Elektronika to nie tylko prototypowanie nowych aplikacji metodą prób i błędów, ale także sztuka dokonywania odpowiednich wyborów. Kiedy chcemy precyzyjnie zaprojektować nasz układ elektroniczny, musimy zwrócić uwagę na istotne parametry techniczne elementów go tworzących. Szczególnie kiedy element ma pełnić ważną funkcję w niestandardowej aplikacji. Do tej grupy elementów, którym niekiedy trzeba szczególnie poświęcić więcej uwagi przy wyborze, zaliczają się wzmacniacze operacyjne – jedne z najważniejszych komponentów elektroniki analogowej. Projektując układ elektroniczny pełniący określone funkcje, kiedy dobieramy do niego wzmacniacz operacyjny, musimy uwzględnić sposób konfiguracji układu, wyznaczyć zakres parametrów roboczych oraz uwzględnić cechy charakterystyczne dla budowy wewnętrznej wzmacniacza.
Od czego zacząć wybierając wzmacniacz operacyjny do naszej aplikacji?
Znając założenia projektowe naszego układu, należy sprawdzić czy są dostępne wzmacniacze operacyjne, których parametry są zgodne z tymi założeniami. W tym miejscu musimy uwzględnić, czy sięgamy po monolityczny wzmacniacz operacyjny ogólnego przeznaczenia (np. TL071) czy np. wzmacniacz operacyjny precyzyjny z kompensacją temperaturową (np. LM308). Przykładowo, projektując układ, którego zadaniem jest wzmacnianie niewielkiej różnicy dwóch sygnałów, możemy zastosować specjalizowany wzmacniacz pomiarowy (np. AD620) lub rozbudować nasz układ wykorzystując kilka współpracujących ze sobą wzmacniaczy operacyjnych ogólnego przeznaczenia. Jeśli właściwości techniczne obu proponowanych rozwiązań są ze sobą zbliżone, to o wyborze jednego z tych rozwiązań będą decydowały koszty, a także dostępność wymaganych układów scalonych do naszej aplikacji. Jeśli wybierzemy do naszego projektu wzmacniacze operacyjne ogólnego przeznaczenia, co zwykle jest tańszą opcją, to wówczas przygotowując projekt, musimy przyjąć założenie, że użyte wzmacniacze wykazują właściwości idealne, tj. wejścia wzmacniacza nie pobierają prądu, wzmacniacz wykazuje nieskończenie wielkie wzmocnienie napięciowe przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego oraz nieograniczone pasmo przenoszenia, a jego rezystancja wyjściowa jest zerowa.
Elektronika – sprawdzenie rzeczywistych parametrów wzmacniacza operacyjnego w praktyce
Kolejnym krokiem przy przygotowywaniu projektu jest ustalenie rzeczywistego zakresu wartości parametrów tak, aby zostały spełnione docelowe wymagania projektu. Należy także ustalić dopuszczalny zakres zmian tych parametrów w dziedzinie czasu, temperatury i napięć zasilania wzmacniacza. Przede wszystkim, należy określić wymagane wartości wejściowego napięcia niezrównoważenia i jego współczynnika temperaturowego, wejściowych prądów polaryzacji, częstotliwości granicznej, a także maksymalnej szybkości narastania napięcia wyjściowego – szczególnie dotyczy to wzmacniaczy, które operują na sygnałach o dużej amplitudzie, nawet bliskiej napięciu zasilania (szczególnie we wzmacniaczach o zasilaniu rail-to-rail, np. TLC2272). W przypadku wzmacniaczy pracujących w konfiguracjach wtórnika napięciowego, wzmacniacza różnicowego oraz wzmacniacza nieodwracającego, istotnym parametrem decydującym o wyborze wzmacniacza jest współczynnik CMRR (ang. Common-Mode Rejection Ratio) odpowiedzialny za tłumienie składowej sumacyjnej. Natomiast w przypadku wzmacniaczy operujących na sygnałach wejściowych o bardzo niskich amplitudach, decydują szumy własne wzmacniacza i zewnętrzne.
Porównywanie danych katalogowych dostępnych wzmacniaczy operacyjnych
Kiedy porównamy wymagane przez nas zakresy wartości parametrów z wartościami zapisanymi w notach aplikacyjnych dostępnych wzmacniaczy, nasz zakres wyboru zostanie jeszcze bardziej zawężony, umożliwiając wybór wzmacniacza, którego parametry będą jak najbliższe naszym wymaganiom. Analizując dane techniczne zawarte w notach aplikacyjnych, należy do parametrów deklarowanych przez producentów podejść krytycznie. W zależności od producenta komponentu możemy spotkać się z innym sposobem oznaczania jego parametrów, a także zróżnicowanymi warunkami wykonywanych pomiarów. Lista parametrów przedstawionych w nocie aplikacyjnej może się okazać częściowo wybrakowana, a wskutek braku ich znajomości, rozważany wzmacniacz operacyjny może nie spełnić naszych wymagań docelowych. Brak danych na temat niektórych parametrów często jest zabiegiem marketingowym, tj. producent zna wartość parametru brakującego w nocie aplikacyjnej, ale nie udostępnia informacji na ten temat, ponieważ parametr ten ma wartość niekorzystną, a to może zniechęcić klienta do zakupu komponentu. Uniwersalnym rozwiązaniem, które z pewnością ułatwi dopasowanie pod naszą aplikację, będzie użycie wzmacniacza operacyjnego z wbudowaną kompensacją charakterystyk w dziedzinie częstotliwości oraz z możliwością kompensacji poprzez podłączenie dodatkowych elementów do wyprowadzeń zewnętrznych do tego celu przeznaczonych – dotyczy to np. wspomnianego wcześniej układu scalonego LM308, na bazie którego jest zbudowany podłogowy efekt gitarowy ProCo RAT Distortion, umożliwiający wprowadzenie zniekształceń sygnału wejściowego. Użycie wzmacniaczy operacyjnych z kompensacją wewnętrzną znacznie ułatwia projektowanie i późniejszą kalibrację przy testowym uruchomieniu układu. Zabieg ten ma jednak też wadę – kosztem kompensacji wewnętrznej, pomimo polepszenia stabilności działania nawet w warunkach najbardziej krytycznych, tj. w układzie wtórnika napięciowego, wzmacniacz ma ograniczoną szerokość pasma przenoszenia. Natomiast kompensacja zewnętrzna, daje nam większe możliwości projektowania, w tym kształtowania charakterystyki częstotliwościowej wzmacniacza.
Dociekliwość ponad wszystko – oznaczenia dodatkowe
Dobierając wzmacniacz operacyjny pod naszą aplikację, warto zwrócić uwagę na jego oznaczenie, które określa m.in. rodzaj obudowy oraz dopuszczalny zakres temperatury roboczej. Typowe zakresy temperatur roboczych, w których wzmacniacz spełnia swoje parametry deklarowane przez producenta, są następujące:
- zakres standardowy: 0°C – +70°C
- zakres przemysłowy: -40°C – +85°C
- zakres militarny: -55°C – +125°C
Z tego względu zanim zakupimy wzmacniacz operacyjny, zróbmy rozeznanie w jakim zakresie temperatur będzie on musiał pracować w aplikacji docelowej. Oczywiście, jeśli zakupimy wzmacniacz zaprojektowany do celów militarnych do np. projektu układu kontrolno-pomiarowego do zastosowań przemysłowych, będzie on w dalszym ciągu spełniał swoje parametry robocze. Niemniej jednak, warto przed zakupem konkretnego modelu wzmacniacza operacyjnego zwrócić uwagę na jego zakres temperatur roboczych z punktu widzenia kalkulacji ekonomicznej, szczególnie na potrzeby produkcji masowej, gdzie różnice w cenie poszczególnych odmian wzmacniaczy mogą mocno rzutować na łączne koszty produkcji.