plik

Wzmacniacze operacyjne

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

Znana z produkcji precyzyjnych, ale

i kosztownych układów scalonych fir−
ma BurrBrown ma w swej ofercie ele−
ment, nazywany “diamentowym tran−
zystorem” (diamond transistor).

Skąd ta nazwa? Czy jest to zwia−

stun  nowej  epoki?  Czyżby  miałby  to
być  nowy  element,  mający  zastąpić
klasyczne  tranzystory  bipolarne?  Do
czego  można  go  wykorzystać?  Czy
Czytelnicy EdW powinni zakupić i wy−
próbować taki element?

Symbol “diamentowego tranzysto−
ra”  pokazany  jest  na  rysunku  1.
Dwie strzałki w obwodzie emitera
wskazują,  że  prąd  emitera  może
płynąć  w obu  kierunkach.  A jeśli
prąd  emitera,  to  zapewne  także
prąd  bazy...  Intuicja  podpowiada,
że taki element mo−
że  pracować  za−
równo  w roli  tran−
zystora  NPN  wg
rysunku  2a,  jak
i PNP według  ry−
sunku 2b.

W zasadzie jest

to  prawda,  jednak
nie warto wyrzucać na śmietnik posiadanych
tranzystorów  bipolarnych.  Sprawa  nie  jest
wcale  taka  prosta,  jak  sugeruje  schemat  no−
wego elementu. Diamentowe tranzystory nie
zdominują rynku z kilku powodów. Aby do−
brze zrozumieć ich działanie, a także możli−
wości  i ograniczenia,  należy  przypomnieć
właściwości zwykłych tranzystorów bipolar−
nych. Przyda się też wyobrażenie elementów
elektronicznych jako czarnych skrzynek, wy−
kazujących  właściwości  określone  prostymi
wzorami.  Wbrew  pozorom  nie  jest  to  wcale

trudne, a wnioski okażą się rewelacyjne i za−
skakujące. Zaczynajmy więc! I nie denerwuj
się, że tak szeroko omawiamy różne czarne
skrzynki. Nie pomiń tych rozważań, bo
później okażą się bardzo potrzebne.

Jak wiadomo,

tranzystor  bipolar−
ny  zaczyna  się
otwierać,  gdy  na−
pięcie  baza−emiter
ma

wartość

0,5V...0,7V. W tym
zakresie

napięć

bardzo małe zmiany napięcia U

wywołują

duże zmiany prądu kolektora. Tranzystor
można więc nazwać konwerterem (zmian) na−
pięcia U

na prąd I

– ilustruje to rysunek 3.

Można  też  określić  “współczynnik  przetwa−
rzania”  napięcia  na  prąd  będący  stosunkiem
zmian  prądu  Ic  do  zmian  napięcia  U

Współczynnik taki nazywamy transkonduk−
tancją. Wszystko wskazuje, że czym większy
ten “współczynnik przetwarzania”, tym lepiej.
Gdy maleńkie zmiany napięcia wejściowego
tranzystora wywołają duże zmiany prądu wyj−
ściowego, wtedy nie trzeba się będzie na przy−
kład obawiać zniekształceń nieliniowych.

Czarna skrzynka z rysunku 3 nie repre−

zentuje jednak tranzystora, choćby z tego
względu, że ma tylko dwie końcówki. Prze−
cież napięcie zawsze mierzy się między dwo−
ma punktami. Dla końcówki bazy potrzebny
jest jakiś punkt odniesienia. W tranzystorze
jest to wyprowadzenie emitera.

Narysowanie tego punktu odniesienia jak

na rysunku 4 jest w zasadzie słuszne, ale
może wprowadzić w błąd. Sugeruje bowiem,
że istotne jest tu jedynie napiecie U

. Tym−

czasem emiter to nie tylko wejściowa koń−
cówka odniesienia. Jest to jednocześnie koń−
cówka wyjściowa – przecież przez końcówkę

emitera

płynie

prąd,  praktycznie
taki  sam,  jak  prąd
kolektora  (pomija−
jąc prąd bazy). Po−
nieważ  emiter  jest
w sumie i wejściem,  i wyjściem, niewłaści−
we  skojarzenia  może  też  wywołać  przedsta−
wienie  go  w postaci  czarnej  skrzynki  z ry−
sunku  5a.  Może  należałoby  narysować  go
inaczej, tak jak na rysunku 5b?

Najlepiej jednak narysować go w jednej

z postaci z rysunku 6, zaznaczyć przepływ prą−
du i opisać jego właściwości za pomocą bardzo
prostych wzorów (pomijamy mały prąd bazy).
Przeanalizuj zależności podane na rysunku 6
i przekonaj się, iż rzeczywiście opisują one
tranzystor (idealny lub zbliżony do ideału).

Zwróć uwagę zwłaszcza na rysunek 6b.

Czy widzisz, że w istocie jest to źródło prą−
dowe sterowane napięciem? Mamy tu naj−
prawdziwszy konwerter napięcie−prąd, tyl−
ko trochę dziwny, bo w jednej z końcówek

Idealny tranzystor

czyli...

znów o wzmacniaczach operacyjnych

Idealny tranzystor

czyli...

znów o wzmacniaczach operacyjnych

Rys. 1

Rys. 2

Rys. 3

Rys. 4

Rys. 5

Rys. 6

część 1

wejściowych płynie prąd równy prądowi
wyjściowemu. Dalsze rozważania będą ła−
twiejsze, jeśli intuicyjnie przedstawisz sobie
działanie tranzystora właśnie w ten sposób.

Ponieważ napięcie na emiterze podąża za

napięciem  bazy,  można  to  sobie  wyobrazić,
że między bazą a emiterem umieszczony jest
swego  rodzaju  bufor.  Z kolei  prąd  emitera
jest  praktycznie  równy  prądowi  kolektora.
Dlatego w literaturze spotyka się także sche−
mat zastępczy czy też model mniej więcej ta−
ki jak na rysunku 7. Początkującym może to
wydać się dziwne, dlatego pozostańmy przy
czarnej skrzynce z rysunku 6b.

Pierwsza niespodzianka

A teraz powróćmy na chwilę do rysunku 4. Wy−
obraźmy sobie element albo lepiej układ, który
ma  dwa  równorzędne  wejścia,  przez  które
praktycznie  nie  płynie  prąd  i w którym  prąd
wyjściowy zależy od różnicy napięć miedzy tymi
wejściami.  Układ  taki  i opisujące  go  wzory
można znaleźć na rysunku 8. Teraz powinieneś
zauważyć  i dobrze  zrozumieć  różnicę  między
czarnymi skrzynkami z rysunków 6b i 8. Wzo−
ry  różnią  się  w jednym  szczególe  –  wartością
prądu I

. W mode−

lu reprezentują−
cym

tranzystor

(rys. 6) prąd I

. W modelu z ry−

sunku 8 I

= 0 prąd

nie płynie, czyli
wejście E ma bardzo dużą rezystancję.

Czy model z rysunku 8 nie przypomina

trochę wzmacniacza operacyjnego?

Rzeczywiście przypomina, ale nie jest to

klasyczny  wzmacniacz  operacyjny,  bo  sto−
pień wyjściowy jest źródłem prądowym. Te−
raz  uwaga!  Jest  to  wzmacniacz  transkon−
duktancyjny  (transconductance  ampli−
fier),  albo  inaczej    transkonduktancyjny
wzmacniacz  operacyjny  (operational
transconductance  amplifier,  w skrócie
OTA), w którym  prąd  wyjściowy  zależy  od
różnicy  napięć  wyjściowych.  Schemat  za−
stępczy  takiego  wzmacniacza  pokazany  jest
na rysunku 9. Wzmacniacze takie są produ−
kowane jako układy scalone, przykładem są

opracowania oznaczone
LM13600 i

ulepszony

LM5517, mające zresztą
dodatkowe funkcje. Upro−
szczony blokowy schemat
kostek

LM13600

i NE5517 po−
kazany jest na
rysunku 10.
G e n e r a l n i e
układy

d z i a ł a n i e m
przypominają
w z m a c n i a c z
o p e r a c y j n y,
ale  mają  do−
datkowe  ob−
wody,  dodat−
kowe

koń−

cówki i dodat−
kowe  funkcje.
Objaśnienie ich roli wykracza poza ramy te−
go  artykułu.  Dokładniejszy  opis  wymienio−
nych  kostek  może  się  ukazać  w EdW,  o ile

Czytelnicy upomną się o to w ramach mi−
niankiety.

W poszukiwaniu ideału
− druga niespodzianka

I oto  poszukując  idealnego  tranzystora  na−
tknęliśmy  się  na  transkonduktancyjny
wzmacniacz operacyjny, skądinąd bardzo po−
żyteczny,  stosowany  kiedyś  dość  często
w układach  elektronicznej  regulacji  sygna−
łów audio, dziś już mniej popularny.

Choć z pewnością nie jest to nasz wyma−

rzony cudowny tranzystor, jesteśmy już od
niego o jeden drobny kroczek.

Teraz już wiemy, iż wzmacniacz trans−

konduktancyjny  (rysunki  8,  9)  różni  się  od
poszukiwanego  idealnego  tranzystora  jed−
nym drobnym, ale niepokojącym szczegółem
−  prądem  wyprowadzenia  E.  W przypadku
zwykłego  tranzystora  sprawa  jest  bardzo  ła−
twa  do  intuicyjnego  pojęcia  –  rozpływ  prą−
dów, pokazany na rysunku 2, jest oczywisty.
Tak,  ale  w obwodzie  wyjściowym  (kolekto−
rze)  prąd  może  płynąć  tylko  w jednym  kie−
runku, a w poszukiwanym idealnym tranzy−
storze  powinien  płynąć  w obu  kierunkach.
Jak to możliwe?

I oto nadeszła pora, by uchylić rąbka taje−

mnicy. Już po pobieżnym przejrzeniu infor−

macji technicznych okazuje się, że “diamen−
towy  tranzystor”  o symbolu  z rysunku
11a to nie pojedynczy element, lecz... układ
scalony, zawierający przynajmniej kilka tran−
zystorów  bipolarnych.  Pokazuje  to  rysunek
11b. Ściślej biorąc, “diamentowy tranzystor”
jest  zaznaczoną  różowym  kolorem  częścią
układu scalonego OPA660, układu wcale nie
nowego,  produkowanego  od  dobrych  kilku
lat.  (Na  marginesie  dodam,  że  oznaczenie
OPA nie ma nic wspólnego z wcześniejszym
OTA.  OPA to  firmowe  oznaczenie  wielu
układów opracowanych przez BurrBrown.)

Wygląda jednak na to, że jest to kolejna

odmiana wzmacniacza operacyjnego, a nie
żaden tranzystor. Oczywiście nie ma tu mo−
wy o otwieraniu przy napięciu 0,5V...0,7V.
Działanie w uproszczeniu jest następujące:

− przy zerowym napięciu miedzy końców−

kami B−E prąd “kolektora”, czyli końcówki
C, jest równy zeru;

− przy pojawieniu się dodatniego napięcia

na bazie, prąd “kolektora’ jest, powiedzmy,
dodatni;

− przy pojawieniu się na bazie napięcia ujem−

nego, prąd wyjściowy jest, powiedzmy, ujemny.

Ponieważ “współczynnik przetwarzania”

napięcia na prąd, ściślej transkonduktancja
ma dużą wartość, do dużych zmian prądu
wyjściowego wystarczą bardzo małe zmiany
napięcia, rzędu miliwoltów.

I to jest działanie “zwykłego” wzmacnia−

cza  transkonduktancyjnego.  Jednak  układ
z rysunku  11  rzeczywiście  przypomina  tro−
chę tranzystor, bo trzecia końcówka jest jed−
nocześnie i wejściem, i wyjściem. Prąd “emi−
tera”  zawsze  ma  (a przynajmniej  powinien
mieć) wartość równą prądowi “kolektora”.

Wydaje Ci się to dziwne? Nie przejmuj się

zbytnio. Działanie tego dziwoląga przeanali−
zujemy za miesiąc i zapewne znów będziesz
zaskoczony.  Wcześniejsze  rozważania  doty−
czące  czarnych  skrzynek,  zwykłego  tranzy−
stora  i wzmacniacza  transkonduktancyjnego
okażą  się  konieczne,  by  w pełni  zrozumieć
działanie  naszego  głównego  bohatera.
A więc do zobaczenia za miesiąc!

Piotr Górecki

Wzmacniacze operacyjne

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

Rys. 7

Rys. 10

Rys. 11

Rys. 8

Rys. 9