Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

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

Op-amp - To zwykły trójkąt, czy co?

ghost666 02 Apr 2022 09:15 1725 2
SterControl
  • Czy symbol pomaga, czy utrudnia myślenie o projekcie? Symbole na schemacie elektronicznym są niezwykle ważne, ale co, jeśli oznaczają kilka rzeczy? Zastanówmy się, jak dalece przeszkadza, a w jakim stopniu wspiera w myśleniu o urządzeniu elektronicznym taka zbieżność.

    Jak zobaczymy, może to prowadzić do poważnych problemów. W świecie analogowym trójkąt może oznaczać wzmacniacz operacyjny, pomiarowy (instrumentalny) lub komparator. Zasadniczo można zmusić każde z tych urządzeń do pełnienia pozostałych dwóch ról, ale w takiej sytuacji ich parametry na pewno nie byłyby optymalne. Spójrzmy zatem na kluczowe różnice pomiędzy poszczególnymi elementami i zwróćmy uwagę na kwestie, na które należy szczególnie uważać, aby można było łatwo projektować system, jeśli to możliwe. Jak dostrzeżemy, w niektórych przypadkach zły dobór detali może być fiaskiem tworzenia całego mechanizmu.

    Czy, patrząc na rysunek 1, jesteśmy w stanie powiedzieć, który trójkąt to wzmacniacz operacyjny/pomiarowy? A który jest komparatorem? Odpowiedź jest prosta. Każdy!

    Op-amp - To zwykły trójkąt, czy co?
    Rys.1. Wzmacniacz operacyjny, pomiarowy i komparator. Kolejność dowolna.


    Jaka jest różnica pomiędzy tymi elementami i czemu powinniśmy zwracać na to uwagę? Wystarczy spojrzeć na tabelę poniżej. Zawarto w niej kluczowe kontrasty, ale także podobieństwa. Co to, wszakże oznacza na poziomie projektowania systemu?

    Wzmacniacz operacyjnyKomparatorWzmacniacz pomiarowy
    SprzężenieUjemneBrak/dodatnieWewnętrzne
    Wzmocnienie w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego5 tysięcy do 10 milionówod 3 do 50 tysięcyod 0,2 do 10 tysięcy
    Wzmocnienie w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnegoTypowo poniżej 10 tysięcyUstalone na poziomie od 0,2 do 10 tysięcy
    Kondensatory wejścioweNigdyCzasamiWysokiej jakości
    WyjścieAnalogowe/linioweCyfroweAnalogowe/liniowe
    Istotne parametryVOS, GBW/PMOpóźnienie (czas propagacji)CMRR
    ProgramowanieZa pomocą elementów pasywnychBrakZa pomocą opornika, zworek lub cyfrowo (np. SPI)


    Zobaczmy, jak łatwo można wpaść w kłopoty…

    Sprzężenie zwrotne

    Wzmacniacz operacyjny ma ogromne wzmocnienie. Uczy się, aby analizę jego działania rozpocząć od sytuacji, w której różnica między napięciami wejściowymi równa jest zero. Jednakże w prawdziwym życiu to nigdy nie może być prawda. Jeśli wzmocnienie w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego wynosi 1 milion, to aby uzyskać 5 V na wyjściu, trzeba by podać 5 μV napięcia nierównoważenia na wejściu. Aby uzyskać użyteczny obwód, trzeba zastosować sprzężenie zwrotne, więc gdy wyjście próbuje osiągnąć zbyt wysoki poziom, sygnał sterujący jest podawany z powrotem na wejście, przeciwdziałając oryginalnemu wzbudzeniu — na przykład w postaci negatywnego sprzężenia zwrotnego. Gdy jest używany jako komparator, bez sprzężenia zwrotnego, wyjście dojdzie bardzo szybko do jednej lub drugiej szyny zasilania. Dodatnie sprzężenie zwrotne w tej sytuacji nie pomoże, gdyż tylko zwiększy jeszcze bardziej odpowiedź na wzbudzenie. Tak więc wzmacniacze operacyjne potrzebują negatywnego. W rzeczywistości, gdy niektóre z nich są używane jako komparatory bez sprzężenia, prąd zasilania może być 5 do 10 razy wyższy, niż maksymalny podawany w karcie katalogowej, co jest właśnie wynikiem skrajnego przesterowania elementu.

    Jednak dla komparatora dodatnie sprzężenie zwrotne jest dokładnie tym, co jest potrzebne. Bez niego, jeśli jedno wejście do komparatora powoli przekroczy poziom drugiego, wyjście zacznie się niespiesznie zmieniać. Jeśli w mechanizmie występują zakłócenia, wyjście uczyni to wielokrotnie, co z pewnością jest niepożądane w systemie sterowania. Jednak potem zaczyna się przekształcać z powrotem, powodując oscylacje w momencie przejścia wartości na wejściach przez siebie. Korzyści płynące z dodania pozytywnego sprzężenia zwrotnego, zwanego również histerezą, są bardzo duże. Jest to dokładniej omówione w tym artykule.

    Op-amp - To zwykły trójkąt, czy co?
    Rys.2. Klasyczny wzmacniacz pomiarowy z trzech op-ampów.


    W przypadku wzmacniacza pomiarowego sprzężenie jest już zapewnione wewnętrznie, więc dodawanie zewnętrznych elementów powoduje powstanie błędów wzmocnienia. Typowy sposób na zestawienie wzmacniacza pomiarowego pokazano na rysunku 2.

    Warto zwrócić uwagę na fakt, że każdy ze składowych wzmacniaczy operacyjnych układu (rysunek 2), ma swoją pętlę sprzężenia zwrotnego. Zaczynamy projektowanie od standardowego układu z ujemnym sprzężeniem zwrotnym (patrz rysunek 3) ze wzmacniaczem pomiarowym G z założonym wzmocnieniem równym 10. Co oznacza współczynnik sprzężenia zwrotnego równy 0,1. Następnie wybieramy wzmacniacz pomiarowy o wzmocnieniu 100. Wykorzystując równanie 1, wyznaczyć można sprzężenie zwrotne wynoszące 9,09, co przekłada się na błąd równy niemalże 10%. Tak więc — wykorzystanie trójkącika wzmacniacza pomiarowego w miejsce op-ampa, a co a tym idzie, dodawanie zewnętrznego sprzężenia zwrotnego nie ma tutaj sensu.

    Op-amp - To zwykły trójkąt, czy co?
    Rys.3. Klasyczny układ sprzężenia.


    $$A_{CL} = \frac {1} {\beta} \times \frac {1} {1 + \frac {1}{A_{VOL} \times \beta} \qquad (1)$$

    W przypadku wzmacniacza operacyjnego potrzebne jest ujemne sprzężenie zwrotne. W odniesieniu do komparatora dodatnie. Podczas gdy przy wzmacniaczu pomiarowym nie instaluje się żadnego.

    Wzmocnienie w otwartej i zamkniętej pętli

    W kwestii wzmacniaczy operacyjnych, patrząc na równanie 1, im wyższe wzmocnienie w pętli otwartej (AVOL), tym dokładniejsze będzie w zamkniętej. Większość wzmacniaczy operacyjnych ma wzmocnienie w otwartej pętli między 100 tysięcy a 10 milionów, ale niektóre starsze szybkie wersje mogą mieć wartość AVOL równą zaledwie 3000. Jak pokazano wcześniej, im wyższe wzmocnienie w otwartej pętli, tym niższy błąd w zamkniętej.

    W przypadku komparatora, jeśli zmiana napięcia / logiki na wyjściu wynosi 3 V, a chcemy osiągnąć próg z dokładnością na poziomie 1 mV, to minimalne wzmocnienie musi stanowić 3000. Wyższe da mniejsze okno niepewności, ale jeśli jest zbyt wysokie, mikrowolty szumu mogą fałszywie wyzwalać komparator.

    W kwestii wzmacniacza pomiarowego koncepcja wzmocnienia w otwartej pętli tak naprawdę nie ma zastosowania.

    Kondensatory wejściowe

    Kondensatory są często dodawane do obwodów w celu ograniczenia pasma pracy. Patrząc na rysunek 4, na pierwszy rzut oka wydaje się, że R1 i C1 tworzą filtr dolnoprzepustowy. To niestety tak nie działa i może prowadzić do powstawania oscylacji w układzie. Współczynnik sprzężenia zwrotnego dla wzmacniacza odwracającego równy jest R2/R1, ale na rysunku 4 widzimy, że wskaźnik wynosi w rzeczywistości R2/(R1 + Xc).

    Wraz ze wzrostem częstotliwości zwiększa się współczynnik sprzężenia zwrotnego, więc wzmocnienie szumów rośnie o 20 dB na dekadę, podczas gdy w otwartej pętli wzmacniacza operacyjnego spada o 20 dB. Przecinają się na poziomie równym 40 dB, co zgodnie z teorią układów sterowania gwarantuje powstawanie oscylacji. Właściwym sposobem ograniczenia szerokości pasma obwodu jest umieszczenie kondensatora na oporniku R2.

    Op-amp - To zwykły trójkąt, czy co?
    Rys.4. Próba zmniejszenia pasma wzmacniacza operacyjnego.


    Komparatorom zwykle nie dodaje się sieci ujemnego sprzężenia zwrotnego, więc proste elementy R i C przed nim, jak pokazano na rysunku 5, tworzące filtr dolnoprzepustowy, działają dostatecznie dobrze. Opornik RHYS powinien być znacznie większy niż R7, a oba dzielą napięcie wyjściowe i podają na wejście, aby zapewnić niewielką ilość dodatniego sprzężenia zwrotnego (histerezy) w układzie. Jeśli sam komparator ma wbudowaną histerezę, jak na przykład układy: LTC6752 lub ADCMP391, wówczas R7 i RHYS nie są potrzebne.

    Op-amp - To zwykły trójkąt, czy co?
    Rys.5. Komparator z filtrem dolnoprzepustowym i histerezą.


    W przypadku wzmacniaczy pomiarowych ograniczenie pasma na wejściach jest całkiem akceptowalnym rozwiązaniem, jak pokazano w realizacji za pomocą kondensatora C4 (patrz rysunek 6). Filtrowanie i implementacja w odniesieniu do wzmacniaczy pomiarowych, jak można znaleźć w dedykowanych poradnikach, wymaga aplikacji szeregu dodatkowych elementów, które najlepiej jest dobrać eksperymentalnie, po zaprojektowaniu płytki drukowanej z odpowiednimi ścieżkami i wolnymi padami, aby umożliwić dodanie dwóch rezystorów i trzech kondensatorów. Dobór można zacząć od rezystorów 0 Ω i braku kondensatorów. Wtedy należy zmierzyć parametry systemu. Zmieniając wartości tych pięciu elementów, można niezależnie kontrolować zachowanie, tak dla sygnałów współbieżnych, jak i różnicowych. Więcej szczegółów znaleźć można w linkowanym powyżej poradniku.

    Op-amp - To zwykły trójkąt, czy co?
    Rys. 6. Filtr RFI przed wzmacniaczem pomiarowym.


    Wyjścia

    Wzmacniacz operacyjny czy pomiarowy będą miały wyjście, którego napięcie zmienia się od jednej do drugiej szyny zasilania. W zależności od tego, czy stopień wyjściowy wykorzystuje konfiguracje ze wspólnym emiterem, czy ze źródłem, może on osiągnąć od 25 mV do 200 mV odstępu dla każdej szyny. Są to wyniki uważane obecnie za: „rail-to-rail”. Jeśli wzmacniacz operacyjny jest zasilany napięciem +15 V i –15 V, jest to niewygodne w połączeniu z obwodami cyfrowymi. Jednym z kiepskich rozwiązań, które wypróbowano, to umieszczenie diodowych ograniczników napięcia na wyjściu, aby chronić wejście cyfrowe przed uszkodzeniem. Powoduje to, że prąd wyjściowy wzmacniacza operacyjnego wzrasta do bardzo dużych wartości, a finalnie element ten ulega uszkodzeniu. Istnieją bardziej wymyślne sposoby łączenia wzmacniacza operacyjnego z logiką cyfrową, ale po co zawracać sobie głowę? Najprościej jest użyć komparatora.

    Mogą one mieć wyjście typu totem-pole CMOS lub otwarty kolektor/dren NPN, ewentualnie NMOS. Chociaż wyjście zrealizowane w postaci otwartego kolektora lub drenu wymaga rezystora podciągającego, co powoduje nierówne czasy narastania i opadania, to oferuje tę zaletę, że komparator działa na jednym napięciu, powiedzmy 5 V, i łączy się z logiką pracującą na innym, takim jak 3,3 V.

    Istotne parametry

    W przypadku wzmacniacza operacyjnego potrzebujemy pasma wzmocnienia większego niż najwyższa częstotliwość sygnału, aby utrzymać niski błąd w zamkniętej pętli sprzężenia. Patrząc na równanie 1, możemy łatwo zauważyć, że pasmo wzmocnienia powinno być 10 do 100 razy większe. Z równania 1, jak omówiono wcześniej, wynika, że wartość AVOL jest funkcją częstotliwości i wpłynie na dokładność zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego.

    Margines fazy jest również ważny i będzie się różnić w zależności od obciążenia pojemnościowego, dlatego tabela parametrów elementu powinna wyraźnie określać warunki testu. Aby zapewnić dokładność dla prądu stałego, napięcie przesunięcia (offset) powinno być niskie. Dla przeciętnego bipolarnego wzmacniacza operacyjnego offset na poziomie 25 μV do 100 μV jest dobrym osiągnięciem; dla wzmacniacza operacyjnego z wejściem FET 200 μV do 500 μV też. Wzmacniacze operacyjne z automatycznym zerowaniem/chopperem/zerowaniem dryftu plasują się prawie zawsze poniżej wartości 20 μV. Przykłady można znaleźć w typowych kartach katalogowych, takich jak OP27, AD8610 lub ADA4522.

    Op-amp - To zwykły trójkąt, czy co?
    Rys.7. Dwukierunkowy pomiar prądu z dużym napięciem współbieżnym.


    Opóźnienie propagacji jest z kolei kluczową specyfikacją komparatorów. W przeciwieństwie do wzmacniaczy operacyjnych, które działają wolniej, gdy są przesterowane, te będą szybsze. Karty katalogowe tych elementów czasami mają wpisane opóźnienie propagacji z niewielką ilością przesterowania, powiedzmy 5 mV, a inne specyfikują z większą — 50 mV lub nawet 100 mV.

    Charakterystyką numer jeden dla wzmacniaczy pomiarowych jest współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego (CMRR). Wynika to z ich zasadniczego zastosowania — wydobycia bardzo małego sygnału różnicowego: „jadącego na szczycie” dużego napięcia współbieżnego. Podobnie, jak w przypadku wielu innych specyfikacji, zmienia się to w zależności od częstotliwości i czasami wymieniany jest CMRR dla prądu stałego lub CMRR o bardzo niskiej częstotliwości. Zwykle dostarczany jest wykres CMRR w funkcji częstotliwości. Byłoby to ważne, na przykład, w czasie pomiaru prądu w sterowniku silnika elektrycznego z mostkiem H, jak zobrazowano na rysunku 7.

    Jest to prawdopodobnie najtrudniejsza aplikacja dla wzmacniacza pomiarowego, ponieważ napięcie współbieżne przechodzi z jednej szyny na drugą, a prąd szybko się zmienia. Zarówno pasmo, jak i szybkość narastania impulsów są ważne.

    Programowanie

    Programowanie w tej aplikacji nie przymusza do pisania kodu; oznacza to skonfigurowanie części tak, aby spełniała wymagania konkretnego systemu (chociaż niektóre wzmacniacze mają tradycyjne funkcje do programowania z portami i rejestrami poprzez interfejs SPI).

    W przypadku wzmacniaczy operacyjnych konfigurowana jest część z negatywnym sprzężeniem zwrotnym. Może to być element czysto rezystancyjny, ale zwykle stosuje się rezystor z kondensatorem dołączonym równolegle w celu ograniczenia szerokości pasma. Poprawia to stosunek sygnału do szumu. Gdyż w innym przypadku szum będzie integrowany w całym zakresie, nawet jeśli użytkowana jest tylko część pasma. Dodatkowo można także użyć samych kondensatorów i uzyskać układ całkujący lub różniczkujący.

    Komparatory powinny zawsze mieć trochę dodatniego sprzężenia zwrotnego, aby zapewnić, że gdy dane wejściowe wymuszają zmianę wyjścia, dane wyjściowe wzmacniają ten ruch (patrz rysunek 4 i rysunek 5). Zdjęcia i obliczenia są zawarte w tutorialu MT-083. Niektóre komparatory mają dodaną wewnętrznie histerezę, ale zwykle można zaaplikować szerszą w razie potrzeby. Niektóre komparatory z wewnętrzną histerezą mają pin do dołączenia rezystora, aby nieznacznie zmienić wartość jej szerokości.

    Możliwe jest użycie wzmacniacza operacyjnego jako komparatora, ale nie można tego nazwać idealnym rozwiązaniem i należy wziąć pod uwagę kilka kwestii. Niektóre uwagi znajdują się w MT-083, ale napisano wiele artykułów na ten temat, które zarówno doradzają, jak i odradzają takie podejście.

    Komparatory są prawie zawsze programowane za pomocą rezystorów. Można do nich dorzucić taki o wysokiej wartości, aby uzyskać trochę dodatniego sprzężenia zwrotnego, a także użyć kondensatora do zwarcia sprzężenia zwrotnego dla prądu przemiennego, by uniknąć dodawania histerezy dla prądu stałego. Niektóre komparatory mają takową wbudowaną, ale można ją też zwiększyć, umieszczając niewielką ilość dodatniego sprzężenia zwrotnego.

    Uwagi końcowe

    Subtelne zjawiska występują, gdy wykorzystuje się wzmacniacz operacyjny jako komparator. Wiele z nich, bipolarnych o niskim poziomie szumów ma antyrównoległe diody między wejściami. Wejściowy pułap napięcia współbieżnego dla większości komparatorów obejmuje 80% całkowitego zakresu lub więcej. Jednak bipolarne wzmacniacze operacyjne o niskim poziomie szumów mają często jedną lub dwie diody połączone szeregowo między wejściami. Ma to na celu uchronienie stopnia wejściowego przed zjawiskiem Zenera na jednym ze złączy bazowych emitera, co z czasem zwiększyłoby poziom szumów. Oznacza to, że na przykład wzmacniacz operacyjny z zasilaniem 5 V używany jako komparator z poziomem progowym 3 V dla wskaźnika dobrego zasilania w układzie 3,3 V miałby problem z 3 V na jednym wejściu i 0 V na drugim. Gdyż diody te ograniczają maksymalne napięcie różnicowe dozwolone na wejściach.

    Podsumowanie

    W wielu zastosowaniach wybór wzmacniacza operacyjnego będzie zależał od tego, czy system koncentruje się na dokładności DC, AC, wejściowym napięciu niezrównoważenia, szerokości pasma wzmocnienia czy napięciu zasilania. W 2020 roku mamy na rynku do dyspozycji ogromną ilość układów tego rodzaju.

    Kluczowymi parametrami dla komparatorów są zwykle opóźnienie — czas propagacji — i napięcie zasilania. Wybór jest nieco łatwiejszy, chociaż katalog tych elementów nadal wydaje się spory.

    Głównym kryterium dla wzmacniaczy pomiarowych jest z kolei CMRR w funkcji częstotliwości, ale w pobliżu DC, napięcie niezrównoważenia i dokładność wzmocnienia są również ważne. Ponieważ wzmacniacze pomiarowe są bardziej wyspecjalizowanymi elementami na rynku, jest ich znacznie mniej, jednakże nadal oznacza to dziesiątki, jak nie setki możliwości wyboru układu.

    Dobranie odpowiedniej części zaowocuje bezproblemowym, nadającym się do produkcji projektem na długie lata.

    Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/its-just-a-triangle-or-what-does-a-symbol-really-mean.html

    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 11007 posts with rating 9358, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • SterControl
  • #2
    zdziwiony
    Level 24  
    ghost666 wrote:
    W 2020 roku mamy na rynku do dyspozycji ogromną ilość układów tego rodzaju.
    Mam wrażenie, że coś mi umknęło.
  • #3
    spec220
    Level 25  
    M5201... ???
    Na początku jak zboczyłem schemat, to myślałem o co tu biega... Są różne wzmacniacze o różnym stopniu zrównoważenia...
    Op-amp - To zwykły trójkąt, czy co?