Podręcznik

Klasycznym zastosowaniem wzmacniacza różnicowego jest użycie go do budowy wzmacniacza operacyjnego. Wzmacniacz operacyjny jest to układ elektroniczny mający różnicowe wejście i asymetryczne wyjście (rysunek 3-29), a zależność napięcia wyjściowego od różnicowego napięcia wejściowego jest dana wzorem

przy czym dąży się do tego, by wzmocnienie napięciowe k_u było jak największe (w t.zw. idealnym wzmacniaczu operacyjnym jest ono nieskończenie wielkie).

Rysunek 3‑29. Wzmacniacz operacyjny - symbol i sposób zasilania z dwóch źródeł. Węzeł oznaczony "0" jest węzłem odniesienia dla napięć wejściowych i napięcia wyjściowego. Wejście oznaczone plusem zwane jest wejściem nie odwracającym fazy, wejście oznaczone minusem - wejściem odwracającym fazę.

Ponieważ wzmacniacz operacyjny ma napięcie wyjściowe proporcjonalne do różnicy napięć wejściowych, zastosowanie na wejściu wzmacniacza różnicowego jest oczywiste. Jednak taki wzmacniacz będzie różnił się od układu podstawowego (rysunek 3-26). Po pierwsze, wyjście wzmacniacza operacyjnego jest asymetryczne. Po drugie, dąży się do uzyskania jak największego wzmocnienia. Wzmacniacz różnicowy o dużym wzmocnieniu i asymetrycznym wyjściu wykorzystuje zasadę aktywnego obciążenia – rysunek 3-30.

Rysunek 3‑30. Wzmacniacz różnicowy z aktywnym obciążeniem i asymetrycznym wyjściem

Ze schematu zastępczego tego układu można łatwo otrzymać wartość wzmocnienia napięciowego dla sygnału różnicowego. Wzmocnienie to wynosi

Analogiczny wzmacniacz różnicowy można także zbudować na tranzystorach bipolarnych.

Jeśli dodamy do stopnia wejściowego drugi stopień wzmacniający z aktywnym obciążeniem (zbudowany wg zasady pokazanej na rysunku 3-19b, z tym, że tranzystorem wzmacniającym jest tranzystor pMOS, a obciążającym - nMOS), otrzymamy najprostszy kompletny wzmacniacz operacyjny – rysunek 3-31.

Rysunek 3‑31. Prosty transkonduktancyjny wzmacniacz operacyjny (OTA). Pokazano zasilanie z dwóch jednakowych źródeł napięcia

Wzmacniacz ten ma znaczną rezystancję wyjściową. Można go uważać za swego rodzaju źródło prądowe o prądzie sterowanym napięciem różnicowym na wejściu. Wzmacniacz o takich właściwościach nosi nazwę transkonduktancyjnego, a w literaturze występuje często jako wzmacniacz typu OTA (ang. „Operational Transconductance Amplifier”). Jego wzmocnienie napięciowe otrzymamy mnożąc wzmocnienie stopnia wejściowego przez wzmocnienie stopnia wyjściowego. Daje to zależność:

Zauważmy, że w wersji pokazanej na rysunku 3-31 prąd drugiego stopnia jest taki sam, jak prąd zasilający stopień wejściowy (zakładając, że tranzystory T5, T7 i T8 są identyczne). Ponieważ transkonduktancja $g_m$ jest proporcjonalna do pierwiastka z prądu drenu ${\ I}_D$ (wzór 3-20), a konduktancja wyjściowa $g_{ds}$ proporcjonalna do prądu drenu ${\ I}_D$ (wzór 3-21), wzmocnienie napięciowe $\left|k_u\right|$ jest odwrotnie proporcjonalne do prądu I w układzie.

Układ powinien zapewniać dla wejściowego napięcia różnicowego równego zeru napięcie wyjściowe także równe zeru. Można pokazać, że jeśli wszystkie tranzystory są w stanie nasycenia, to prowadzi to do następującego warunku

Warunek ten należy w praktyce potraktować jako punkt wyjścia do dokładnego dobrania wymiarów tranzystorów przy zastosowaniu symulacji. Jeśli układ jest zaprojektowany tak, że przy zerowym napięciu różnicowym na wejściu i nominalnych (tj. nie wykazujących rozrzutów produkcyjnych) wymiarach kanałów tranzystorów napięcie na wyjściu jest równe zeru, to mówimy, że w układzie nie występuje niezrównoważenie systematyczne. W praktycznej realizacji pozostaje jednak zawsze niezrównoważenie losowe wynikające z lokalnych rozrzutów produkcyjnych.

Większość scalonych wzmacniaczy operacyjnych CMOS to wzmacniacze typu OTA. Jeżeli jednak potrzebny jest wzmacniacz operacyjny o małej rezystancji wyjściowej (tak jest w niektórych zastosowaniach), to trzeba zastosować specjalny stopnień wyjściowy. Cały wzmacniacz staje się bardziej złożony i ma zwykle trzy stopnie: wejściowy wzmacniacz różnicowy, stopień pośredni dostarczający dodatkowego wzmocnienia i zarazem będący układem przesuwania składowej stałej, i stopień wyjściowy o małej rezystancji wyjściowej. Jako stopień wyjściowy może być w najprostszym przypadku użyty układ wtórnika, który poznaliśmy wcześniej w zastosowaniu do przesuwania poziomu składowej stałej (rysunek 3-25a). Przykład takiego układu pokazuje rysunek 3-32. 

Rysunek 3‑32. Przykład wzmacniacza operacyjnego ilustrujący podział na 3 stopnie

Dla układu z rysunku 3-32 zależność 3-49 nie obowiązuje, ponieważ trzeci stopień wprowadza dodatkowe przesunięcie poziomu napięcia na wyjściu. Układu tego nie będziemy szczegółowo omawiali, posłużył on bowiem tylko do zilustrowania przykładowej budowy trzystopniowego wzmacniacza operacyjnego. Praktyczne układy wzmacniaczy są bardziej skomplikowane. W szczególności, stosowane są zwykle stopnie wyjściowe w układzie przeciwsobnym, które poznamy nieco dalej.