Wzmacniacz. uA702

Wzmacniacz. uA702

 

Wzmacniacze operacyjne używane są w:

-Układach „kondycjonujących” wszelkich sensorów

-Regulatorach PI-PID w układach automatyki

-Jako wolne komparatory zwłaszcza w zastosowaniach przemysłowych

-Filtrach aktywnych

-Generatorach sygnałów sinusoidalnych, prostokątnych i trójkątnych

zwłaszcza przestrajanych napięciem jako VCO i jako przetwornika napięcie na częstotliwość V/F.

-W układach realizujących funkcje nieliniowe

-W układach logarytmicznych i antylogarytmicznych

-Prostowniki szczytowe i idealne

-Przetwornik wartości skutecznej sygnału RMS

-Bufory przetworników A/D i D/A

-Zasilacze

-Komputery analogowe i hybrydowe

Pierwsze układy scalone w USA wyprodukowano niedługo po tranzystorach planarnych. Krytyczna jest w produkcji skomplikowana fotolitografia. Wyprodukowanie układu scalonego wymaga tylko większej ilości masek i procesów niż dla tranzystora ale podstawowa instrumentacja produkcji jest taka sama jak dla tranzystorów planarnych.

Fairchild Camera and Instruments ( stary profil produkcji to nie przypadek – krytyczna fotolitografia była ) w 1961 roku wyprodukował komercyjna bramkę NOR mającą trzy tranzystory i rezystory w obudowie metalowej TO-5 z sześcioma pinami.

Układ wzmacniacza operacyjnego Fairchild uA702 sprzedawano od 1963 roku. Początkowa zaporowa cena ponad 200 dolarów amerykańskich wynikająca z małego uzysku produkcyjnego sprawiła że zyskał on zastosowania militarne ale dokładnie jakie nie wiadomo - o tym dalej. Tylko kilku producentów w świecie ( USA, Japonia, Francja, podobny ZSRR) skopiowało układ uA702 i nie zyskał on popularności. W ZSRR produkowane są podobne ale znacznie gorsze układy pod nazwami K140UD1A i K140UD1B. Są niezamienne z uA702.

Produkowane w ZSRR kopie układów podstawowej serii TTL są dwa razy wolniejsze niż zachodnie toteż nic dziwnego ze układ podobny do uA702 jest gorszy.

Kolejny wzmacniacz operacyjny Fairchilda uA709 z 1965 roku zyskał dużą popularność u USA i w świecie. Jego kopie produkowało i produkuje wiele firm także z krajów RWPG.

Układ uA702 ma tylko 9 tranzystorów tylko NPN. W przeciwieństwie do ogromnej większości wzmacniaczy operacyjnych jest układem szerokopasmowym i stąd wynika zainteresowanie nim autora

Autor na kawałku niewytrawionej płytki drukowanej PCB z dyskretnych tranzystorów i rezystorów zbudował taki układ. Większość lutów modelu jest w powietrzu. Pomiary modelu potwierdzają wyliczenia.

Układ jest genialnie prosty !

Wejściowa para różnicowa T1, T2 pracuje z prądem kolektora źródła prądowego na T3 - 400uA czyli po 200uA na tranzystor pary. Przy temperaturze 25C i zerowym napięciu wyjściowym ( wszystkie dane dotyczą tej temperatury ) obciążony stopień wejściowy ma wzmocnienie 8.8 raza.

Tranzystory drugiej „pary różnicowej” ( emitery są dołączone do GND i nie jest to de facto para ale efekt stabilności stałoprądowej jest zbliżony do pary różnicowej) mają prądy kolektora 950 uA i wzmocnienie napięciowe do asymetrycznego wyjścia na kolektorze T5 circa 200 razy. Tranzystory T6, T8 mają prąd kolektora 1 mA a finalny wyjściowy wtórnik na T7 - 2 mA. Tranzystor źródła prądowego T9 ma prąd 1.84 mA.

Przez pin GND płynie niewielki prąd i można by go nie stosować ale dodatni zakres wejściowych napięć wspólnych jest bardzo mały bo tylko 0.5V ponad GND i bez pinu GND mógłby się zrobić zerowy lub nawet ujemny zakres CMRR.

Tranzystor T4 dla od prądowego wyjścia z T1 do prądowego wyjścia na bazę T5 ma wzmocnienie bliskie -1 i dzięki temu nastąpiło przekształcenie wyjściowego symetrycznego sygnału prądowego z pierwszej pary różnicowej w asymetryczny sygnał na bazie T5.

Tranzystor przesuwnika poziomu T8 pracuje z dodatnim sprzężeniem zwrotnym identycznie jak to było w modułowych lampowych wzmacniaczach operacyjnych. Widać pewną ciągłość ewolucyjną. Wzmocnienie przesuwnika poziomu na T8 wraz z wtórnikiem na T7 wynosi circa 2 razy i takie musi być aby układ dobrze tłumił zmiany napięcia zasilania.

Wzmocnienie stałoprądowe całości wynosi więc circa 3600 czyli 72 dB i niestety spada ze wzrostem temperatury Jak na współczesny układ operacyjny jest bardzo małe.

Wzmacniacz ma bardzo dużo wad:

-Prąd polaryzacji wejścia jest bardzo duży.

-Zakres napiec wspólnych jest bardzo mały i w zasadzie trzeba pracować w modzie odwracającym.

-Przy obciążeniu Rl=10K ujemne napięcie wyjściowe jest tylko -4V czyli zakres napięć wyjściowych jest bardzo mały i bardzo mała jest obciążalność. Dodatni prąd wyjściowy nie jest ograniczony i aby zapobiec zniszczeniu układu przy zwarciu trzeba na wyjściu dać opornik limitujący prąd. Zwiększenie zakresu ujemnego napięcia wyjściowego wymagało by użycia źródła prądowego jak T3+R7 a więc wzrost komplikacji byłby niewielki ale i tak uzysk produkcyjny był bardzo mały i pewnie dlatego dążono do uproszczenia układu.

Wielką zaletą układu jest jego szerokopasmowość. W układzie otwartym 3 bieguny mają częstotliwości 0.8 MHz, 4 MHz i pomiędzy 30-40 MHz. Wzmocnienie spada do 1 przy częstotliwości circa 50 MHz.

Dla marginesu fazy 45 stopni układ:

-bez kompensacji musi pracować ze wzmocnieniem większym od 700.

-z kompensacją I wzmocnienie może być dowolne ale nędzne jest pasmo

-z kompensacja PD ( kondensator 50 pF równolegle do rezystora R5) wzmocnienie musi być większe od 100 razy. Tylko z tą kompensacją układ jest faktycznie szerokopasmowy.

-z kompensacja PID ( w stosunku do PD dodatkowy szeregowy dwójnik RC między wejściami) wzmocnienie może być dowolne ale powiększone są szumy wejścia i pasmo nie jest szerokie.

W dacie gdy układ się pokazał sprawa kompensacji charakterystyki częstotliwościowej zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego była kompletnie niezrozumiała i to jest kolejny powód dla którego układ się nie przyjął. Zresztą nawet dzisiaj zrozumienie wagi tej sprawy jest wątpliwe. Poza tym jest to układ szerokopasmowy i z tego względu trudny w stosowaniu.

Na pierwszym schemacie pokazano układ uA702 we wzmacniaczu transkonduktancyjnym sygnału z widikonu licencyjnej kamery TP-K16. Z uwagi na szum zastosowano na wejściu wtórnik źródłowy z tranzystorem JFet. Tranzystor JFet ma tu zdecydowanie najmniejsze szumy ze wszystkich tranzystorów. Sygnał szerokopasmowy z widikonu jest bardzo mały, około 0.12 uApp. Układ jest zamknięty w metalowym ekranie bowiem sygnał byłby bardzo mocno zakłócony lokalną radiofoniczną stacją średniofalową a nawet krótkofalowymi i długofalowymi.

Wzmacniacz transkonduktancyjny jest szerokim osobnym tematem. Tutaj jedynie należy zasygnalizować kluczową stabilizującą rolę równoległej pojemności rezystora sprzężenia zwrotnego R5=200K. Bez niej układ jest niestabilny. Pojemność kompensacji PD C5=1.5nF jest nieporozumieniem. Ponieważ sygnał wyjściowy z przedwzmacniacza przesyłany jest kablem koncentrycznym dopasowanym szeregowo od strony nadawczej rezystorem R7=68 Ohm dodano na wyjściu wtórnik emiterowy.

Drugi schemat jest ciągiem dalszym toru sygnałowego tej kamery. Sygnał za tym wzmacniaczem ma poziom 1.4Vpp. Zastosowano tutaj niepotrzebnie kompensacje PID (C3 i R4 ) mimo iż wystarczająca i lepsza byłaby kompensacja PD z dodatkowym trymerem C4. Jest to wlutowany w płytę drukowaną kołek na którym nawinięty jest cienki izolowany przewód.

Dla polepszenia obciążalności prądowej wyjścia zastosowano dodatkowy rezystor R8=2.4K do ujemnego napięcia zasilania. Pokazano filtry RC napięć zasilających.

Lepsza selekcyjnie wersja układu uA702 ma dryft napięciowy wejścia 2.5uV/C a więc mały. Można by pomyśleć że można na przykład wzmocnić bardzo mały sygnał z termopary. Niestety mały dryft wejścia jest niweczony przy niezerowym wyjściu zmianą wzmocnienia przy zmianach temperatury.

Toteż układy operacyjne pracujące z małymi sygnałami „stałoprądowymi” mają bardzo duże wzmocnienie stałoprądowe. „Precyzyjny” układ uA725 ma wzmocnienie stałoprądowe aż 130 dB !

Można się tylko domyślać że w zastosowaniach militarnych użyto go jako: -Wzmacniacza odczytu pamięci ferrytowej, bębnowej, dyskowej. Dedykowane układy do tych zastosowań pojawiły się bowiem po conajmniej kilku latach.

-Jako szybki komparator. Warto zwrócić uwagę na podobieństwo budowy uA702 do komparatora uA710 ! Nawet asymetryczne zasilania są podobne.

-Wzmacniacza z sensora podczerwieni IR opto-mechanicznego skanera - seekera czyli szukacza obiektu do zniszczenia

-Wzmacniacza sygnału Video z kamery także z dodatkowym wzmacniaczem obrazu przed kamerą

-Wzmacniacza z fotopowielacza dalmierza laserowego

-W układzie czujnika LVDT w żyroskopie. Nieszerokopasmowy.

-Wzmacniacza sygnałów z innych sensorów. Najczęściej nieszerokopasmowy.

-W torze sygnału radarowego

-W regulatorach PI-PID serwomechanizmów. Nieszerokopasmowy.

Jak widać głównym atutem układu uA702 w wymienionych zastosowaniach militarnych ale nie tylko militarnych jest jego szerokopasmowość. Pewnie dlatego jest produkowany w ZSRR i Francji a więc w mocarstwach atomowych. Jest to więc wzmacniacz operacyjny absolutnie nietypowy. Niewielki zakres sygnału wyjściowego nie jest wadą bowiem standardowy sygnał Video ma amplitudę 1V. Także współpraca wyjścia uA702 jako szybkiego komparatora jest bardzo łatwa z układem logicznym TTL.

Podstawowym samolotem nuklearnych sił strategicznych USA jest potężny Stratofortess B-52 wprowadzany do służby od 1955 roku produkowany do 1963 roku. Ponieważ w tamtych czasach jeszcze niewiele wiedziano o wpływie promieniowania towarzyszącego wybuchowi jądrowemu na półprzewodniki to elektronika B-52 była tylko lampowa. Przenoszone na pokładzie i pod skrzydłami B-52 urządzenia m.in. z wzmacniaczami uA702 są więc bardzo nowoczesne.