Rodzaje sprzężeń we wzmacniaczach operacyjnych.

Zarówno wzmacniacze operacyjne ze sprzężeniem napięciowym (voltage feedback,VFB), jak i wzmacniacze ze sprzężeniem prądowym (current feedback, CFB) mają charakterystyczne właściwości, które kwalifi kują je do zastosowań w konkretnych urządzeniach. Przykładowo, wzmacniacze VFB mają większe wzmocnienie w otwartej pętli sprzężenia. Ponadto zapewniają mniejsze wejściowe napięcie niezrównoważenia i mniejszy wejściowy prąd polaryzacji, a w konsekwencji niższe wyjściowe napięcie niezrównoważenia i jego dryft . Wejściowe prądy polaryzujące są w przybliżeniu równe dla obu wejść i zazwyczaj nie przekraczają kilku mikroamperów (we wzmacniaczach z wejściem FET możliwe jest uzyskanie wartości nawet poniżej kilkuset fA), a wejściowe napięcie niezrównoważenia najczęściej nie
przekracza kilku mV (po korekcji nawet kilka μV). Z kolei we wzmacniaczach CFB prądy polaryzujące są różne na obu wejściach przede wszystkim dlatego, że wejścia odwracające i nieodwracające mają zupełnie inną architekturę. Z tego też powodu nawet zewnętrzne obwody korekcji prądu polaryzującego nie są
w takim wypadku użyteczne, co ilustruje poniższy przykład.

Przykład 1
Na rysunku 1 przedstawiono przykład wzmacniacza w konfiguracji odwracającej, w którym wykorzystano układ OPA846 ze sprzężeniem napięciowym. Wprowadzono tu obwód korygujący wejściowe prądy polaryzacji, który składa się z rezystora i kondensatora na wejściu nieodwracającym. Zakładając, że do wejścia wzmacniacza będzie podłączone źródło sygnału o impedancji 50Ω, rezystor korygujący powinien mieć wartość 90,9Ω, co odpowiada zastępczej rezystancji równoległego połączenia rezystorów 100Ω i 1kΩ na wejściu odwracającym. Na rysunku 2 przedstawiono odpowiedzi

Rys. 1. Wzmacniacz w konfiguracji odwracającej z obwodem korekcji wejściowych prądów polaryzacji. Ta metoda skutkuje jedynie, gdy używamy wzmacniacza speracyjnego ze sprzężeniem napięciowym

częstotliwościowe omawianego układu oraz wzmacniacza ze sprzężeniem prądowym: OPA684. Pasma przenoszenia w obu przypadkach są zbliżone (VFB ok. 130 MHz, CFB ok. 150 MHz). O tym, że do uzyskania większej precyzji lepiej zastosować wzmacniacz VFB, można się przekonać, wyznaczając maksymalne wyjściowe napięcie niezrównoważenia. W przypadku wzmacniaczy CFB należy oddzielnie analizować wejściowe prądy polaryzujące dla obu wejść. Jeżeli na wejściu nieodwracającym wzmacniacza pozostawimy wcześniej wyznaczony rezystor korygujący, to uwzględniając następujące parametry OPA684: wejściowe napięcie niezrównoważenia = 3,5mV, wejściowy prąd polaryzacji wejścia nieodwracającego = 10μA, wejściowy prąd polaryzacji wejścia odwracającego = 16μA oraz to, że wzmocnienie szumu jest równe 11, maksymalne wyjściowe napięcie off setu wyniesie 3,5mV ∙ 11 V/V + 10μA ∙ 90,9Ω ∙ 11V/V – 16μA ∙ 1kΩ = 32,5mV. Tymczasem we zmacniaczu VFB OPA846, w którym analogiczne parametry mają następujące wartości: wejściowe napięcie niezrównoważenia = 0,6mV, wejściowy prąd niezrównoważenia = 0,35μA, aksymalne wyjściowe napięcie offsetu będzie miało wartość 0,6mV ∙ 11 V/V + 1kΩ ∙ 0,35μA= 6,95mV.

Problem GBW
Inną ważną różnicą pomiędzy wzmacniaczami VFB i CFB jest współczynnik GBW, czyli iloczyn wzmocnienia i pasma przenoszenia w szerokim zakresie częstotliwości. O ile we wzmacniaczach VFB jest on stały, to w przypadku wzmacniaczy VFB wymienione parametry są niezależne od siebie. Pasmo przenoszenia w przypadku wzmacniaczy ze sprzężeniem prądowym zależy głównie od rezystancji w pętli sprzężenia zwrotnego i jest całkowicie niezależne od rezystora ustalającego wzmocnienie układu. Dzięki temu wzmacniacze CFB znajdują zastosowanie np. w aplikacjach ze zmiennym wzmocnieniem, gdzie wymagane jest stałe pasmo przenoszenia w momencie regulacji wzmocnienia. Kolejne dwa przykłady przedstawiają urządzenia, w których przewaga wzmacniaczy ze sprzężeniem prądowym nad wzmacniaczami VFB jest szczególnie widoczna.

Przykład 2

Na rysunku 3 pokazano układ ze wzmacniaczem operacyjnym CFB OPA- -691 w konfiguracji nieodwracającej, w którym za pośrednictwem potencjometru regulowane jest wzmocnienie w przedziale od +2 do +4 V/V. Na rysunku 4 widoczna jest odpowiedź częstotliwościowa tego układu przy minimalnej i maksymalnej wartości wzmocnienia. W celu porównania na tym samym wykresie przedstawiono odpowiedź analogicznego urządzenia zbudowanego z wykorzystaniem wzmacniacza ze sprzężeniem napięciowym OPA690 o parametrach zbliżonych do tych charakteryzujących OPA691. Przy wzmocnieniu +2 V/V (6dB) w obu przypadkach pasmo przenoszenia ma podobną wartość (>200 MHz). Po zwiększeniu wzmocnienia do +4 V/V (12dB) obwód oparty na wzmacniaczu ze sprzężeniem prądowym utrzymuje pasmo przenoszenia powyżej 200 MHz, natomiast w układzie ze wzmacniaczem VFB pasmo spada do około 100 MHz.