Несавршености реалног операционог појачавача

Конструкција операционог појачавача

Реални операциони појачавач само приближно испуњава захтјеве по којима је дефинисан идеални операциони појачавач. Несавршености операционог појачавача често могу да утичу на његову функционалност, због чега су значајне, и циљ је да се сведу на најмању могућу мјеру при самој конструкцији операционог појачавача.

Идеалан операциони појачавач има следеће карактеристике:

• бесконачна улазна и нулта излазна отпорност
• нулта напонска и струјна раздешеност, као и нулти шум
• бесконачно појачање у отвореној петљи, бесконачна ширина пропусног опсега, брзина одзива, као и бесконачан ЦМРР фактор.

Операциони појачавачи се најчешће израђују у интегрисаној техници, а конструишу се из три основна дијела:

• улазног степена, који појачава разлику напона на улазним прикључцима
• напонског појачавача, који уводи додатно појачање сигнала
• излазног степена, који обезбјеђује довољну велику снагу на излазу односно довољно велико струјно појачање

Улазни степен се изводи као диференцијални појачавач са два симетрична улаза, док се излазни степен, који омогућава велика струјна појачања, реализује са комплементарним паром транзистора. Сви операциони појачавачи имају исту основну унутрашњу структуру, међутим операциони појачавачи реализовани помоћу МОСФЕТ-ова имају знатно боље карактеристике него они реализовани помоћу биполарних транзистора.

Коначна улазна отпорност

Улазна отпорност се дефинише као отпорност са стране улазних прикључака. Улазна отпорност идеалног појачавача је бесконачна, међутим реални појачавач има велику али ипак коначну отпорност. Вриједност улазне отпорности зависи од технологије израде. Код операционих појачавача коструисаних помоћу БЈТ-а износи 100 К - 10 Мом, док код МОСФЕТ операционих појачавача може да буде и реда Мома.

Улазне струје поларизације

Ib струја поларизације

Док су код идеалног операционог појачавача, услед бесконачне улазне отпорности, улазне струје биле једнаке нули, код реалног операционог појачавач то није случај. Дакле кроз улазне прикључке појачавача теку улазне струје поларизације.

Код појачавача конструисаних помоћу БЈТ-а вриједност струје поларизације износи 10 - 100 nA, док је код операционих појачавача коструисаних помоћу ФЕТ-ова та струја реда pA.

Ненулта излазна отпорност

Излазна отрпорност

Излазна отпорност реалног операционог појачивача не може бити једнака нули, али се при његовој конструкцији води рачуна да она буде што мања. Најчешће вриједности излазне отпорности крећу се између 50 и 500 ома.

Улазна напонска раздешеност

Диференцијални напон, који треба довести између улазних прикључака (енгл. input voltage offset), тако да при једнаким улазним напонима, излазни напон буде једнак нули, назива се напон раздешености.

Напонска раздешеност

У идеалном појачавачу нема напонске раздешености, међутим код реалног појачавача напонски разлкиа настаје услед несавршености диференцијалног појачавача, који представља улазни степен код огромне већине операционих појачавача. Несавршеност диференцијалног појачавача се огледа у немогућности израде два транзистора истих карактеристика. Поларитет овог напона није могуће унапријед одредити, јер зависи од неупарености компонената. Улазни напонски офсет ствара два проблема:

• због високог напонског појачања, то практично значи да ће напон на излазу отићи у засићење, ако је склоп радио без негативне повратне информације, чак и када су улазни терминали кратко спојени.
• чак и кад имамо затворену негативну повратну спрегу, улазна раздешеност напона је појачана заједно са сигналом и то може представљати проблем ако нам је потребна висока прецизност DC појачања или ако је улазни сигнал веома мали.

Вриједности овог напона најчешће се крећу у опсегу 2 - 10 mV.

Струјна раздешеност на улазу

Струјна раздешеност (енгл. input current offset) је такође последица несавршености диференцијалног појачавача на улазу у операционог појачавача. Услед различитих карактеристика транзистора који чине диференцијални појачавач, струје поларизације на улазима операционих појачавача ће се међусобно разликовати. Та разлика између струја поларизације представља улазну струјну раздешеност, тј. струјни офсет представља ону струју коју треба довести између улазних прикључака тако да се улазне струје диференцијалног појачавача изједначе при Vos=0.

Струјна раздешеност

Типична вриједност струјног офсета за BJT операциони појачавач обично је 10 nA, док код појачавача реализованог помоћу МОСФЕТ-а износи свега неколико pA.

Коначна брзина промјене

Коначна брзина промјене (енгл. slew rate) операционог појачавача се дефинише као максимална могућа брзина промјене његовог излазног напона у времену:

$SR=max(|{\frac {dv_{out}(t)}{dt}}|)$

Коначна брзина промјене постоји услед присуства кондензатора за подешавање фреквентног одзива операционог појачавача. Треба напоменути да коначна брзина промјене не зависи од електричног кола у коме је ОП употребљен, јер пуњење кондензатора унутар ОП-а зависи само од његове унутрашње конструкције.

$SR={\frac {I_{sat}}{CA_{2}}}$

гдје је: C - капацитивност кондензатора, Isat - излазна струја диференцијалног појачавача у засићењу, а А2-појачање другог степена операционог појачавача, тј. напонског појачавача.

Утицај коначна брзина промјене на правоугаони импулс:
Црвено: жељени излазни сигнал
Зелено: стварни излазни сигнал

Коначна брзина промјене нам помаже да одредимо максималну фреквенцију улазног сигнала који можемо довести не појачавач тако да излаз остане неизобличен. У супротном, коначна брзина промјене може довести до нелинеарних ефеката у појачавачу. На пример, да синусни таласни облик не би био предмет ограничења брзине промјене, коначна брзина промјене на свим мјестима у појачавачу мора да задовољи следећи услов:

$SR\geq 2\pi f\times V_{pk}$

где је f фреквенција, и Vpk је врх амплитуде таласног облика.

Коначно напонско појачање

Појачање отворене петље (енгл. open loop gain) је бесконачно код идеалног ОП, међутим код реалног ОП је коначно и најчешће се креће у опсегу 100,000 до преко 1 милион. Напонско појачање се дефинише као однос излазног и улазног напона. Такође, једна од фреквентих карактеристика реалних операционих појачавача је да се напонско појачање представља као функција учестаности, тако да појачање на различитим учестаностима има различиту вриједност.

Шум

Појачавачи генеришу случајни напон на излазу, чак и када нема сигнала сигнала на улазу. То може бити због термалног шума и треперења сигнала у уређају. За склопове са великим појачањем или широким пропусним опсегом, шум постаје веома битан фактор.

Температурно клизање

Сви параметри реалног ОП се мијењају са промјеном температуре. Ово је нарочито битно за струјну и напонску раздешеност, јер се са порастом температуре повећава неупареност компоненти диференцијалног појачавача.

Коначан фактор потискивања средње вриједности сигнала

Коначан фактор потискивања средње вриједности сигнала (енгл. common-mode rejection ratio - CMRR) диференцијалног појачавача (или неког другог уређаја) је мјера тенденције уређаја да одбије средњу вриједност улазних сигнала. Висок ЦМРР је важан када су релевантне информације садржане у разлици напона између два улаза појачавача. Пример је аудио пренос преко уравнотежених линија. У идеалном случају, диференцијални појачавач узима напоне V+ и V- на два улаза и производи излазни напон Vo = Ad (V+ - V-), гдје је Ad диференцијално појачање. Међутим, прави излаз диференцијалног појачавача је боље описати као:

$V_{o}=A_{d}(V_{+}-V_{-})+{\frac {1}{2}}A_{cm}(V_{+}-V_{-})$

Гдје је Acm појачање средње вриједности сигнала. ЦМРР се рачуна као однос диференцијалног појачања и појачања средње вриједности. Код идеалног појачавача Acm=0, па је ЦМРР фактор бесконачно велик, међутим код реалног то није случај. Код реалног ОП ЦМРР се рачуна као:

$CMRR=10\log {10}{({\frac {A_{d}}{A_{cm}}})}^{2}=20log{10}{({\frac {A_{d}}{A_{cm}}})}$

и изражава се у децибелима (дБ). Пожељно је да буде што већи. Јако добри појачавачи имају ЦМРР реда 100 dB.

Коначан пропусни опсег

Сви појачавачи имају коначан пропусни опсег. То ствара неколико проблема за ОП. Прво, у вези са ограничењем опсега је разлика између фаза улазног сигнала и излаза из ОП која може довести до осцилација у колу у неким случајевима. Друго, смањење опсега резултује повећањем дисторзије, шума и излазне импедансе.

Литература

• Osnove elektronike, Spasoja Tešić i Dragan Vasiljević
• Basic Operational Amplifiers and Linear Integrated Circuits; ; Thomas L Floyd; David Buchla; 593 pages. (2nd изд.). 1998. ISBN 978-0-13-082987-0. 
• Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits; ; Sergio Franco; 672 pages. (3rd изд.). 2002. ISBN 978-0-07-232084-8.  (book website)
• Operational Amplifiers and Linear Integrated Circuits; ; Robert F Coughlin; 529 pages. (6th изд.). 2000. ISBN 978-0-13-014991-6. 
• Op-Amps and Linear Integrated Circuits; ; Ram Gayakwad; 543 pages. (4th изд.). 1999. ISBN 978-0-13-280868-2. 
• Op Amps For Everyone; 1st Ed; Ron Mancini; 464 pages; 2002; Texas Instruments SLOD006B. (Free PDF Download)