte oporniki w zintegrowanym rozwiązaniu, co widać na wykresie napięcia wyjściowego w funkcji napięcia współbieżnego, na rysunku 4.
Rys.4. Napięcie wyjściowe w funkcji napięcia współbieżnego dla AD8271 (pomarańczowa kreska) i rozwiązania dyskretnego (niebieska kreska).
Zakładając idealny wzmacniacz operacyjny, współczynnik odrzucenia napięcia współbieżnego (CMRR) we wzmacniaczu różnicowym, opisać można równaniem:
$$CMRR cong frac {A_d + 1} {4 time t} qquad(3)$$
gdzie Ad jest wzmocnieniem wzmacniacza różnicowego, a t jest tolerancją rezystora. Zatem, przy wzmocnieniu równym jedności i opornikach o tolerancji 1%, CMRR wynosi 50 V/V lub około 34 dB; przy rezystorach 0,1% CMRR wzrasta do 54 dB. Nawet biorąc pod uwagę doskonały wzmacniacz operacyjny z nieskończonym tłumieniem napięcia współbieżnego, CMRR jest ograniczona przez dopasowanie rezystorów otaczających układ. Dodatkowo, niektóre tańsze wzmacniacze operacyjne mają CMRR w zakresie od 60 dB do 70 dB, co dodatkowo pogarsza błędy.
Precyzyjne rezystory o małej tolerancji wartości oporu
Podczas gdy wzmacniacze zwykle działają dobrze w określonym zakresie temperatur roboczych, to z opornikami jest już inaczej. Koniecznie należy wziąć pod uwagę ich współczynnik temperaturowy, przy korzystaniu z zewnętrznych dyskretnych rezystorów. W przypadku wzmacniacza ze zintegrowanymi opornikami, elementy te można można przycinać i dopasowywać do układu. Układ scalony zwykle ma rezystory blisko siebie tak, że wszystkie dryfują razem, zmniejszając w ten sposób współczynnik przesunięcia wynikający z temperatury. W przypadku dyskretnym rezystory są rozmieszczone dalej od układu i od siebie na płytce drukowanej, a co za tym idzie, nie są tak ściśle sprzężone termicznie jak te zintegrowane w obudowie układu scalonego. Powoduje to pogorszenie parametrów układu w funkcji temperatury. Porównanie offsetu napięciowego dla wersji dyskretnej i scalonej wzmacniacza różnicowego pokazano na rysunku 5. Widoczna jest istotna różnica w zakresie zmian napięcia offsetu w funkcji temperatury dla wersji dyskretnej.
Rys.5. Przesunięcie systemu w funkcji temperatury dla AD8271 (kreska pomarańczowa) w porównaniu z rozwiązaniem dyskretnym (kreska niebieska).
Wzmacniacze różnicowe wykonane z op-ampa i czterech oporników - dyskretne jak i monolityczne - są szeroko stosowane w elektronice w wielu aplikacjach. Dzięki wykorzystaniu tylko jednej części (układu scalonego ze wzmacniaczem pomiarowym), a nie kilku dyskretnych komponentów umieszczonych na płytce drukowanej, PCB można szybciej zaprojektować, redukując jej wielkość i poziom skomplikowania, a jednocześnie osiągając wyższe parametry toru sygnałowego.
Aby uzyskać solidną konstrukcję o dobrych parametrach, lepiej sięgnąć po rozwiązanie scalone. Układy takie oferują niższy poziom szumów, większy zakres napięć wejściowych oraz CMRR na poziomie 80 dB lub więcej. Wszystkie rezystory w układzie scalonym są wytwarzane z tego samego materiału o niskim dryfie, co oporniki w samym op-ampie, więc ich stosunek dopasowania do temperatury jest taki sam, co dodatkowo poprawia parametry projektowe systemu.
Wniosek
Łatwo jest dostrzec istotne różnice między wzmacniaczami różnicowymi z wewnętrznymi opornikami do ustawiania wzmocnienia a rozwiązaniami wzmacniaczy tego typu zestawionymi z elementów dyskretnych. Różnią się one parametrami, takimi jak dokładność i dryf wzmocnienia – na korzyść w pełni scalonych wzmacniaczy. Układy z wewnętrznymi, precyzyjnie dobranymi opornikami, oferują także wyższy współczynnik odrzucenia wpływu napięcia współbieżnego (CMRR) w sygnale wejściowym, co jest istotne dla elementów różnicowych.
Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-165.html
Fajne? Ranking DIY
