Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Co trzeba wziąć pod uwagę podmieniając op-amp

ghost666 20 Dec 2021 15:11 1323 7
IGE-XAO
  • Jak dotąd napisano wiele artykułów o doborze wzmacniaczy operacyjnych do różnego rodzaju układów analogowych. Wiedza na ten temat jest oczywiście bardzo przydatna, wręcz kluczowa, podczas projektowania torów analogowych. Nie obejmuje ona, jednak na ogół informacji, jakie należy wziąć pod uwagę przy wymianie wzmacniacza operacyjnego w istniejącym projekcie. Wiele specyfikacji, które wyglądają na oczywiste, np. zakres napięcia w trybie wspólnym, zawiera niuanse łatwe do przeoczenia.

    Celem tego artykułu jest omówienie trzech kluczowych kwestii związanych z wymianą wzmacniacza operacyjnego ogólnego przeznaczenia lub precyzyjnego wzmacniacza operacyjnego ze sprzężeniem napięciowym. Te trzy rzeczy obejmują topologię stopnia wejściowego wzmacniacza operacyjnego, topologię stopnia wyjściowego i technologię procesu produkcji samego urządzenia półprzewodnikowego. Każdy z tych aspektów ma potencjalnie niezamierzone konsekwencje, które mogą wpłynąć na parametry systemu lub funkcjonalność wzmacniacza operacyjnego, ewentualnie na oba te czynniki w danym projekcie. Wpływ ten bywa czasami nieoczywisty, a wskazane parametry nie są — intuicyjnie — pierwszymi, jakie weźmie się pod uwagę w porównaniu.

    Na przykład topologia stopnia wyjściowego określa zakres amplitud wyjścia, ale może również rzutować na stabilność działania całego obwodu w zależności od impedancji wyjściowej w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego (Zo). Inne ważne kwestie dotyczące wymiany wzmacniacza operacyjnego, takie jak diody wejściowe w topologii back-to-back, dryf napięcia przesunięcia i dryft prądu polaryzacji wejściowej wykraczają poza zakres tego artykułu, ale zalecane jest również ich porównanie, które, jednakże jest o niebo prostsze, gdyż parametry te na ogół podane są liczbowo w karcie katalogowej obu elementów.

    Uwaga nr 1: Topologia stopnia wejściowego (Vos vs. Vcm)

    Dwie z najpopularniejszych topologii stopnia wejściowego wzmacniacza operacyjnego to tradycyjna para z jednym wejściem i para komplementarnych wejść, jak pokazano na rysunku 1. Rysunek 1a przedstawia stopień wejściowy składający się z pojedynczej pary tranzystorów NPN. Taka topologia zazwyczaj charakteryzuje się zakresem napięć wejściowych w trybie wspólnym, który obejmuje ujemne napięcie zasilania, ale może rozciągać się tylko do około 1V lub 2V poniżej dodatniego napięcia zasilania. W zamian za to niedociągnięcie, wzmacniacze operacyjne z tylko jedną parą tranzystorów stopnia wejściowego mają względnie stałe napięcie przesunięcia (offset), ponieważ tranzystory są z natury dobrze dopasowane do siebie, np. termicznie.

    Co trzeba wziąć pod uwagę podmieniając op-amp
    Rys.1. Pojedyncza para tranzystorów PNP (a) i wejściowa para komplementarna (b) to wspólne topologie stopnia wejściowego wzmacniacza operacyjnego.


    Oprócz zmniejszonego zakresu napięcia wspólnego w sprzętach z takim stopniem wejściowym, urządzenia te mogą cierpieć z powodu odwrócenia fazy, które występuje w pewnych wzmacniaczach operacyjnych, gdy wejściowe napięcie przekracza liniowy zakres wejściowy w trybie wspólnym. Podczas odwrócenia fazy napięcie wyjściowe przechodzi na przeciwną szynę. Chociaż istnieją techniki stosowane na poziomie płytki, aby temu zapobiec, można również posłużyć się prostszym rozwiązaniem: stopniem wejściowym w postaci pary komplementarnej (rysunek 1b).

    Ta topologia ma jedną parę tranzystorów półprzewodników metal-tlenek (NMOS) z kanałem typu N — są one aktywne, gdy napięcie w trybie wspólnym jest zbliżone do dodatniego napięcia zasilania; oraz jedną parę tranzystorów półprzewodników metal-tlenek (PMOS) z kanałem typu P (aktywnych, gdy napięcie w trybie wspólnym jest zbliżone do ujemnego napięcia zasilania). Ta topologia chroni przed odwróceniem fazy i rozszerza obszar napięcia wspólnego na cały zakres napięcia zasilającego stopień wejściowy układu.

    Chociaż ta topologia rozszerza wejściowy zakres napięć we współbieżnych, przełączanie między parami tranzystorów PMOS i NMOS tworzy pewien wąski: „region przejściowy” napięcia przesunięcia, jak pokazano na rysunku 2. Napięcie współbieżne, dla którego występuje to przejście oraz wielkość napięcia offsetu będzie zależeć od konstrukcji i technologii przetwarzania wzmacniacza operacyjnego. Urządzenia, które mają duże zmiany napięcia przesunięcia nie są przeważnie podejrzewane o posiadanie wejścia typu rail-to-rail (RRI). Jednak urządzenia z dobrze dobranymi parami tranzystorów stopnia wejściowego, technikami korekcji cyfrowej lub dostrajaniem przesunięcia, zwykle charakteryzuje wejście rail-to-rail. Specyfikacje inne, niż napięcie niezrównoważenia — takie jak współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego, szerokość pasma, poziom szumu, szybkość narastania i wzmocnienie w otwartej pętli — przeciętnie mają obniżone wartości w obszarze działania tranzystorów NMOS.

    Co trzeba wziąć pod uwagę podmieniając op-amp
    Rys.2. Pojedyncza para tranzystorów PNP (a) i wejściowa para komplementarna (b) to wspólne topologie stopnia wejściowego wzmacniacza operacyjnego.


    Jedną z topologii, o której warto wspomnieć jest wzmacniacz o zerowym obszarze przejściowym. Wzmacniacze takie wykorzystują wewnętrzną pompę ładunku i mają tylko jedną parę tranzystorów stopnia wejściowego. Pompa ładująca wewnętrznie zwiększa napięcie zasilania urządzenia, na przykład o 1,8V, co zapewnia liniową pracę pary tranzystorów stopnia wejściowego w całym zakresie napięcia zasilania (RRI) i bez występowania obszaru przejścia napięcia wejściowego z przesunięciem (patrz rysunek 3).

    Co trzeba wziąć pod uwagę podmieniając op-amp
    Rys.3. Wzmacniacz operacyjny ze zwrotnicą zerową wykorzystuje wewnętrzną pompę ładunkową i ma jedną parę tranzystorów stopnia wejściowego.


    Podsumowując, podczas wymiany wzmacniacza operacyjnego należy upewnić się, że zarówno zakres napięcia współbieżnego, jak i topologia stopnia wejściowego są kompatybilne z oryginalnym urządzeniem wybranym do działania w systemie.

    Uwaga nr 2: Stopień wyjściowy (Zo)

    Drugim ważnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę przy wymianie wzmacniacza operacyjnego jest Zo — impedancja wyjściowa układu. Staje się to szczególnie ważne, podczas sterowania obciążenia pojemnościowego, ponieważ Zo i obciążenie tworzą biegun na krzywej wzmocnienia pętli wzmacniacza operacyjnego. Biegun ten może powodować problemy ze stabilnością układu, dodając opóźnienie w ścieżce sprzężenia zwrotnego, zmniejszając w ten sposób margines fazowy obwodu.

    Jednym z najczęstszych rozwiązań stabilizowania obciążenia pojemnościowego jest umieszczenie rezystora izolującego Riso pomiędzy obciążeniem a obwodem wzmacniacza operacyjnego. Riso kompensuje powstający biegun, tworząc zero w funkcji przenoszenia. Umiejscowienie zera (a tym samym wartości Riso) zależy, jednak od Zo. Dlatego ważne jest, aby zrozumieć nie tylko wielkość Zo, ale także to, jak zmienia się wraz z częstotliwością. Rysunek 4 przedstawia różne krzywe Zo, aby zilustrować tę koncepcję dla różnych op-ampów.

    Co trzeba wziąć pod uwagę podmieniając op-amp
    Rys.4. Wzmacniacze operacyjne pokazują różne krzywe Zo.


    Jeśli zastępczy wzmacniacz operacyjny ma inny stopień wyjściowy — a tym samym inną krzywą Zo — może być konieczne dostosowanie składowych kompensacji. Uruchamianie symulacji, np. w PSpice jest stosunkowo szybkim i łatwym sposobem sprawdzenia marginesu fazy projektu i dostosowania wartości komponentów do nowego wzmacniacza operacyjnego, jeśli jest to konieczne. Należy pamiętać, aby zmierzyć przeregulowanie małego sygnału w fizycznym układzie, aby zweryfikować wyniki symulacji i wiarygodność projektu w warunkach rzeczywistych.

    Uwaga nr 3: Technologia produkcji (bipolarna vs. CMOS)

    Technologia procesowa produkcji układu scalonego wpływa na wiele specyfikacji wzmacniacza operacyjnego, w tym na napięcie niezrównoważenia, dryft, zakresy wahań napięcia współbieżnego i wyjściowego, krzywą napięcia wyjściowego w funkcji prądu wyjściowego, szum i prąd polaryzacji wejścia op-ampa. Zagłębienie się we wszystkie te schematy wykracza poza zakres tego krótkiego artykułu, ale kilka podstawowych specyfikacji wynikających z procesu produkcji, to m.in. prąd polaryzacji wejścia wzmacniacza i szum układu (gęstość spektralna szumu).

    Wzmacniacze bipolarne, a przynajmniej wzmacniacze operacyjne z bipolarnymi stopniami wejściowymi tranzystora mają stosunkowo duży prąd polaryzacji wejściowej op-ampa w porównaniu ze wzmacniaczami z komplementarnymi półprzewodnikami z warstwą dielektryczną z tlenku (CMOS). Dzieje się tak, ponieważ wejściowy prąd polaryzacji dwubiegunowych wzmacniaczy operacyjnych stopnia wejściowego zależy od wielkości prądu bazy tranzystora, który zwykle mieści się w zakresie nanoamperów.

    Chociaż istnieją techniki zmniejszania wejściowego prądu polaryzacji we wzmacniaczach bipolarnych — na przykład kasowanie wejściowego prądu polaryzacji — wzmacniacze CMOS mają znacznie mniejsze wejściowe prądy polaryzacji, które zwykle mieszczą się w zakresie pikoamperów, a nawet femtoamperów. Wynika to z faktu, że w takich układach prąd polaryzacji wejścia wzmacniacza jest skutkiem upływu prądu przez diody zabezpieczające przed wyładowaniami elektrostatycznymi na wejściu układu. Specyfikacja wejściowego prądu polaryzacji jest szczególnie ważna w zastosowaniach, w których w sieci sprzężenia zwrotnego występują duże rezystory oraz przy połączeniu ze źródłami sygnału o bardzo wysokiej impedancji, takiej, jak niektóre sensory itp. Należy być, więc ostrożnym, jeśli w jednej z tego rodzaju aplikacji wymienia się wzmacniacz z wejściem CMOS na wzmacniacz z wejściem wykonanym w technologii bipolarnej.

    Oprócz wejściowego prądu polaryzacji należy wziąć pod uwagę krzywą gęstości widmowej szumów napięciowych na wyjściu danego wzmacniacza operacyjnego, podczas wymiany tego rodzaju elementu na inny model. Krzywa typowo przedstawia szum w nanowoltach na pierwiastek kwadratowy z herca w funkcji częstotliwości. Istnieją dwa główne obszary tej krzywej: region 1/f i region szerokopasmowy. Obszar 1/f reprezentuje składnik szumu o niskiej częstotliwości, który maleje wraz ze wzrostem częstotliwości — tak zwany szum różowy lub właśnie 1/f. Region szerokopasmowy to szum o wyższej częstotliwości, który zazwyczaj jest stały w funkcji częstotliwości — posiada nieskończone płaskie widmo — jest to szum biały. Załomek szumów 1/f to miejsce, w którym region 1/f przechodzi w obszar szerokopasmowy. Jest to parametr często uważany za kluczową wartość ilościową wykorzystywaną przy porównywaniu parametrów szumów wzmacniacza operacyjnego. Ogólnie rzecz biorąc, wzmacniacze bipolarne mają załomki szumu 1/f przy niższej częstotliwości, niż wzmacniacze wykonane w technologii CMOS. Rysunek 5 obrazuje krzywe gęstości widmowej szumów napięcia wejściowego dla wzmacniacza bipolarnego oraz CMOS.

    Co trzeba wziąć pod uwagę podmieniając op-amp
    Rys.5. Przedstawiono porównanie gęstości widmowej szumów napięcia wejściowego dla wzmacniaczy bipolarnych, jak i CMOS.


    Podczas podmiany wzmacniacza operacyjnego należy mieć również na względzie wpływ szumu i pasma elementu szerokopasmowego. Na przykład wydaje się logiczne, że można łatwo zastąpić wzmacniacz operacyjny o gęstości szumów 6 nV/√Hz i pasmie 10 MHz na wzmacniacz operacyjny o analogicznych parametrach równych 3 nV/√Hz i 50 MHz. Jeśli, jednak konstrukcja nie ma zewnętrznego filtrowania sygnału — na przykład w postaci filtra RC na wyjściu — wzmacniacz operacyjny o niższym poziomie szumów i szerszym paśmie w rzeczywistości generuje więcej szumów na wyjściu, niż wzmacniacz operacyjny o wyższym poziomie szumów i mniejszej szerokości pasma.

    Inne istotne kwestie

    Przy każdej podmianie wzmacniacza operacyjnego należy brać poprawkę na coś więcej niż tylko napięcie zasilania, obudowę i pinout. Na przykład, chociaż dwa urządzenia mogą mieć ten sam zakres napięcia w trybie współbieżnym, to mogą mieć różne konstrukcje stopni wejściowych. W zależności od oryginalnego i zastępczego wzmacniacza operacyjnego może to wprowadzić sygnał w obszar przejściowy, który powoduje pogarszanie parametrów toru sygnałowego, gdy sygnał wejściowy zbliża się do dodatniego napięcia zasilania.

    Podobnie dwa wzmacniacze operacyjne mogą mieć ten sam zakres napięć wejściowych, ale bardzo różne wykresy impedancji wyjściowej w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego. W takich przypadkach należy przeprowadzić symulację działania projektu, aby zapewnić wystarczający margines fazy dla systemu pozwalający zachować jego stabilność.

    Następnie zastąpienie wzmacniaczy operacyjnych wyprodukowanych w technologii CMOS elementami bipolarnymi (lub odwrotnie) ma wiele implikacji. Dwie z nich to prąd polaryzacji wejścia i spektralna gęstość szumu elementu. Jeśli oryginalna konstrukcja ma duże rezystory w sieci sprzężenia zwrotnego, interfejsy ze źródłem sygnału o wysokiej impedancji lub oba te elementy, trzeba porównać wykresy prądu polaryzacji wejściowej.

    Na koniec należy zachować ostrożność, podczas porównywania specyfikacji wydajności szumów wzmacniacza operacyjnego w połączeniu z jego pasmem. Tylko dlatego, że wzmacniacz operacyjny ma próg szumu o niższej częstotliwości 1/f lub niższy szum szerokopasmowy, nie musi oznaczać, że wnosi mniej szumów do ścieżki sygnału. Każdorazowa taka zmiana wymaga powtórzenia kompletnej analizy zakłóceń w systemie.

    Źródło: https://www.planetanalog.com/three-major-considerations-when-replacing-an-op-amp/#

    Cool? Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11100 posts with rating 9413, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • IGE-XAO
  • IGE-XAO
  • #3
    ghost666
    Translator, editor
    yogi009 wrote:
    Jest jeszcze kilka parametrów, o których warto wspomnieć. Na przykład gdyby zapytać o tzw. Slew Rate, to obawiam się o praktyczną wiedzę.


    A co dokładnie kolega by chciał wiedzieć o predkości narastania/opadania?
  • #5
    ghost666
    Translator, editor
    yogi009 wrote:
    Na przykład kryteria wyboru wartości takiego parametru w zależności od rodzaju aplikacji. Myślę, że to jest przydatna wiedza praktyczna.


    Trochę pisałem o tym tutaj: https://www.elektroda.pl/rtvforum/viewtopic.php?p=12697521#12697521, https://www.elektroda.pl/rtvforum/viewtopic.php?p=15802868 czy https://www.elektroda.pl/rtvforum/viewtopic.php?p=17193573 i w innych tematach...
  • #6
    ilmenauer
    Level 14  
    Zadanie inżynierskie jest nie do końca jasne. Podmieniamy wzmacniacz op w jakimś prototypie czy w układzie produkowanym seryjnie?
    Czy zmiana elementów pasywnych wokół op jest dozwolona?
    Od conajmniej roku temat jest bardzo realistyczny ze względu na kłopoty z zaopatrzeniem w półprzewodniki.
    Z mojego doświadczenia wynika, że prościej jest zdefiniować parametry, które nie są krytyczne, bo jest ich mniej niż krytycznych.
    O ile wybór pierwotnego wzmacniacza jest zwykle kompromisem bo: szumy, narastanie, pasmo... to zamiennik jest naprawdę znajdowany z zacisniętymi zębami, abstrachując zupełnie od ceny.
    Przykładowo, na skutek wyboru zamiennika jedziemy do góry z szumami, żeby zachować pozostałe parametry układu. Noty katalogowe są fajne ale trzeba patrzeć co się da kupić.
  • #7
    yogi009
    Level 43  
    ilmenauer wrote:
    O ile wybór pierwotnego wzmacniacza jest zwykle kompromisem bo: szumy, narastanie, pasmo... to zamiennik jest naprawdę znajdowany z zacisniętymi zębami, abstrachując zupełnie od ceny.


    To zdanie powinno być wydrukowane złotą czcionką.