3. Operaatiovahvistimen rakenne antoresistanssi ja hyvä virranantokyky. Operaatiovahvistimen sisäisestä rakenteesta riippuu kuinka lähelle käyttöjännitteitä voidaan päästä tuloasteen otoissa sekä antojännitteessä joutumatta vielä epälineaariselle toimintaalueelle. 3. Operaatiovahvistin 74 Kuva Millman (4-). Ensimmäiseksi käymme lyhyesti läpi, miten operaatiovahvistimen sisäinen rakenne on toteutettu. Kuvassa (Millman 4-) on esitetty operaatiovahvistimen tyypillinen kaksiasteinen lohkokaavio, jossa jännitevahvistukseen vo vaikuttaa vain kaksi astetta. Tuloasteena käytetään differentiaalivahvistinta, joka voidaan toteuttaa joko bipolaari (BJT) transistoreilla tai feteillä. Toinen vo :n arvoon vaikuttava aste on kytketty differentiaaliasteen jälkeen, jonka antoresistanssi on suhteellisen suuri. ahvistin aste, kuten muutkin asteet, on DC-kytketty jolloin operaatiovahvistimen taajuusvaste alkaa nollasta. ahvistinasteen jälkeen suoritetaan jännitesignaalille tason siirto, jossa signaalin DC-taso muutetaan sopivaksi lähtöasteelle. Lähtöasteen tehtävänä on antaa operaatiovahvistimelle riittävän pieni Kuva Millman 4-9. Edellisessä kuvassa (Millman 4-9) on esitetty operaatiovahvistimen 74 kytkentäkaavio, josta nähdään tyypillinen kaksiasteinen rakenne (lohkokaavio Millman fig.4-). Operaatiovahvistimen rakenteen esittelyssä käytetään apuna Fairchaildin vuonna 966 esittelemää, 6 6 ehkä yleisimmin käytettyä, operaatiovahvistinta 74. iemmin on käyty jo yleisesti läpi differentiaaliaste. Tarkastellaan seuraavaksi IC-piireissä käytettyä differentiaalivahvistimen rakennetta (Millman fig. 4-8). steen aktiivisena elementtinä käytetään bipolaaritransistoria (BJT) (tai FET), kaskadiin kytkettyä transistoriparia (CC-CE) tai Darlington kytkettyä transistoriparia (CC-CC). Differentiaaliasteen kolme tärkeintä ominaisuutta ovat: CM, differentiaalinen ottoresistanssi i sekä differentiaalinen vahvistus DM. Yhteismuotoisen jännitteen vaimennussuhteelle saatiin aiemmin tulos: CM + g kun r >> ja β >> (4 3) m E π Tuloksesta nähdään, että E tulisi olla suuri, jotta CM olisi mahdollisimman hyvä. Kuvassa 4-8 on asteen perusrakenteessa virtalähteen antoresistanssi kuvattu vastuksella E. irtalähteellä biasoidaan asteen aktiiviset elementit toiminta-alueelle. Jos virtalähteenä käytetään virtapeilikytkentää on: s o E ja Io T I g m Joten saamme: I O CM g (4 4) me T IO T Jos npn-transistorille on voimassa seuraavat arvot: Kuva Millman 4-8. Saamme: ja T 5m CM 4 7dB 63 64
Jos CM haluttaisiin suuremmaksi tulisi transistorin efektiivistä Early-jännitettä kasvattaa. Toisilla virtalähteillä (antoresistanssi suurempi), Wilson, Widlar tai kaskadi virtalähde, saadaan yleisesti suurempi CM, 8-9 db. Tuloasteen differentiaalinen tuloresistanssi id on operaatiovahvistimen ottoresistanssi, i joka tulisi olla mahdollisimman suuri, jotta operaatiovahvistinta voitaisiin kuvata ideaalisella mallilla jossa i on ääretön. ikaisemmin ottoresistanssille annettiin lauseke: id r Josta voidaan laskea id : π β β g I m C T (4 5) Yleisimmät tavat kasvattaa ottoresistanssia on käyttää FETastetta tai transistoreita, joilla β on suuri. BIFET- ja BIMOS-teknologialla valmistetuilla piireillä id on yli Ω (esim. D5449). Darlington tyyppisellä kytkennällä voidaan kasvattaa ottoresistanssia, mutta rajoitukset taajuusvasteen osalta estävät sen käytön. Sitä vastoin käyttämällä ns. super-β transistoreita (β - 5 ) saadaan ottoresistanssi suureksi: β 5 I C.5 µ, jolloin id MΩ. Differentiaaliaste on ensimmäinen niistä kahdesta operaatiovahvistimen vahvistukseen vaikuttavasta osasta. ikaisemmin määriteltiin piensignaalimallin avulla asteen vahvistuskerroin DM. Määritellään nyt DM hieman yleisemmässä muodossa ottamalla huomioon myös tuloasteen aktiivisen elementin oma antoresistanssi r o kuormaresistanssin C ohella. Tämä siksi, koska kuormaresistanssina käytetään aktiivista kuormaa (active-load resistance) C, jonka arvo on samaa suuruusluokkaa kuin r o. β 5 ja IC. 5µ DM v βl gm (4 6) r O L vdm π id MΩ missä: L C r o 65 66 Olkoon : Tällöin saadaan : tai I C o g m d v DM L o d I O 4 d L d L T T (4 7) (4 8) Muokataan seuraavaksi kytkentää piensignaalimallin mukaiseksi, josta voidaan laskea likiarvot differentiaaliselle vahvistukselle DM, ottoresistanssille id ja antoresistanssille o. lla olevasta kuvasta Millman 4- nähdään, että transistorit Q ja Q4 (myös Q ja Q3) muodostavat yhdessä emitteriseuraajan Q (Q) antoon kytketyn yhteiskantakytkennän Q4 (Q3). Kuvassa Millman 4-9 on esitetty 74-tyyppisen operaatiovahvistimen differentiaaliasteen yksinkertaistettu malli, jossa on yksityiskohtaisemmin vain seuraavan tarkastelun kannalta oleelliset asiat (vertaa kytkentää kuvaan 4-9). Seuraavassa kuvassa Millman 4-(a) on esitetty selkeämmin CC-CB kytkentä. Kuva Millman 4-9. 67 68
CB-asteen tulooresistanssi on määritelty seuraavasti: i( CB) rb + r π r C o + β + β C rπ CB-asteen tuloresistanssi vastaa nyt emitteriseuraajan (CC-aste) vastusta E. C C r o i( CB)4 rπ 4 r + β o6 o4 lla olevassa kuvassa Millman 4-(b) on esitetty tuloasteen yksinkertaistettu piensignaalimalli, jossa on CCaste esitetty sen Thevenin ekvivalentti mallilla. o6 Määritellään seuraavaksi CC-asteen jännitevahvistus (CC) joka on annettu seuraavasti: ( CC ) ( + β ) r ( + β ) s + E i( CC ) o E i( CC ) r o missä: ( + β )( r ) r + ( β )( r ) i( CC ) rb + rπ + E o π + E o Kuva Millman 4-(b). CC-asteen emitterivastuksen ollessa riittävän suuri lähestyy sen jännitevahvistus ykköstä. Lasketaan seuraavaksi pelkästään mielenkiinnon vuoksi miten lähellä jännitevahvistus on ykköstä. Kirjoitetaan nyt CB-asteen tuloresistanssi i(cb)4 käyttäen esimerkkikytkennän merkintöjä (BJT:n numeroinnit huomioiden). Oletetaan kaikille transistoreille: β 5 ( NPN ) 5 ( PNP) 69 7 Lisäksi kaikki transistorit Q - Q6 on biasoitu 9.5µ kollektorivirtaan. Esimerkin merkintöjen mukaan saadaan: Transistoreille voidaan nyt laskea tarvittavat parametrit: β E 5 kω r o6 +.5MΩ+ 4. MΩ rπ 6 + E 658kΩ + kω o6 5 g m g r m π 4 I CQ 9.5µ.38 3 4 g m6 Ω T 5m 5 ro 4 5. 6MΩ I 9.5µ CQ ro ro 6. 5MΩ 9.5µ β 5 rπ 6 kω 658kΩ g.38 m Jotta CC-asteen emitteriresistanssi E voitaisiin määrittää on differentialiasteen aktiivinen kuorma o6 ( " C " ) laskettava. o6 saadaan suoraan emitterivastuksella varustetun CE-asteen Thevenin antoresistanssista o : Nyt CB-asteen ottoresistanssi voidaan arvioida: rπ 4 658kΩ i 4 E( CC) kω o6 ro 4 4.5MΩ 5.6MΩ + β + 5 4.5MΩ o6 Emitteriseuraajan jännitevahvistukseksi saadaan siten: ( + β ) E + ( + β ) ( + 5) ro kω.5mω ( CC).8 r r 658kΩ + 5 kω.5mω π E o E o ro + s + rb + rπ + E β E r o + rπ + β E Emitteriseuraaja voidaan nyt esittää yksinkertaisella Thevenin vastinkytkennällä (kuva 4-b) missä: Th d ( CC ) d v DM 7 7
Sekä antoresistanssina th : Joten jännitevahvistukseksi saadaan: s + rb + rπ rπ ro. kω + β + β g Th 63 m CB-asteen jännitevahvistus (CB) on määritelty seuraavasti: Missä: r4 o6 rπ rπ 4 + + β r o4 + β β ro 4 + β ( CB) o6 o6 o6 o6 7 Missä ( CB) L β s + i + β L C r o 5. 6MΩ 4 o 4. 5MΩ 6 β 5 r r 658kΩ π 4 π L C o6 o4 r o6 rπ 4 i L + β C Differentiaalivahvistimen antojännitteeksi o saadaan siten: 7 o dm ( CC ) ( CB) dm Lisäksi s on CB-asteen signaalilähteen antoresistanssi, joka on samalla CC-asteen lähtöresistanssi. s o( CC) rπ + β Differentiaaliasteen antoresistanssi o on suoraan CBasteen antoresistanssin ja aktiivisen kuormaresistanssin o6 rinnankytkentä. o( diff ) o( CB) o6 73 74 Missä β s r + o. MΩ s + rb + rπ o( CB) 5 β 5 ro ro 4 5. 6MΩ s. 63kΩ g m r b r r 658kΩ π π 4 Joten differentiaalinen tuloresistanssi on: ( r + r ) ( 658kΩ + 658kΩ). Ω id 6M π π 4 Kootaan seuraavaksi yhteen differentiaaliasteelle lasketut parametrit: 7 o 6. MΩ id. 6MΩ Joten saamme: o ( diff ).5MΩ 4.5MΩ 6. MΩ Tuloksesta nähdään, että differentiaaliasteen antoon kytkettävän vahvistin asteen ottoresistanssi tulee olla suuri, jotta antosignaali ei vaimenisi tarpeettomasti. Tuloasteen differentiaalinen ottoresistanssi id on kaksi kertaa emitteriseuraajan ottoresistanssi i(cc). CC-asteen emitterivastuksena E on CB-asteen ottoresistanssi i(cb). Emitteriseuraajan tuloresistanssin likiarvo on seuraava: π 4 ( + β ) E r + ( + β ) r r 4 i ( CC) rπ + π π + π + β r Millman 4-5 75 76
Koska operaatiovahvistimen avoimenkytkennän vahvistus vo tulisi olla mahdollisimman suuri, on 74:n tuloasteen jälkeen lisätty toinen vahvistinaste. ahvistin koostuu CC- CE-asteesta (kuva Millman 4-5). Koska IC-piirin sisälle ei kannata valmistaa suuria resistansseja, sekä niiden suuren käyttöjännite vaatimuksen vuoksi, on passiivinen kuorma korvattu aktiivisella kuormalla, kuten differentiaalivahvistimessakin tehtiin. Millman 4- Kuvassa Millman 4- on esitetty tyypillinen CE-asteen kytkentä, jossa kollektorivastus on korvattu pnptransistoreilla (Q3 ja Q4) toteutetulla virtapeili kytkennällä. irtalähteen antoresistanssi r 3 on CE-asteen piensignaalimallissa kuormaresistanssina C. Seuraavassa kuvassa Millman 4-3 on esitetty virtalähteen (Q 3 ) ominaiskäyrä ja sen määräämä kuormitussuora. Esimerkin virtalähde on biasoitu m:n virralle. irtalähteessä käytetyn transistorin. Millman 4-3 Kun vahvistinasteen käyttöjännite on 5, voidaan kirjoittaa: I C + IC3 ja CE CC CE 3 5 CE 3 (4 ) Transistorin Early-jännite vaikuttaa suoraan kuormitussuoran kulmakertoimeen sen lineaarisella alueella. Kulmakerroin lähestyy nollaa, jos kasvaa suureksi. Kuormitussuora pisteiden ja B välillä vastaa resistanssin r o määräämää kuormitussuoraa. 77 78 ro kω I m C3 Kuormitussuoran jatke leikkaa CE -akselin jännitteessä. arsinainen kuormitussuora on sitä vastoin epälineaarinen pisteen B jälkeen ja kääntyy jyrkästi alas kohti jännitettä CC 5. Tämä epälineaarinen käyttäytyminen mahdollistaa suuret jännitevahvistukset pienillä käyttöjännitteillä. Koska aktiivinen kuorma r o3 on samaa suuruusluokkaa npntransistorin kollektoriresistanssin r o kanssa, on r o otettava huomioon vahvistimen antoon kytkeytyneen ulkoisen tuloresistanssin i ja r o3 :n kanssa (kuva Millman 4-4). Tuloresistanssin tulee olla huomattavasti suurempi kuin r o ja r o3, jottei vahvistuskerroin pienentyisi turhaan. 7 Th s dm 6. MΩ Th s Kuvan 4-5 transistori Q3B toimii vakiovirtalähteen antotransistorina. Transistori Q6 on biasoitu kollektorivirtaan I C6 6µ, sekä Q3 ja Q7 virroille I C3 I C7 55µ. Kaikilla transistoreilla β 5. Earlyjännite npn-transistoreille ja 5 pnptransistoreille. Määritetään vahvistinasteen jännitevahvistus, ' tuloresistanssi i, sekä antoresistanssi o. Koska tarkasteltavana oleva kytkentä on CC-CE-kaskadi, voidaan vahvistinaste jakaa kahteen erilliseen osaan, joille määritetään omat vahvistuskertoimet: (CC) ja (CE). Kuvassa Millman 4-6b on esitetty piensignaalimallin mukainen vastin kytkentä koko vahvistinasteelle. Millman 4-4 ahvistinasteen tulosignaalina on differentiaaliasteen antojännite o. Koko differentiaaliaste on esitetty Thevenin vastinkytkentänä ( s ) aiemmin esitetyssä kuvassa Millman 4-5. Millman 4-6a 79 8
Lasketaan seuraavaksi CC-asteen antoresistanssi o(cc), jota tarvitaan CE-asteen jännitevahvistusta laskettaessa. o ( CC) E ro 6 s + rb 6 + + β r π 6 Millman 4-6b 6.MΩ + 39kΩ 5 kω6.5mω 5kΩ 5.86kΩ 7kΩ + 5 Käsitellään aluksi CC-aste. Emitteriseuraajalle on annettu jännitevahvistus : ( + β ) E ro 6 + r + ( + β ) ( CC) s + rb 6 π6 E ro 6.66 Missä ro 6 6. 5MΩ I 6µ CQ6 Missä r π 6 β 5 r b6 β T 5m β 5 39kΩ g I 6µ m6 CQ6 s 6. MΩ E 5 kω ro 6 6. 5MΩ I 6µ C6 CE-asteen jännitevahvistus (CE) voidaan laskea suoraan CE-asteelle johdetusta kaavasta : β L ( CE) + 7 + 7 + + L s rb rπ E β C 334 8 8 Missä Missä: β 5 r b r o 7 8. 8kΩ 55µ 5 ro 3B 9. kω 55µ C 9 r r 6. kω L o7 o3b 6 s o( CC) 7kΩ T rπ 7 β. 4kΩ I CQ7 β 5 r b r o 8. kω 7 r. 4kΩ π 7 s o( CC ) 7kΩ Ω E ahvistinasteena toimivan CC-CE kaskadin tuloresistanssi saadaan laskettua CC-asteen ottoresistanssin kaavasta: Nyt saadaan laskettua CC-CE kaskadille lopullinen jännitevahvistus : CE ( CC) ( ).66 334 ' Koko vahvistinasteen (CC-CE kaskadi) antoresistanssi voidaan laskea suoraan CE-asteelle johdetusta antoresistanssin kaavasta : ' β E o C ro + 7. 8kΩ s + rb + rπ + E ( β ) E ro i rb + rπ + + Missä resistanssi E on nyt jälkimmäisen, emitterivastuksella varustetun CE-asteen, tuloresistanssin i(ce) ja 5k Ω vastuksen rinnankytkentä. [ r ( + β ) + ] E o7 C i ( CE) rπ 7 + rb 7 + 3kΩ r + + o7 C E 83 84
Missä: Joten saadaan : CC β 5 r b7 r o 8. 8kΩ 7 r. 4kΩ π 7 r 9. kω C o3 B 9 E E ( ) 5kΩ 3kΩ 9kΩ Lasketaan lopuksi koko operaatiovahvistimen kokonaisvahvistuskerroin vo. Kerroin on differentiaalisen asteen kertoimen DM ja edellä lasketun kertoimen (CCCE) tulo, koska muiden asteiden jännitevahvistukset ovat lähellä ykköstä. vo DM 5 ( ).6 ( CCCE ) 7 3. PNP-virtalähteen rajoituksia Nyt voidaan laskea CC-CE kaskadin ottoresistanssi i(cc) : ( 9kΩ r ) 39kΩ + 4.8MΩ 5. MΩ i( CC ) rπ 6 + 5 o6 Kootaan lopuksi yhteen vahvistin kaskadille lasketut parametrit: ( CCCE) i ( CC ) 5. MΩ ' o 7kΩ PNP-transistorilla (lateral pnp-transistor) on tyypillisesti pienempi : β F, virran kesto,, verrattuna NPNtransistoriin. Koska Early jännite on pienempi, on myös transistorin antoresistanssi pienempi. Toisaalta Wilsonin-, Widlarin- tai kaskadi-virtalähteen avulla ongelma voidaan kiertää. Transistorin virtakeston ja vahvistuksen osalta piiritekniikassa käytetään usein seuraavan kuvan (Millman 4-7) tyyppistä rakennetta. Kuvan transistorit Q ja Q muodostavat pnp-virtalähteen sekä npn-transistorit Q3 ja Q4 toimivat virtavahvistimena. 85 86 3.3 DC-tason siirto Koska operaatiovahvistimessa ei voida käyttää kytkentäkapasitansseja, joudutaan joidenkin asteiden välissä tekemään lepojännitteen sovitus. Signaalin lepotasojen ollessa erilaiset annon ja siihen kytkettävän tulon välillä, joudutaan tähän tilanteeseen. Tason siirtoasteen ottoresistanssin tulee olla mahdollisimman suuri, jottei kuormitusefektin vuoksi menetetä vahvistusta. astaavasti antoresistanssin on oltava pieni, jottei antoon kytketty kuorma vaimenna turhaan signaalia. Jos npn-transistorien emitterialueiden suhde on /, saadaan lähtövirralle I o : Yksinkertaisena tasonsiirtoasteena voidaan käyttää emitteriseuraajaa (Millman fig. 4-3). I o I + (4 ) Näin voidaan kasvattaa lähtövirtaa, joka kulkee vain npntransistorien kautta (Q ja Q ). Millman 4-3 87 88
Jos antojännite otetaan emitteriltä saadaan tason siirroksi: o i BE i. 7 Jos tasoeron on oltava suurempi, voidaan antojännite ottaa emitterivastuksina toimivien resistanssien ja välistä, jolloin tasonsiirto kasvaa vastuksen yli syntyvän jännitehäviön verran. Kytkennän 4-3a huonona puolena on signaalin vaimentuminen tekijällä : Zenerdiodi voidaan korvata myötäsuuntaisilla diodeilla, joita on mahdollista kytkeä peräkkäin halutun antotason saavuttamiseksi. Jos zenerdiodin tai diodijonon dynaaminen resistanssi on huomattavasti pienempi, kuin vastus, on signaalin vaimentuminen häviävän pieni. Tutustutaan seuraavaksi mielenkiintoiseen kytkentään: kanta-emitteri-jänniteen kertojaan ( BE multiplier),joka on esitetty kuvassa Millman 4-4a. + Ongelma voidaan poistaa käyttämällä virtalähdettä vastuksen tilalla (kuva 4-3b), jolloin tasonsiirroksi saadaan: ( I ) o i BE + o Kuvassa 4-3c on esitetty toisenlainen kytkentä, jossa vastus on korvattu zenerdiodilla. Tasonsiirroksi saadaan nyt: Kuva 4-4 ( + ) Z o i BE 89 9 Jos transistorin kantavirta I B on häviävän pieni verrattuna vastuksien 3 ja 4 läpikulkevaan virtaan, voidaan jännitteelle kirjoittaa suoraan : + 3 ( + ) (4 9) BE 3 4 BE 4 4 Jännitetason siirtoa voidaan hallita vastuksien 3 ja 4 suhteella : 3 / 4, samalla, kun ac-vahvistus on yksi. Kytkennän huonona puolena on BE :n lämpötilakertoimesta (-. m/ C) johtuva tason lämpötilariippuvuus. Operaatiovahvistin tyypin 74 tason siirrossa käytetään yleisimmin emitteriseuraajaa. Jos korvaamme nyt vastuksen jännitekertojalla (kuva Millman 4-4b), saamme tasonsiirroksi: i o BE 3 + 4 (4 ) 3.4 ntoaste Kytkennän piensignaalimallin mukainen jännitevahvistus on käytännössä yksi. + g m Jos oletamme, että : g m 3 + 4 + g m + g m 4 (4 ) Kuva 4-5 β >> g m >> 3 + 4 sekä >> + g m 4 Tarkastellaan lopuksi operaatiovahvistimen antoastetta, jonka antoresistanssi r o tulisi olla mahdollisismman pieni. irranantokyvyn lisäksi annon on kyettävä toimimaan lähes käyttöjännitteiden suuruisilla antojännitteillä ( p-p 3 - ). Kuvassa Millman 4-5a on esitetty peruskytkentä 9 9
antoasteelle, joka on toteutettu ns. complementary emitter follower rakenteella. Tulojännitteen i ollessa positiivinen, toimii npn-transistori Q virtalähteenä ulkoiselle kuormalle L ja Q on cut-off tilassa. astaavasti tulojännitteen ollessa negatiivinen, toimii Q ja Q on cut-off tilassa. Kytkennän huonona puolena on antojännitteen nollapistesärö, joka johtuu transistorin cut-in jännitteestä. Eräs yksinkertainen tapa järjestää haluttu biasointi on kytkeä kaksi diodia (D ja D ) peräkkäin transistorien kantojen väliin (kuva Millman 4-6a). Kuvassa 4-6b on esitetty antoasteen siirtofunktio, josta nähdään, että nollapistesäröä ei ole. ntojännitteen lepotaso ( o ) saavutetaan biasoimalla tulosignaalin lepotaso jännitteeseen - BE. Kun tulojännite i on pienempi, kuin cut-in jännite γ, on transistorin emitterivirta niin pieni, että antojännite on käytännössä nolla (kuva Millman 4-5b). Nollapistesäröä voidaan pienentää lisämällä biasjännite > γ ( γ.5) komplementaariparin kantojen välille siten, että pieni virta kulkee molempien transistorien läpi lepotilassa. Millman 4-7 Kuva 4-6 Nollapistesärö voidaan poistaa myös kuvan Millman 4-7 mukaisella kytkennällä, jossa kantojen väliin on kytketty edelläkuvattu jännitekertoja, jonka antojännite on n... Tällöin molemmat transistorit johtavat lepotilassa hieman. Molempia, kuvien 4-6(a) ja 4-7 kytkentämalleja käytetään 74:n toteutuksissa. 93 94 Seuraavana on esitetty lista, jossa on tärkeimmät operaatiovahvistimen spesifikaatiot, joita käsiteltiin jo aiemmin luennolla. Input bias current Input offset current Input offset current drift Input offset voltage Kuva 4-8 Kuvassa Millman 4-8 on esitetty yksinkertaistettu kytkentä esimerkki vahvistimen (74) antoasteesta. Transistorit Q4 ja Q muodostavat komplementaariparilla toimivan emitteriseuraajan. astukset 6 ja 7 toimivat virran rajoittimina. Diodien tilalla on Darlington pari Q8 ja Q9, koska se on helpompi toteuttaa pienelle piialalle, kuin sarjassa olevat diodikytketyt transistorit. irtalähteen antona toimii transistori Q3 ( ja B). Operaatiovahvistimen yksityiskohtaisempi kytkentä esitettiin aiemmin (Millman 4-9). Input offset voltage drift Output offset voltage Input common-mode range Input differential range Output voltage range Full-power bandwidth Power supply rejection ratio Slew rate 95 96
4 Operaatiovahvistimen ominaisuuksia 4. Yleistä FET-ottoisilla operaatiovahvistimilla on pienimmät biasvirrat, vaikka prosentuaalisesti laskien niiden erovirrat (I io ) ovatkin suurempia kuin bipolaarisilla. Usein biasvirran arvo on kuitenkin niin pieni, että kompensointia ei tarvita. FET-ottoisilla operaatiovahvistimilla on huonona puolena niiden biasvirran (samoin I io virran) riippuvuus lämpötilasta. Biasvirta karkeasti ottaen kaksinkertaistuu jokaista C:n lämpötilan nousua kohti. Jos joudutaan toimimaan korkeissa ympäristön lämpötiloissa, FETottoisten operaatiovahvistinten edut biasvirran suhteen katoavat. ikaisemmin lasketuista tuloksista nähtiin, että useimmissa tapauksissa virtojen ryöminnästä johtuva antojännitteen virhe on verrannollinen vastukseen f ( ). Mikäli halutaan päästä mahdollisimman alas virherajoissa ja takaisinkytkentävastuksen f arvoa ei haluta rajoittaa, on valittava operaatiovahvistin jonka I io :n (tai biasvirta I b- ) ryömintä lämpötilan suhteen on mahdollisimman pieni. Lisäksi signaalilähteiden antoresistanssit nähtynä operaatiovahvistimen ottoista on sovitettava keskenään saman suuruisiksi, sekä niin pieniksi kuin käytännössä on sopivaa. Mikäli antoresistanssit ovat suuria on käytettävä operaatovahvistimia, joilla on pieni biasvirta. Huoneen lämpötiloissa FET-ottoisilla operaatiovahvistimilla virrat ovat pieniä, pikoampeeri tasoa (tai jopa alle sen), mutta niiden huonona puolena on I io -virran suhteellisen suuri lämpötilaryömintä. iemmin luennoilla kuvatut biasvirran kompensaatiomenetelmät, jotka muuttivat biasvirtaperäisen virheen, vain virtojen erotuksesta I io riippuvaksi vähentää virheen noin kymmenenteen osaan alkupräisestä tai jopa enemmänkin. Menetelmä toimii hyvin tavallisilla operaatiovahvistimilla, joilla ei ole sisäistä biasvirran kompensointia. Esimerkkinä olkoon operaatiovahvistin D847 jossa menetelmästä on apua. Toisaalta operaatiovahvistimille OP-77 tai D77 joilla on sisäinen biasvirran kompensointi, käytetystä kompensointitavasta ei ole apua. ahvistinpiirien spesifikaatioista nähdään, että biasvirta I b ja erovirta I io ovat lähes samoja, jolloin virhettä ei voi penentää käyttämällä ulkoista vastusta eq. Invertoivassa kytkennässä I b- virrasta johtuva erojännite I b- kasvaa, kun kasvaa (olet. << f ). Koska invertoivan kytkennän resistanssi määräytyy pääosin vastuksen arvosta, syntyy ristiriita suuren ottoresistanssin ja pienen virhejännitteen välille. Jos eiinvertoiva kytkentä on muilta osin riittävä, on se parempi vaihtoehto sovelluksiin, joissa vaaditaan suurta ottoresistanssia ( > MΩ). Kun verrataan invertoivaa ja eiinvertoivaa kytkentää toisiinsa tilanteessa, jossa 97 98 signaalilähteen antoresistanssi s ja kytkennän ottoresistanssi ovat samat kummallekin, saadaan eiinvertoivalla kytkennällä pienempi erojännite. Tämä siksi, koska ei-invertoivassa kytkennässä biasvirta I b+ kulkee vain antoresistanssin s kautta ja se on aina pienempi kuin invertoivan kytkennän resistanssi i. alitettavasti eiinvertoivaa kytkentää ei voida käyttää kaikissa sovelluksissa kuten: integrointi- ja summauspiiri. Lisäksi tarkkuutta vaativissa kytkennöissä CM on rajoittava tekijä. invertoivassa kytkennässä. Ideaalisessa virtamittauksessa ottoresistanssi on nolla, mikä ei-invertoivalla kytkennällä on f, joka voi olla suurikin, koska se määrittelee virrasta riippuvan antojännitteen o arvon. Sen lisäksi f :n rinnalla vaikuttava cm saa aikaan sen, että virran ja antojännitteen välinen suhde (mittausherkkyys) on lämpötilasta riippuva. Sitä vastoin invertoivan kytkennän ottoresistanssi on lähes nolla, kun vo on riittävän suuri. irran mittaus invertoivalla ja ei-invertoivalla kytkennällä 4. Spesifikaatiot Operaatiovahvistimen spesifikaatiot voidaan jakaa kahteen kategoriaan: suurimmat sallitut arvot (Maximum ating) ja piirin sähköiset ominaisuudet (electrical characteristics). Suurimmissa sallituissa arvoissa piirin valmistaja ilmoittaa rajat joiden sisällä on pysyttävä, muutoin piiri voi tuhoutua tai piirin ominaisuudet voivat heikentyä huomattavasti. Ei-invertoivalla kytkennällä on tässä tapauksessa useita epäkohtia verrattuna invertoivan kytkentään. Yhteismuotoisen jännitteen aiheuttamaa virhettä ei ole Sähköisissä ominaisuuksissa kerrotaan tarkemmin piirin ominaisuuksista tyypillisessä toimintaolosuhteessa ( esim. T ambient 5 C ). Parametri annetaan yleensä tyypillisimpänä arvona, koska piirien valmistuslinjalla on tietty toleranssi. Lisäksi parametrille annetaan sen minimi ja/tai maksimiarvo. 99 3
Näiden tietojen lisäksi piirin data-lehdessä on joukko graafisesti esitettyä tietoa, joissa on yleensä jonkin parametrin riippuvuus tietyn muuttujan suhteen ( esim. lämpötila, käyttöjännite, taajuus, jne. ). Suurimmat sallitut arvot Supply oltage + and - Suurin sallittu käyttöjännite, jonka voi turvallisesti kytkeä komponenttiin sitä rikkomatta. aikka operaatiovahvistinten yleisin käyttöjännite on + ja - 5, toimivat ne kuitenkin hyvin laajalla jännitealueella. Joidenkin käyttöjännite voi olla alhaisimmillaan jopa +- tai suurimmillaan +-4. Power Dissipation P D Teho, jonka tietty komponentti voi turvallisesti kuluttaa siten, että sen toimintalämpötila pysyy sille määritellyssä alueessa. Yllä olevassaa kuvassa on esitetty tyypillinen joukko operaatiovahvistimelle ilmoitetuista suurimmista sallituista arvoista. rvo vaihtelee jonkin verran riippuen komponentin kotelotyypistä. Suurimmat arvot saavutetaan keraamisilla ja metallisilla kotelotyypeillä koska niillä lämmönjohtuminen puolijohteesta kotelon pintaan on suurin (lämpöresistanssi on pieni). Muovikoteloiduilla piireillä tehonkesto on pienin. Tyypillisesti arvo on n. 5mW. Piirin tehon kestoa voidaan kasvattaa muotoilemalla kotelo siten, että se on helppo kiinnittää jäähdytyslevyyn, jolloin lämpöresistanssi ympäristöön nähden pienenee (esim. TO-99 kotelotyyppi). Seuraavassa kuvassa on esitetty operaatiovahvistimen OP- 77 kotelotyypit ja niiden lämpöresistanssit. 3 3 Operating Temperature ange T or Lämpötila-alue, jossa komponentti toimii annettujen spesifikaatioiden mukaisesti. Joissakin operaatiovahvistimissa on diodit kytkettynä ottonapojen välille, jolloin differentiaalinen ottojännite on +-.5 tai vähemmän. Toisissa jännite on rajoitettu välille +-5. estämään tuloasteen kanta-emitteri läpilyönti. Korkein differentiaalinen tulojännite on tuloasteissa, joissa on pnp/npn kaskadi tulo. Niissä jännite voi olla +-3. astaavasti FET-tuloasteilla jännite on samaa suuruusluokkaa. Käytössä on kolme lämpötila-aluetta : -55 C - +5 C -5 C - +85 C C - +7 C (Military-grade, industrial-grade and commercial-grade) Differential Input oltage id(max) Differentiaalinen maksimi jännite, joka voidaan kytkeä molempien ottojen välille ilman ylimääräistä virran lisäystä. Common-Mode Input oltage cm(max) Suurin jännite piirin maatasoon nähden, joka voidaan kytkeä yhtä aikaa molempiin tulonapoihin. Jännitteellä on positiivinen ja negatiivinen raja-arvo vaikka se on tyypillisesti itseisarvoltaan sama. Yllä olevassa kuvassa on esitetty operaatiovahvistimen OP-7 cm käyttöjännitteen 33 34
funktiona. Kuvasta nähdään että cm :n itseisarvo kasvaa käyttöjännitteen noustessa. Output Short-Circuit Duration ika, jonka piiri sietää rikkoutumatta oikosulun annon ja maatason (tai käyttöjännitteen) välillä. rvo ei ole välttämättä sama eri oikosulkutilanteille. Lead Temperature Piirin jalkojen lämpötila, jonka se kestää määrätyn ajan juotostapahtuman aikana. mikä tarkoittaa huoneenlämpötilaa ja +-5 käyttöjännitettä. Muut olosuhteet määritellään erikseen kullekin testimittaukselle (frequency, load, source resistance). Yleensä annetaan pienin ja suurin arvo, joskus vain tyypillinen arvo. Ominaisuudet on jaettu seuraaviin ryhmiin: input, output, dynamic and general characteristics. Input Offset oltage io Input characteristics Jännite, joka on kytkettävä kahden identtisen vastuksen kautta ottonapojen välille, jotta antojännite olisi nolla. Lämpötila on tyypillisesti 3 C ja aika 6s ( joillain piirivalmistajilla aika voi olla s). Muovikoteloiduilla piireillä lämpötila ja sietoaika ovat pienempiä: 6 C ja 4s. Electrical Sharacteristics Käydään seuraavassa läpi yleisellä tasolla piiristä esitettyjä sähköisiä ominaisuuksia, joilla määritellään rajat piirin suorituskyvylle. rvot annetaan yleensä valmistuslinjasta otetusta otannasta, joka sisältää suuren määrän komponentteja. aja-arvot mitataan normaaliolosuhteissa, 35 36 Ideaalisella operaatiovahvistimella io. Käytännössä operaatiovahvistimella on pieni, mutta mittattavissa oleva offset-jännite. Bipolaarisilla tuloasteilla varustetuilla operaatiovahvistimilla ero-jännite on pienin, koska transistorien sovitus on suhteellisen helppoa. Niillä offsetjännite on pääsääntöisesti alle muutaman millivoltin. Tyypillisesti yleiskäyttöisillä operaatiovahvistimilla se on +-m. Parhaimmilla operaatiovahvistimilla offset-jännite voi olla sadan mikrovoltin luokaa tai jopa alle sen. FET-ottoisilla operaatiovahvistimilla offset-jännite on huomattavasti suurempi, koska FET transistorien sovittaminen on huomattavasti vaikeampaa kuin bipolaari transistorien. Tyypillisen yleiskäyttöisen FET-ottoisen operaatiovahvistimen offset-jännite on 5-m suuruinen. Parhaimmilla se voi olla alle +-m. Edellisessä kuvassa on esitetty operaatiovahvistimen OP-7 oton erojännitteen arvo ja sen pitkän ajan stabiilisuus sekä käyttöjännitteen kytkemisen jälkeen tapahtuva ns. warm-up drift. Lisäksi kuvassa on tyypillinen erojännitteen mittaamiseen käytetty kytkentä (OP-77). toimintalämpötila-alueella. Bipolaarisella ottoasteella varustetulla operaatiovahvistimilla on pienin lämpötilakerroin. Parhaimmilla operaatiovahvistimilla kerroin on n. µ/ C tai vähemmän. Seuraavassa kuvassa on esitetty OP-7:n ja OP-77:n erojännitteen lämpötilariippuvuus. Input Bias Current I ib Ottovirtojen keskiarvo. Input Offset oltage Temperature Coefficient io T Oton erojännitteen io muutoksen ja lämpötilan T muutoksen suhde, antojännitteen ollessa vakio. Oton erojännitteen lämpötilakerroin ilmoitetaan µ/ C, joka on keskimääräinen arvo komponentin koko Operaatiovahvistimen otoissa kulkeva biasvirta kulkee joko sisään tai ulos riippuen ottoasteen rakenteesta. Biasvirrat ovat tyypillisesti lähes samansuuruisia. FET-ottoisilla biasvirta on pienempi, mutta bipolaarisilla biasvirtojen sovitus on prosentuaalisesti parempi, kuten aiemmin todettiin. 37 38
Input Bias Current Temperature Coefficient I b T Input Offset Current I io Biasvirran muutoksen ja lämpötilan muutoksen suhde. Biasvirtojen erotus, kun antojännite on nolla. Yleiskäyttöisillä bipolaarisilla operaatiovahvistimilla offsetvirta on tyypillisesti n. % biasvirrasta. Suhteellisesti verrattaessa (%) on FET-tyyppisillä operaatiovahvistimilla offset-virta suurempi. Lämpötilakertoimen arvo annetaan keskiarvona koko toimintalämpötila-alueella. Lämpötilakertoimesta nähdään kuinka stabiilina biasvirta pysyy koko toiminta-alueella. Bipolaarisilla tuloasteilla biasvirta on stabiilein sekä kasvaa matalammilla lämpötiloilla. FET-ottoisilla biasvirta keskimäärin kaksinkertaistuu jokaista C nousua kohti. Edellisessä kuvassa on esitetty operaatiovahvistimien OP- 7 ja TL8 ottovirrat lämpötilan funktiona. Siitä nähdään miten JFET-ottoisen (TL8) vahvistimen ottovirran kulmakerroin on positiivinen ja bipolaarisen (OP-7) lämpötilakerroin on negatiivinen, joten siitä voinet vetää johtopäätöksiä korkeilla lämpötiloilla. Input Offset Current Temperature Coefficient I io T Offset-virran muutoksen ja lämpötilamuutoksen suhde, kun antojännite on vakiona. 39 3 Lämpötilakerroin on ilmoitettu keskiarvona koko operaatiovahvistimen toimintalämpötila-alueella. Lämpötilakerroin on pienempi bipolaarisilla operaatiovahvistimilla. Edellisessä kuvassa on esitetty operaatiovahvistimen OP-77 I ib ja I io lämpötilan funktiona. Ottokapasitanssi on tärkeä suuremmilla toimintataajuuksilla, koska vahvistimen ottoimpedanssin yläraja on rajoittettu ottokapasitanssin vuoksi. Mikäli signaalilähteen antoresistanssi on hyvin suuri operaatiovahvistimen ottonavasta katsottuna syntyy suuremmilla taajuuksilla huomioonotettava vaihesiirto, joka vaikuttaa stabiilisuuteen pahimmillaan Input esistance Tuloresistanssi, joka näkyy ottonavasta maihin toisen oton ollessa kytkettynä maihin. Operaatiovahvistimen ottoresistanssi on yleensä suuri. FET-ottoisella se voi olla niinkin suuri kuin Ω huoneenlämpötilassa. Yleiskäyttöisillä bipolaarisilla ottoresistanssi on pienempi, n. MΩ. Kuitenkin ottoresistanssi on paljon suurempi, kuin MΩ bipolaarisilla operaatiovahvistimilla, joilla ottovirta on pieni. Input Capacitance c in Toisessa otossa näkyvä kapasitanssi, kun toinen otto on kytketty maatasoon. Common-Mode ejection atio CM Ottojännitealueen ja oton erojännitteen muutoksen (peakto-peak) suhde koko ottojännitealueella. Ideaaliselle operaatiovahvistimelle yhteismuotoisen jännitteen vaimennussuhde (CM) on ääretön, jolloin yhteismuotoinen jännite ei vaikuta antojännitteeseen. eaalisessa operaatiovahvistimessa yhteismuotoisen jännitteen aiheuttama virhe on pieni mutta mitattavissa oleva suure. CM ilmoitetaan yleensä desibeleinä (db). CM on tärkeä ei-invertoivassa ja differentiaalisessa kytkennässä, koska tulot näkevät näissä kytkennöissä yhteismuotoisen jännitteen. aimennussuhde määritellään tasajännitteelle tai hyvin matalalle taajuudelle. CM putoaa yleiskäyttöisillä operaatiovahvistimilla keskimäärin 6dB/oktaavi alkaen taajuudesta Hz. Tasajännitteille CM on tyypillisesti 9 db - db. Tyypillisesti CM 3 3
on suurempi bipolaarisilla operaatiovahvistimilla. Seuraavassa kuvassa on esitetty operaatiovahvistimien OP- 77 ja OP CM:n riippuvuus taajuudesta. Yhteismuotoisen ottojännitteen ylittäessä annetun rajan ( esim. +-) laskee CM hyvin voimakkaasti (db arvosta 7dB). Power Supply ejection atio PS Oton erojännitteen muutoksen ja käyttöjännitteen muutoksen suhde, kun käyttöjännitteet - ja + muuttuvat symmetrisesti. Parametri kuvaa operaatiovahvistimen kykyä vaimentaa teholähteen jännitteen vaelluksesta ja kohinoista johtuvaa virhettä. PS on otettava huomioon käytettäessä suuria vahvistuksia. Tyypillinen arvo on välillä µ/ - µ/. Input oltage ange Ottonapojen jännitealue, jonka sisällä operaatiovahvistin toimii spesifikaatioiden mukaisesti. Ottojännitealue määrittelee ne rajat ottonapojen jännitteelle, jonka operaatiovahvistin sietää pysyen vielä spesifikaatioiden asettamissa rajoissa. Määritelty jännitealue pätee molempiin ottonapoihin, koska niiden välillä on vain pieni erojännite. Ei-invertoivan jänniteseuraajan tapauksessa, missä takaisin kytkentä on % on molempien ottonapojen ottojännitealue oltava vähintään piirin antojännitteen vaihteluväli (output swing). Mikäli näin ei ole vahvistin saturoi kun ottojännite alue ylitetään. Tyypillisen yleiskäyttöisen operaatiovahvistimen 74 ottojännite alue on +-3 tai enemmän. Jännitealue riippuu luonnollisesti piirin käyttöjännitteestä. lue on pienempi alhaisemmilla käyttöjännitteillä ja vastaavasti suurempi isolla käyttöjännitteellä. Output oltage Swing Output characteristics Suurin antojännitemuutos, joka saavutetaan ilman leikkautumista, maatasoon nähden. 33 34 Parametrista nähdään mihin huippujännitteeseen operaatiovahvistimen anto voidaan ohjata, tietyn kuorman ollessa kytkeytyneenä antoon, siten että antojännitteessä ei tapahdu leikkautumista. ahvistin kytkentä on hyvin epälineaarinen rajalla antojännitteen leikkautumisen vuoksi. Positiivisen ja negatiivisen antojännitteen huiput eivät välttämättä ole itseisarvoltaan samansuuruisia. ntojännitteen huippua voi rajoittaa kuormitusefektit: jännitelähde, taajuusriippuvuus ja vahvistimen signaalilähteen resistanssi. Yleisesti antojännitteen huippu on muutaman voltin päässä käyttöjännitteistä. rvo mitataan yleensä käyttämällä kahta eri kuormaa: kω ja kω. Operaatiovahvistimelle 74 antojännitteen huippu on n. +- 4 käyttöjännitteen ollessa +-5 ja vähintään +- kuorman ollessa kω. Jos kuormana on kω resistanssi arvot ovat vastaavasti: +-3 ja vähintään +-. lle kω kuormalla, alkaa antojännite pudota antovirran rajoituksen vuoksi. Operaatiovahvistin ei vioitu, jos piirin tehonkulutus vain pysyy sallituissa rajoissa, mutta vo pienenee kuormituksen vuoksi. lla olevassa kuvassa on esitetty operaatiovahvistimen TL8 antoalueen riippuvuus taajuudesta, kuormaresistanssista sekä käyttöjännitteestä. Output Short-Circuit Current I osc Operaatiovahvistimen antovirta, kun anto on oikosuljettu maihin tai käyttöjännitteeseen. Operaatiovahvistimessa on sisäinen virranrajoituskytkentä, mikä suojaa piiriä tuhoutumiselta oikosulku tapauksissa. anhemmissa alkuaikojen piireissä suojaus auttoi vain lyhytaikaisissa oikosulkutilanteissa. Myöhemmissä operaatiovahvistintyypeissä aktiiviset suojaukset kestävät pitkäaikaisia oikosulkutilanteita rajoittaen virran - 5m, virran suunnasta riippumatta. Koska virta ei ole 35 36
mikään kriittinen parametri, jota normaali tilanteissa ei ylitetä, annetaan se yleensä tyypillisenä arvona. Seuraavassa kuvassa on esitetty operaatiovahvistimen OP- 77 oikosulkuvirta ajan funktiona. resistanssi oltava yli kω. ahvistimen takaisinkytkentä vaikuttaa vahvistimen efektiiviseen antoresistanssiin pienentävästi. Dynamic characteristics Open-Loop oltage Gain vo Maatasosta mitatun maksimi antojännitemuutoksen ja sen aikaansaamiseksi vaaditun ottojännitteen muutoksen suhde, kun antoon on kytketty tietty kuorma. Output esistance o nnossa näkyvä resistanssi, kun antojännite on nolla. Parametri mitataan piensignaaliolosuhteissa yli muutaman sadan hertsin taajuuksilla. Operaatiovahvistimien antoresistanssi vaihtelee, mutta on tyypillisesti alle Ω. Jos antoresistanssi on suurehko pienenee vahvistuskerroin antokuormituksen kasvaessa, koska osa antojännitteestä häviää piirin sisäiseen antoresistanssiin. Tällöin tilanteissa, joissa suuri vahvistus on tärkeää, on antoa kuormittava voimen kytkennän vahvistus on yksi tärkeimmistä parametreista, koska se vaikuttaa moniin takaisin kytketyn vahvistimen ominaisuuksiin. Yleiskäyttöisen operaatiovahvistimen vo on tyypillisesti n. db annon kuorman ollessa Ω. Seuraavassa kuvassa on esitetty operaatiovahvistimen OP-77 vo :n riippuvuus lämpötilasta sekä käyttöjännitteestä, josta nähdään, että vo kasvaa lämpötilan ja käyttöjännitteen kasvaessa. 37 38 Small-Signal Unity-Gain Frequency f t Taajuus jossa piensignaaliolosuhteissa vo on yksi. Koska sisäisesti kompensoidulla vahvistimella vo putoaa db/dekadi, voidaan taajuusriippuvuus määrittää suoraan käyttämällä hyväksi f t -arvoa piirtämällä suora kulmakertoimella (-db/dekadi). Suora kulkee taajuuden f t kautta, missä vahvistus on db ja "-3dB" reuna on Hz :n kohdalla, kun f t MHz. Tyypillisellä yleiskäyttöisellä operaatiovahvistimella, kuten 74, f t on MHz. Seuraavassa kuvassa on esimerkki tyypillisestä vo :n taajuusriippuvuudesta. Gain-Bandwidth Product GBP Tietyllä taajuudella käytettävissä olevan vo :n ja taajuuskaistan tulo. GBP ja f t liittyvät läheisesti toisiinsa ja tietyissä tapauksissa ne ovatkin samoja asioita. Esimerkiksi operaatiovahvistimen 74 GBP on MHz, koska vo on taajuudella MHz. GBP on vakio riippumatta taajuudesta ja vahvistuksesta. Esimerkin vahvistus on 5 taajuudella Hz, jolloin GBP on MHz. Seuraavassa kuvassa on esitetty OP-7 operaatiovahvistimen vo ja GBP taajuuden ja lämpötilan funktiona. Esimerkkivahvistimen GBP on 8MHz. 39 3
S πe p f p missä E p peak output voltage full power response frequency f p Slew ate S Suurin saavutettavissa oleva jännitteenmuutos aikayksikköä kohti suurella jännitesignaalialueella. Parametri mitataan takaisinkytketyllä konfiguraatiolla, joka on yleensä jänniteseuraaja ( v ). Seurantanopeus määrittelee operaatiovahvistimelle täyden tehon taajuuskaistan (full-power bandwidth), joka on taajuuskaista, missä vahvistimen annosta saadaan vielä suhteellisen särötön antosignaali. ajataajuus voidaan määritellä siten, että raja-alueella siniaallon säröytyminen on alle %. Seuraavan kaavan avulla voidaan laskea rajataajuus fp kun seurantanopeus S tiedetään. S mitataan standardi testikytkennällä, missä operaatiovahvistimeen syötetään suuri askeljännite, jonka nousuaika on erittäin lyhyt, mitattavan piirin seurantanopeuteen verrattuna. Operaatiovahvistimen antojännite muuttuu silloin seurantanopeuden rajoittamana askeljännitteen verran ( v ). Operaatiovahvistimen kompensaatiokapasitanssi vaikuttaa seurantanopeuteen. ajoittava tekijä johtuu piirin rajallisesta kyvystä purkaa ja ladata kapasitanssia. Kun suurin antojännitteen muutos ja taajuus saavutetaan ylittyy operaatiovahvistimen kapassin lataus ja purku kyky, jolloin anto ei enää seuraa lineaarisesti ohjausta ja rajoittuu seurantanopeuteen S. Seuraavassa kuvassa on havainnollistettu seurantanopeuden vaikutus antojännitteeseen askeljännitteen vaikuttaessa jänniteseuraajan ottoon. 3 3 Kuvassa on esitetty OP-7 operaattiovahvistimesta mitattu nousunopeus, kun antojännitteen muutos on ollut -5 jännitteestä +5 jännitteeseen. Kuvasta nähdään, että seurantanopeus rajoittaa reunan nousun n..8/µs arvoon. Transient esponse T Piensignaaliolosuhteissa mitattu askeljännite vaste välillä % - 9%. Missä kaistanleveys ja nousuaika on annettu yleensä MHz ja µs. Testikytkentänä käytetään yleensä jänniteseuraajaa ( v ), jonka annossa on tietty kuormaresistanssi ja kapasitanssi. Signaalitaso on yleensä 5m tai vähemmän, jotta seurantanopeus S ei ole rajoittava tekijä ja piensignaaliolosuhteet saavutettaisiin. Edellisessä kuvassa on esitetty operaatiovahvistimista OP-7 ja 74 mitattu transienttivaste. Settling Time t s ika, joka vaaditaan antojännitteen asettumiseen tietyllä tarkkuudella askeljännitteen ohjaamaan tasoon. Kuten S on T myös mitattu takaisinkytketyllä mittaus konfiguraatiolla. Piensignaaliolosuhteissa antojännitteen vaste on eksponentiaalinen funktio, jonka aikavakio on kääntäen verrannollinen kaistanleveyteen..35 bandwidth rise time 33 34
Parametri mitataan yleensä tietylle takaisinkytkentä- ja kuormitustilanteelle. settumisaika on tärkein /D- ja D/muunnin sovelluksissa. Edellä esitetyssä kuvassa on esitetty asettumisajan määrittely. Yleisä ominaisuuksia Power Consumption P c Teho, jonka operaatiovahvistin kuluttaa antojännitteen ollessa nolla. ntoon ei ole kytketty kuormitusresistanssia. nnettua tehon arvoa ei saa sotkea varsinaiseen piirin kotelotyypille sallittuun tehon kulutukseen. Tehonkulutus on ilmoitettu yleensä käyttöjännitteelle +-5. Yksikköinä on yleensä mw tai milliampeereina tietyllä jännitteellä. Lisäksi tehonkulutuksen lämpötilariippuvuus ja käyttöjänniteriippuvuus voidaan antaa. Seuraavassa kuvassa on muutama esimerkki operaatiovahvistimelle annetuista parametreista ja niiden riippuvuudesta lämpötilasta ja käyttöjännitteestä. lla olevassa kuvassa on esitetty operaatiovahvistimen OP-77 ja komparaattorin LM tehonkulutus käyttöjännitteen funktiona ja lämpötilan funktiona. 5 Operaatiovahvistimen suojaamisesta Edellä esitettyjen operaatiovahvistimelle annettujen rajoitusten jatkuva tai hetkelliset ylitykset rikkovat piirin tai vähintäänkin muuttavat sen dc-parametreja, kuten oton erovirta. Lisäksi vahvistus, sekä oton kohinaominaisuudet saattavat muuttua. Tarkastellaan lyhyesti seuraavissa kappaleissa eri tilanteita, joissa operatiovahvistimelle annetut rajat voivat ylittyä, sekä miten niiltä voidaan suojautua. 35 36 5. Tulon rajoitukset Operaatiovahvistimen tuloasteen vikaantuminen voidaan saada aikaan kahdella yleisellä tavalla: differentiaalisen tulojännitteen rajan ylitys, tai yhteismuotoisen tulojännitteen ylitys. Joista ensin mainittu on mahdollista saada aikaan monellakin tavalla. Tarkastellaan aluksi differentiaalisen tulojännitteen ylitystä. Differential Input Breakdown Suojaamattoman ottoasteen rikkominen saadaan aikaan helposti ylittämällä differentiaalinen tulojännitteen yläraja. ajan ylittyessä jompikumpi ottoasteen differentiaaliparin transistoreista, riippuen differentiaalisen jännitteen polariteetista, kokee emitteri-kanta liitoksen zenerläpilyönnin. Seuraavassa kuvassa on operaatiovahvistimen differentiaalinen tulo kuvattu kahden vastakkain kytketyn (back-to-back) zenerin (7) avulla. Jos erojännite nousee yli +- 7 voltin, kokee toinen zenereistä (emitter-base diode) läpilyönnin, jolloin operaatiovahvistimen tuloihin kytkettyjen jännitelähteiden antoresistanssit rajoittavat virran suuruutta. Jos molempien edellä mainitut antoresistanssit ovat pieniä ylittää virta helposti ottoasteen rikkovan rajan. Noin 5m:n suuruinen virta riittää jo aiheuttamaan pysyvän vian, yleensä liitoksen oikosulun. Pienemmät virrat eivät ehkä aiheuta niin lopullista tuhoa, mutta voivat saada aikaan pysyviä muutoksia operatiovahvistimen spesifikaatioihin. Oton erovirta, vahvistus tai kohinaominaisuudet voivat muuttua, mikä tarkoissa mittalaitteissa voi sovelluksesta riippuen näkyä suorituskyvyn heikkenemisenä, jolloin laite toimii, mutta ei täytä enää sille annettuja alkuperäisiä spesifikaatioita. 37 38
Jotta voisimme suojautua vikaantumisilta, on suunnittelun aikana ennakoitava kaikki ne tilanteet, joissa rajojen ylitykset ovat mahdollisia. Tämä merkitsee sitä, että suunnitteluvaiheessa kytkennän rakenne ja/tai operaatiovahvistimen valinta määräytyy osaksi suojaustarpeiden mukaan. Edellisessä kuvassa on esitetty muutamia tilanteita, joissa differentiaalisen jännitteen arvo voi ylittää sallitun rajan. Kuvan kohdassa (a) on jänniteseuraaja, jonka tuloon syötetään nopea n. askeljännite. Jotta operaatiovahvistimen molempien tulojen välinen jännite-ero olisi pieni, tulisi operaatiovahvistimen antojännitteen seurata syötettyä askeljännitettä. Koska reaalisella operaatiovahvistimella on äärellinen antojännitteen nousunopeus (slew rate) jää antojännite jälkeen, jolloin invertoivan ja ei-invertoivan tulon välille syntyy suuri jännite. Tällöin seurantanopeuden ollessa liian pieni voi erojännite kasvaa seuranta-ajalla yli sallitun rajan. Kun molemmat tulot ovat kytkeytyneet matalaan impedanssiin, niin zener-läpilyönnin seurauksena syntynyt virta voi kasvaa helposti tasolle, joka aiheuttaa pysyviä vaurioita tuhoten ottoasteen. Kuvan kohdassa (c) on esitetty integraattorin kytkentä, jossa erojännitteen arvo voidaan ylittää tilanteessa, missä käyttöjännitteet katkaistaan kapasitanssin ollessa latautuneena suureen jännitteeseen. arma tilanne, missä raja ylitetään väistämättä on komparaattorikytkennän toteuttaminen suojaamattomalla operaatiovahvistimella. Komparaattorin tuloihin syötetään toisistaan riippumattomat jännitteet, jolloin erojännite nousee väistämättä yli rajan, jos vertailtavat jännitteet samaa suuruusluokkaa, kuin käyttöjännitteet. Yleensä tuloihin kytkeytyneet resistanssit ovat myös pieniä, joten virta on myös suuri tuhoten ottoasteen. astaavasti invertoivassa kytkennässä, kuvan kohta (b), on sama ongelma, mutta nyt tilanne on huomattavasti valoisampi kytkennässä olevien resistanssien i ja f vuoksi. astukset rajoittavat läpilyönnin seurauksena syntyvää virtaa, jolloin se ei välttämättä nouse liian suureksi. 39 33 Edellä mainittuihin tilanteisiin voidaan varautua helposti käyttämällä operaatiovahvistimen tulojen välissä erojännitteen leikkauspiiriä, joka voidaan toteuttaa kahdella rinnakkain kytketyllä diodilla sekä sarjaresistansseilla (edellisen kuvan kohta a), jotka rajoittavat läpikulkevaa virtaa. Diodeilla tulee olla pieni vuotovirta. Diodit voidaan korvata myös kuvan (b) mukaisella zenerkytkennällä, mutta se ei ole taloudellista. almistettaessa suuria sarjoja kannatta käyttää diodeja, koska ne ovat edullisempia. Kolmas vaihtoehto on valita operaatiovahvistin, jossa on sisäinen erojännitteen suojaus. Kuvan kohdassa (c) on esimerkki operaatiovahvistimesta (esim. OP-7), jolla suojaus saadaan aikaan lisäämällä vain sarjavastukset rajoittamaan leikkausvaiheen virtaa. esistanssien arvot on asetettava tapauskohtaisesti, mutta käytännössä resistanssien arvo voi olla jopa kω. Lisäksi ne voivat olla samansuuruiset. Tapauksesta riippuen toinen tai jopa molemmat vastukset voidaan jättää pois, mikäli tuloihin kytkeytyneet resistanssit ( f tai tulo resistanssit) rajoittavat virran turvalliselle alueelle. Esimerkiksi invertoivassa kytkennässä riittää vain diodit, jos ( i ) ja ( f ) ovat riittävän suuria. Käytettäessä jänniteseuraajana sisäisillä diodeilla varustettua operaatiovahvistinta (esim. OP-7) on takaisinkytkentään lisättävä riittävän suuri resistanssi rajoittamaan virtaa. Ilman resistanssia leikkausvirtaa rajoittaa ainoastaan operaatiovahvistimen oma oikosulkuvirran rajoitus. Jos resistanssi on liian pieni (esim. Ω) niin operaatiovahvistin toimii nopeata askeljännitettä seurattaessa epälineaarisesti diodien ja annon virran rajoituksen yhteisvaikutuksesta (seuraava kuva). Esimerkiksi operaatiovahvistimen OP-7 kanssa resistanssin tulisi olla yli 5Ω (/m), jotta se toimisi lineaarisella alueella. astuksen arvoa ei kannata asettaa liian suureksi, koska sen kasvaessa kω:n alkaa kytkennän vaihemarginaali pienentyä operaatiovahvistimen ottokapasitanssin ja resistanssin vuoksi. Lisäämällä resistanssin rinnalle pieni kapasitanssi (-5pF) voidaan tilannetta tietysti helpottaa. Nykyään monissa instrumentointivahvistimissa on sisäiset suojausdiodit ilman virranrajoitusvastuksia, koska näin saadaan itse operaatiovahvistimen kohinaominaisuudet paremmaksi. Tällöin ne on lisättävä tarvittaessa ulkoisesti. Esimerkiksi instrumentointivahvistimelle OP-7 (dual 33 33
low-noise and low-offset) on annettu suurimmissa sallituissa arvoissa rajaksi erojännitteelle +-.7 (matala arvo johtuu nyt suojadiodeista) sekä virralle +-5m. Joissakin operaatiovahvistimissa, kuten OP-7, löytyy rajoitusvastukset myös sisältä diodien ohella. OP-7 operaatiovahvistimelle on tällöin annettu vain suurin sallittu erojännite +-3, kun käyttöjännite on +-. Common-Mode Input Breakdown Toinen tapa tuhota operaatiovahvistin on syöttää tuloihin yhteismuotoisen jännitteen rajan ylittävä jännite, jolloin suuri ottovirta aiheuttaa pysyvän vaurion. aikka esim. perheen erojännitteen kestokyky on suhteellisen hyvä voi operaatiovahvistin tuhoutua tietyissä tilanteissa yhteismuotoisen jännitteen vuoksi. Edellisessä kuvassa on esitetty 3-tyyppisen operaatiovahvistimen ottoaste, jossa tulot on kytketty suoraan molempien npn-transistorien kannoille, sekä kollektorit kytketty positiiviseen käyttöjännitteeseen. Normaali toimintatilassa transistorien kanta-kollektori liitos on aina estosuuntaisesti biasoitu. Jos toiminnan aikana positiivinen käyttöjännite poistetaan ja tuloihin kytkeytyneet positiiviset jännitteet pysyvät joutuu kantakollektori liitos myötäsuuntaiseen biasointiin. Jos nyt tuloihin kytkeytyneiden jännitelähteiden antoresistanssi on pieni, kasvaa myötäsuuntaan johtavan liitoksen virta liian suureksi ja ottoaste tuhoutuu. Edellä mainittu tilanne syntyy helposti mittalaitteessa, jonka tulossa on suojaamaton operaatiovahvistin, johon syötetään suuri mitattava jännite mittarin ollessa suljettuna. astaavanlainen tilanne voi syntyä laitteen sisällä, jos tuloon on kytkeytyneenä yli. µf kapasitanssi ja käyttöjännitteet katkaistaan. Tällöin kapasitanssi purkautumisvirta voi tuhota piirin ottoasteen. 333 334 atkaisuksi (edellinen kuva) edellä kuvattuihin tilanteisiin riittää yksinkertaisimmillaan tuloihin lisätty virtaa rajoittava vastus, jonka arvo voi piiristä riippuen jopa kω. Yleensä kω vastus riittää. Sarjavastus on lisättävä niihin tuloihin, joihin pienen antoresistanssin omaava suuri jännite on kytkeytyneenä. Yleensäkin käyttöjännitteen puuttumiseen kannattaa suhtautua vakavasti. Useat BiFetoperaatiovahvistimet voivat tuhoutua, jos tuloissa on jännitteet ja negatiivinen käyttöjännite häviää. tulojännitteeltä joka on negatiivinen käyttöjännitteeseen - (tai maataso) nähden, muuten oton kanta-kollektori liitos alkaa johtamaan ja ottoaste tuhoutuu ja/tai syntyy ns. latchup tilanne. Tilanteelta voidaan suojautua kytkemällä Schottky diodi anodipuoli --jännitteeseen sekä resistanssit operaatiovahvistimen ottojen ja diodien katodin väliin. Yleensäkin tilanteissa, joissa on mahdollista saada operaatiovahvistimen käyttöjännitteitä ylempiä + tai alempia (-), kannattaa piiri suojata. Seuraavasa kuvassa on esitetty yleiskäyttöinen suojaus kytkentä. Edellisessä kuvassa on esitetty Difet (dielectrically isolated FET) operaatiovahvistimen OP oton virta tulojännitteen funktiona, kun käyttöjännitteet nollassa. Siitä nähdään, että tulojännitteen ollessa alle -6:n kasvaa virta liian suureksi ja ottoaste tuhoutuu. irran rajoittamiseksi turvalliselle alueelle tulojännitteen ollessa +-5 rajoissa, kytketään tuloihin kω vastukset. astaavasti, kuten edellä, on 4 perheeseen kuuluva operaatiovahvistin 34 suojattava rajan ylittävältä yhteismuotoiselta jännitteeltä. Piiri on suojattava Jos käytetyn operaatiovahvistimen biasvirta on pieni kannattaa käyttää pienivuotovirtaisia diodeja. Edellä mainittu latch-up ilmiö ilmenee useimmin jänniteseuraaja kytkennöissä, missä tulo- ja antojännite ovat samoja, sekä tuloon syötetään suuria jännitteitä. Mikäli tuloasteen biastasot eivät ole riittävän paljon suurempia, kuin tuloon syötetyn jännitteen huippuarvot voi aste saturoitua, jolloin normaalisti negatiivinen takaisinkytkentä muuttuu positiiviseksi. Tällöin operaatiovahvistin "lukittuu" 335 336
saturaatiotilaan, jota kutsutaan latch-up tilanteeksi. Seuraavassa kuvassa (a) on esitetty ottoasteen rakenne, jonka yhteismuotoisen jännite on n. +8 ja antojännitteen raja yltää +4:n. vain käyttöjännitteiden poiskytkemisellä. Tähän lukittuneeseen tilaan voidaan päätyä myös antopuolen takaisinkytkennän (transistorille Q) kautta tulevan positiivisen transientin vuoksi. Edellinen tilanne voi koitua operaatiovahvistimen tuhoksi, koska antojännitteen ajautuessa pysyvästi positiiviseen laitaan voi suurin sallittu erojännite ylittyä jännitteen laskiessa riittävän alas ei-invertoivassa tulossa. Tuhoutuminen on melko varmaa, koska molemmat tulot ovat kytkeytyneet matalan antoresistanssin omaaviin jännitelähteisiin. Koska latch-up ilmenee vain alueella, jossa liikutaan yhteismuotoisen jännitteen äärirajoilla, voidaan ilmiö estää millä tahansa kytkennällä, joka pienentää tulojännitealueen riittävän pieneksi. Signaalivahvistuskertoimen ollessa reilusti yli yhden tai tulojännitealueen ollessa pieni ei ilmiö ole todennäköinen. Jos tällaiseen operaatiovahvistimeen syötetään tulojännite, joka ylittää 8:n rajan reilusti on täysin mahdollista, että tuloasteen transistori Q saturoituu, josta seuraa edellä mainittu tilanne. Tilanteen purkaminen onnistuu yleensä Kuvan kohdassa (b) on esitetty yleinen suojauskytkentä. Koska lukkiutuminen tapahtuu yleensä vain toisella yhteismuotoisen jännitteen äärirajalla, tarvitaan kytkennässä yleensä vain toista diodia, joko D tai D. Kevyesti biasoidut zenerdiodit määräävät tulojännitteen rajat. 337 338 6 Offset-jännitteen kompensointi tapoja Sovelluksissa, joissa edellytetään suurta tarkkuutta DCjännitetasossa, on operaatiovahvistimen oton erojännite merkittävä virhelähde käytettäessä suuria vahvistuksia. Haluttaessa minimoida tästä johtuva virhe on operaatiovahvistimen offset-jännite nollattava. Nollaus voidaan tehdä piirivalmistajan antamalla tavalla (internal nulling) tai käyttämällä yleisiä ulkoisia nollauskytkentöjä (external nulling). Tarkastellaan seuraavissa kappaleissa operaatiovahvistimen erilaisia offset-jännitteen nollaus tapoja. 6. Tarkkoja nollaustapoja Yksinkertaisin tapa toteuttaa offset- jännitteen nollaus on käyttää piirin valmistajan suosittelemaa kytkentää, missä piirin ulkopuolella tarvitaan minimissään vain yksi monikierroksinen ( tai ) trimmeripotentiometri. Tarkkoihin instrumentointi sovelluksiin sopivien operaatiovahvistinten offset- jännite on yleensä muutama kymmenen µ, jolloin offset- jännitteen ryömintä voi olla. µ -.5 µ. Operaatiovahvistimen offset- jännitteen tyypillinen ryömintä on n. 3.3 µ/ C/m. Jolloin pienellä offset- jännitteellä on myös pieni ryömintä lämpötilan suhteen. Esimerkkinä OP-77, jonka io on typillisesti 5µ ja ryömintä. µ/ C lämpötila-alueella -55 C < T < +5 C. Pieni offset- jännite ja sen vähäinen ryömintä lämpötilan ja ajan suhteen ovat tarkoissa (DC-taso) instrumentointi sovelluksissa tavoiteltavia ominaisuuksia. Tämän vuoksi yleisesti ottaen tulisi välttää offset-jännitteen nollausta, jos se vain on mahdollista. Tämä siksi, koska nollaus kasvattaa hyvin helposti offset-jännitteen ryömintää (myös CM heikkenee). Ilmiö on havainnollistettu edellisessä kuvassa. Ensin on pyrittävä käyttämään operaatiovahvistinta, jonka ominaisuudet riittävät ilman offset- jännitteen nollausta (bipolaariset operaatiovahvistimet). asta tämän jälkeen käytetään piirille sopivaa nollauskytkentää. Samalla on pyrittävä käyttämään operaatiovahvistimia, joilla offsetjännitteen nollaus ulkoisella trimmerillä ei heikennä ratkaisevasti piirin lämpötilasta johtuvaa ryömintää. Esimerkiksi OP-7 ja OP-7E operaatiovahvistimelle 339 34