Wzmacniaczu operacyjny, nie wzbudzaj się!

Wzmacniaczu operacyjny, nie wzbudzaj się!

W środowisku elektroników znane jest stwierdzenie, że szybkie wzmacniacze operacyjne często sprawiają problemy przez ich łatwe wzbudzanie. Równie często powtarzana jest sentencja, że te „wolne” układy działają bardziej stabilnie. O ile z pierwszą myślą ciężko jest się nie zgodzić, o tyle druga może być kontrowersyjna. W artykule opiszę moje doświadczenia w tej dziedzinie.

Jakie problemy może sprawiać układ typu TL082, pełniący rolę wtórnika napięciowego na wyjściu RCA? Przecież wystarczy odpowiednio odsprzęgnąć jego zasilanie, poprowadzić ścieżki w miarę sensownie i zadbać o rozsądne wartości elementów. Włączamy zasilanie, przykładamy sondę oscyloskopu, wszystko działa – stabilny układ jest już gotowy, następny proszę! Schemat tego prostego rozwiązania pokazano na rysunku 1. Książkowy, bez dwóch zdań. Podłączam krótkim kablem wyjście tego układu z wejściem wzmacniacza. Jest pięknie, zniekształcenia są pomijalnie niskie, układ może jechać na testy do klienta.

Rysunek 1. Schemat ideowy omawianego stopnia wyjściowego

Układ nie działa

Po kilku dniach odzywa się zbulwersowany klient, że dostał ode mnie generator ryku, skrzeku i pisku a nie przedwzmacniacz. Przecież wszystko sprawdziłem, wzmacniacz operacyjny na wyjściu nie robi żadnych sztuczek – zresztą, nie ma nawet jak. Trudno, proszę odesłać. Oczywiście, jak to zazwyczaj w takich sytuacjach bywa, u mnie działa. Jednak jak się okazuje – wszystko działa, dopóki obciążeniem tego układu jest kilka centymetrów cienkiej ścieżki i sonda oscyloskopu. Nawet krótki kabelek nie sprawia problemów.

Konsultacje z klientem wykazały, że jego kabel sygnałowy nie ma półmetrowej długości, ale prawie 5 m! Zrobiłem podobne podłączenie u siebie i nie zawiodłem się – na wyjściu pokazał się przebieg sinusoidalno-trapezoidalny o bliżej nieokreślonej częstotliwości, na dodatek z jakąś modulacją amplitudową!

Czym jest kabel sygnałowy?

Teoretycznie – odcinkiem linii długiej o określonej impedancji charakterystycznej, który został rozwarty na końcu (rysunek 2), bo impedancja wejściowa urządzeń audio z reguły sięga wielu kiloomów. Aż się prosi o wielokrotne odbicia od końca tej linii. Nie lubię myśleć „falowo”, czy zatem temat da się ugryźć od strony teorii obwodów?

Rysunek 2. „Falowe” ujęcie problemu

Owszem – przecież taki kabel to niemal idealny kondensator o pojemności kilku nanofaradów (rysunek 3). Z kolei wyjście wzmacniacza operacyjnego dla wysokich częstotliwości zaczyna zachowywać się jak indukcyjność z powodu przesunięcia fazowego jakie wprowadza zewnętrzna pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego.

Rysunek 3. Zobrazowanie zgodnie z teorią obwodów

Po prostu sygnał zwrotny zaczyna się wydatnie opóźniać względem wejściowego, co tłumaczy wzrost impedancji wyjściowej, lecz można to również symulować jako pojawienie się indukcyjności na wyjściu (rysunek 4). A stąd już tylko krok do oscylacji tak powstałego obwodu LC.

Rysunek 4. Zachowanie układu dla wysokich częstotliwości

Zapobieganie

W jaki sposób można do tego nie dopuścić? Najprościej, odpowiednio „psując” dobroć takiego obwodu. Jeżeli będzie ona niewystarczająca do powstania i podtrzymania oscylacji, to układ pozostanie stabilny. Microchip proponuje odpowiednie wzory, które umożliwiają dokładne obliczenie wartości takiego rezystora. Rodzi to jednak kilka problemów, zaś głównym z nich jest brak wiedzy o pojemności podłączonego kabla. W jednym przypadku kabel będzie krótki, w innym długi, jeszcze inny może być bardzo cienki (co zwiększa indukcyjność) i co wtedy? Zbyt wysoka wartość takiego rezystora izolującego (rysunek 5) zawęzi pasmo układu, wpłynie negatywnie na parametr slew-rate oraz wprowadzi tłumienie przy niskiej impedancji wejściowej następnego stopnia. Zaś zbyt niska nie zda egzaminu.

Rysunek 5. Praktyczne i tanie rozwiązanie problemu

Prowadziłem swoje doświadczenia i po kilku latach mogę stwierdzić, że uzyskanie na wyjściu układu stanu dopasowania (lub chociaż stanu zbliżonego do dopasowania) jest wystarczające do tego, by uniknąć opisanych na początku problemów. Typowe impedancje kabli stosowanych do prowadzenia sygnału analogowego audio wynoszą 50 Ω lub 75 Ω. Na wyjściu wzmacniacza operacyjnego stosuję rezystor izolujący o wartości 33 Ω i nie spotkałem jeszcze układu, który miałby ochotę na wzbudzanie się. Analogicznie robię z wyjściami układów sterujących kable do transmisji różnicowej, jak choćby w popularnym standardzie XLR – dwa rezystory 33 Ω włączone w szereg z każdym z wyjść wzmacniaczy operacyjnych. Takie połączenie nie zapewnia dopasowania impedancji, ale nie wprowadza też znaczącego tłumienia i co najważniejsze – spełnia swoją rolę.

Michał Kurzela, EP

Bibliografia:

  1. www.renesas.com
  2. microchip.com
Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
wrzesień 2023

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik czerwiec 2024

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio maj - czerwiec 2024

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje maj 2024

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna czerwiec 2024

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich czerwiec 2024

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów