A műveleti erősítő egy rendkívül univerzális és széles körben használt elektronikai alkatrész, amelyet számtalan jelkondicionálási és jelfeldolgozási rendszerben használnak világszerte az analóg és digitális világokban is.
Néhány mikrovezérlő (mint például a Microchip 8 bites, PIC-sorozatú eszközei) rendelkeznek olyan integrált műveleti erősítővel, amely biztosítja az alapfunkciókat. A mikrokontrollerek fejlesztési szellemisége nyomán ezeket a műveleti erősítőket olyan más, intelligens funkciókkal rendelkező és viselkedésű, analóg perifériákkal integrálják össze, mint az analóg-digitális és digitális-analóg (A/D és D/A) átalakítók, komparátorok, feszültségreferenciák, nullátmenet-detektorok, kompenzátorok, programozható fűrészgenerátorok stb. Ez számos analóg alkalmazás előtt nyitja meg a teret, továbbá jellemzően ezek a mikrokontrollerek jelentősen megkönnyítik a további analóg és digitális perifériák illesztését, amelyekkel még bonyolultabb alkalmazások fejleszthetők ki.
A műveletierősítő-modul
A műveletierősítő-modul egytápegységes műveleti erősítős körökben is implementálható, fokozva a rugalmasságot és megbízhatóságot. A 8 bites, PIC-sorozatú mikrokontrollerek gazdag szolgáltatáslistája között megtaláljuk az I/O portok külső csatlakozásának támogatását, a kisszivárgású bemeneteket, a rail-to-rail I/O-t, a gyárilag kalibrált bemeneti ofszetfeszültséget, a 3 MHz-es erősítési sávszélességet, az egységnyi erősítésvezérlés funkcióit, a programozható pozitív és negatív forráskiválasztást, valamint a kényszerített háromállapotú kimenet és kényszerített egységnyi erősítés kézi vezérlését is.
Az 1. ábra a műveleti erősítő blokkvázlatát mutatja, amely öt területre került felosztásra. Nem minden mikrokontroller ismeri és támogatja az összes szekciót.
A műveleti erősítő egy nagy erősítésű, differenciális jelbemenetű és egyvégű kimenetű, elektronikus erősítő. Az alkatrésznek két bemenete van, amelyek a neminvertáló (pozitív), illetve invertáló (negatív) jelbemenetek. A pozitív és negatív jelbemenetek forrásai eszközönként eltérhetnek: származhat akár külső forrásból, a mikrokontrollerek kívülről, vagy akár belső analóg forrásból is (például a mikrovezérlő egyéb perifériáiról).
Mivel a műveleti erősítőt visszacsatolással történő működésre tervezték, a modul megfelelő pontjaira külső visszacsatoló alkatrészeket kell beiktatni, természetesen a leendő alkalmazás követelményeinek függvényében. Ezek a külső alkatrészek alapvetően meghatározzák a modul viselkedését és a kimenete alakulását. A műveleti erősítő kimeneti jele a mikrokontroller megadott fizikai kivezetésén rendelkezésre áll, és felhasználható integrált analóg perifériák vezérlésére is. A modul üzemeltethető egységnyi erősítésű üzemmódban is a megfelelő regiszter adott helyiértékű bitjének helyes beállításával. Ez nem tesz mást, mint az invertáló bemenetet belül összeköti a kimenettel, amely mellesleg felszabadít egy kivezetőt általános célú bemeneti és kimeneti feladatokra.
Számos mikrovezérlő rendelkezik kézi kimenetvezérlési lehetőséggel, amellyel a műveleti erősítő kimenete háromállapotú módba kényszeríthető, vagy egységnyi erősítésű módba kapcsolható. Ezek az üzemmódok a vezérlőregiszter megfelelő bitjeinek bebillentésével élesíthetőek. A műveleti erősítő dinamikatartományát a modul ún. rail-to-rail működése terjeszti ki, amelynél a lineáris tartomány a VSS és VDD feszültségszintek között van. Mivel a PIC mikrovezérlőket egytápegységes működésre tervezték, a VSS feszültség általában maga a földpont, ezért a feszültség két szélső értéke kb. a 0 V és a VDD feszültségszint között lehet.
A modul VDD és 0 V között lineáris viselkedést tanúsít. A tervezőnek gondoskodnia kell arról, hogy a bemeneti jel ne haladja meg a VDD és VSS által definiált felső, ill. alsó határértéket, máskülönben a mikrovezérlő nem definiált viselkedést tanúsíthat. Egy diszkrét műveleti erősítőhöz hasonlóan a mikrovezérlő integrált műveleti erősítője is többféle alkalmazásra konfigurálható, külső vezérlő alkatrészek (pl. ellenállások, kondenzátorok, diódák stb.) megfelelő kombinációjával. Mivel a modult lineáris üzemre tervezték, az elektromos paramétereket és határértékeket az optimális kihasználás érdekében a tervezés előtt feltétlenül meg kell ismerni!
Az egységnyi erősítésű üzemmód
Néhány alkalmazásban a terhelési impedancia eltérései miatt mindössze az egymást követő áramköri fokozatok közötti leválasztásra van szükség. Ez megvalósítható leválasztó áramkör beiktatásával, amely nem vesz fel áramot az első fokozatról, de a következő fokozat számára biztosítja a szükséges áramerősséget. Ez a leválasztófokozat használható teljesítményerősítésre is. Ugyanaz a feszültség van jelen kisebb impedanciás forráson, de a kimeneten nagyobb teljesítmény érhető el. A műveleti erősítő bemeneti impedanciája igen nagy, kimeneti impedanciája csekély, ezért erre a leválasztási alkalmazástípusra ideális alkatrész.
A műveleti erősítő konfigurálható úgy is, hogy a bemeneti jelet se ne erősítse, se ne csillapítsa. Ezt az üzemállapotot egységnyi erősítésű módnak (lásd még puffervagy feszültségkövető üzemmódok) nevezik. Az egységnyi erősítésű puffer egyszerűen egy olyan neminvertáló erősítőt valósít meg, amelynek a kimenete közvetlenül az invertálóbemenetre van visszavezetve.
A PIC-sorozatú mikrovezérlőknél a műveletierősítő-modul egységnyi erősítésű üzemmódba külső alkatrészek nélkül is konfigurálható a vezérlőregiszter megfelelő bitjének beállításával. Egységnyi erősítésű üzemmódban a kimenet áramkörön belül van visszavezetve az invertálóbemenetre, így mellesleg az invertálóbemenetet lefoglaló fizikai kivezetőt is felszabadítja, ezért általános célú I/O portként felhasználható lesz.
A kézi kimenetvezérlési mód
Számos mikrokontroller támogat kézi kimenetvezérlési üzemmódot, amely lehetővé teszi, hogy más modulok kimeneti impulzusai kapcsoló vezérlőjelet szolgáltassanak a műveleti erősítő kimenetére nézve. A kimenet kézi vezérlése két módban valósítható meg: ezek a kényszerített háromállapotú és kényszerített egységnyi erősítésű üzemmódok. A 2. ábra példaként mindkét üzemmódot illetően kimeneti hullámformákat mutat, amelyben a kézi vezérlés forrását egy PWM jel szolgáltatja. A kézi kimenetvezérlés implementációjára az 5. ábra mutat mintát.
Belül kaszkádosított modulok
Az olyan modern mikrokontrollerek, mint például a Microchip PIC16F1769, programozottan támogatják az egyik műveleti erősítő kimenetének egy másik műveleti erősítő bemenetére vezetését. Az ily módon kaszkádosított műveleti erősítők nagyon hasznos szolgálatot tehetnek olyan esetekben, amikor a műveleti erősítőt a terheléstől el kell választani. A kaszkádosított műveleti erősítő kimenete nagyrészt az egyes fokozatok erősítési tényezőjétől függ.
Az alábbi 3. ábra két mintakonfigurációra mutat példát, amelyeket belül kaszkádosított műveleti erősítőkkel hoztunk létre.
A 3/A ábra két, neminvertáló erősítőfokozatból épül fel, amelyek nagy erősítésű kimenetet állítanak elő. Ez az összeállítás kifejezetten alkalmas nagyfrekvenciás áramkörökhöz az erősítő erősítése és a –3 dB-es pont alatti frekvenciák közötti inverz viszony miatt. Továbbá, a nagy ellenállás nagyobb termikus zajt eredményez, amelyet az ellenállások generálnak. Az elvárt erősítés mellett a termikus zaj kiküszöböléséhez a kaszkádkapcsolású műveleti erősítők ideális megoldást jelentenek.
Másrészről, ahogy a 3/B ábrán mutatott példán egy invertáló és neminvertáló műveleti erősítő kombinációján látható, a rendszer a referenciafeszültség és az invertálóbemenet közötti feszültségkülönbséget erősíti, majd ezt követően egy egységnyi erősítésű fokozat biztosítja a leválasztást az előző fokozat kimenete és a terhelés között a nemkívánt terhelési hatások kiküszöbölése érdekében.
A műveletierősítő-modulok kaszkádosítása a mikrovezérlő firmware-éből is megvalósítható, és nem bonyolultabb, mint az egyik modul kimenetét beállítani egy másik modul negatív vagy pozitív jelbemeneteként.
Alapszintű jelkondicionálás
A műveleti erősítők egyik legalapvetőbb alkalmazása az alapszintű jelkondicionálás, amelynek célja a bemeneti jelek manipulálása olyan szempontok szerint, amelyek biztosítják a megfelelőséget a következő fokozatok elvárásai szerint. A 4. ábra egy olyan alapszintű jelkondicionáló áramkört mutat, amelynél a jelbemenet elvárt nagysága 0,6–1 V, és ez alapján a 0–5 V tartományban állít elő jelet, mindezzel a következő fokozatban található analóg-digitális átalakító számára optimális amplitúdótartományú bemenetet szolgáltatva. Ez alapján látható, hogy maga az áramkör két feladatot lát el, hiszen egyszerre végez szinteltolást és skálázza a jelet.
A műveletierősítő-modul invertálókonfigurációban van a rendszerben, amely azt jelenti, hogy a kimenet a differenciális bemeneti jel invertált és erősített változata lesz. A kimeneti jel amplitúdótartománya függ az invertáló erősítő erősítésétől, tehát a bemeneti jel és az erősítés szorzata adja meg a fokozat kimeneti jelét.
Ám az 5 V tartományra skálázott jel nem fog teljesen pontosan a 0–5 V tartományba esni, így a kimeneti feszültséget egy pozitív referenciafeszültség hozzáadásával a szükséges szintre el kell még tolni, amely a műveleti erősítő neminvertáló bemenetére kell, hogy kerüljön. A pontosabb kimenet érdekében a feszültségreferenciát változtatni szükséges. A külső források bevonását elkerülendő, a feladathoz felhasználható az integrált, belső, fix feszültségű referenciaforrás (FVR) és a digitális-analóg átalakító (DAC). Az FVR stabil referenciafeszültséget szolgáltat a DAC számára, amely ezt a fix, stabil feszültséget 512, szoftverből konfigurálható szintre bontja fel, így biztosítva a műveletierősítő-modul neminvertáló bemenetén a megfelelő jelet.
Amint megtörtént a jel skálázása és szinteltolása, és előállt a kívánt kimeneti jel, továbbkerül digitális feldolgozás céljára a láncban következő analóg-digitális átalakító (ADC) modulra. A műveleti erősítő optimalizált jele jelentősen csökkenti az ADC lépésközét, amely lényegesen nagyobb effektív felbontást biztosít ahhoz az esethez képest, ha jelkondicionálást nem végeztünk volna. A műveleti erősítő kimenete további analóg feldolgozás igénye esetén más analóg perifériákra is rávezethető.
PWM-es fényerő-szabályozó LED-es világításhoz
Az 5. ábra áramnemű feszültségnövelő szabályozóra mutat példát, amelynek feladata állandó áramú, PWM-es fényerő-szabályozás LED-es világítótestekhez.
Ebben az áramkörben a feszültségnövelő-átalakító konstans árammal látja el a sorosan kapcsolt LED-eket. A bemeneti jel váltakozásának és a LED-lánc ellenállásának hatásától mentes, állandó áramú meghajtási állapot fenntartása a LED-es világítás minősége szempontjából igen lényeges. A meghajtóáram elsősorban a komplementer kimenetű generátor (COG) kimeneti jelének kitöltési tényezőjétől függ.
A COG kimenete az adatjel-modulátorra kerül, amelyet a Q1 jelölésű, teljesítmény-MOSFET ki- és bekapcsolására használnak fel. A kapcsolási periódust a CCP jelű modul határozza meg, amely a COG-t felfutó eseményforrásként, a komparátormodult pedig lefutó eseményforrásként szolgálja ki. A CCP modul PWM üzemmódú konfigurációja fix frekvenciájú impulzussorozatot biztosít, amelynek tipikus frekvenciája a 100–500 kHz tartományba esik.
Másrészről a komparátor kimeneti jelet szolgáltat minden esetben, amikor az RSENSE1 ellenálláson eső feszültség meghaladja a PRG modul kimenetét. A PRG modul bemenete a visszacsatoló körről, a műveletierősítő-modul kimenetéről kerül származtatásra. A PRG modul eséskompenzációra kerül konfigurálásra, ellensúlyozandó az alharmonikus oszcillációt 50%-nál nagyobb kitöltési tényező esetén.
A fényerő-szabályozást a LED-meghajtáshoz szükséges effektív áram biztosítása útján a PWM3 modul végzi, amely a LED-ek fényerejét a színhőmérséklet változása nélkül valósítja meg. A modul 200 Hz frekvenciájú PWM kimenetet szolgáltat a COG kimeneti modulációjához, terheléskapcsoláshoz és műveleti erősítő kézi kimenetvezérléséhez. A PWM3 kitöltési tényezője szabja meg a LED-lánc fényerőtompítás-erősségét. Minél nagyobb a kitöltési tényező, annál több ideig van a Q2 jelű MOSFET bekapcsolt állapotban, ezáltal annál nagyobb lesz a LED-lánc fényerőssége.
Ha a PWM3 kimenet alacsony szintbe vált, a COG kimenet a DSM, Q2 kapcsolókon keresztül tiltásra kerül, a műveleti erősítő pedig kényszerített, háromállapotú módba kerül. A DSM a PWM3-at modulációs forrásként használja, hogy a Q2 tranzisztorral és a műveletierősítő-kimenettel szinkronizált kapcsolást biztosítson. Gondoskodik továbbá arról is, hogy a COG impulzuskimenete teljes legyen, mielőtt a kimenet fix alacsony szintre kerül. A COG tiltása megelőzi a kimeneti túlfeszültségű állapot kialakulását, a műveleti erősítőt pedig háromállapotú módba kényszeríti a LED-meghajtóáram állandó értéken tartásához.
Q2 jelű tranzisztor kikapcsolásakor a visszacsatolás nulla, a műveleti erősítő kimenete pedig maximális lesz, túlvezérelve a kompenzációs hálózatot. Amikor a PWM3 újra bekapcsol, a kompenzátornak számos kapcsolási ciklusra van szüksége a felálláshoz a LED-láncon áthaladó áramtüske miatt. Emiatt a LED-vezérlő áram is gyakran túl nagy lesz, lerövidítve a LED-ek élettartamát. A bemutatott alkalmazásban a műveletierősítő-modul úgy van konfigurálva a PWM3-mal, hogy a kimenet háromállapotú módba kerül a PWM kikapcsolt állapotában, elkerülve a LED-áram túlvezérlését és a színeltolódást.
Összefoglalás
Láthattuk, hogy a 8 bites, PIC-sorozatú mikrovezérlők integrált műveletierősítő-modulja nemcsak az egyoldalú tápellátású műveleti erősítőkre jellemző, alapszintű funkcionalitásokat biztosítja, hanem olyan haladóbb, rugalmas megoldásokat is kínál, amelyek jelentősen szélesítik a tervezési lehetőségeket műveleti erősítős kapcsolások esetén.
A hordozható végfelhasználói eszközök népszerűsödésével az egyoldalú tápellátással használható műveleti erősítők is egyre kelendőbbek lesznek. A műveleti erősítő összeintegrálása más chipperifériákkal nemcsak költséghatékonyabb, hanem egyúttal helytakarékosabb is, és áramköri funkciók tekintetében hatékonyabb megoldást nyújt a fejlesztők számára a legtöbb alkalmazásban.
A Microchip Technology honlapja
