Коррекция операционных усилителей при работе с низкими коэффициентами усиления

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2013

Charly El-Khoury, Analog Devices

В статье рассматриваются способы внешней компенсации нестабильности ОУ для работы с коэффициентом усиления до +2 на примере микросхемы ADA4895-2, устойчиво работающей при усилении более +9. Скорректированный внешними цепями ОУ ADA4895-2 имеет бóльшую скорость нарастания и меньшее время установления, чем эквивалентный усилитель с внутренней коррекций. Ниже будут представлены два метода коррекции и проанализированы преимущества и недостатки обеих схем.

ADA4895-2 принадлежит к тому же семейству, что и ОУ ADA4896-2, ADA4897-1, ADA4897-2. Это сдвоенный, малошумящий, быстродействующий ОУ с обратной связью по напряжению и rail-to-rail выходом. Усилитель устойчив при коэффициенте усиления 10 и более и имеет следующие характеристики:

• произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания: 1.5 ГГц,
• скорость нарастания: 940 В/мкс,
• время установления: 26 нс (с точностью 0.1%),
• фликер-шум (1/f) на частоте 10 Гц: 2 нВ/√Гц,
• широкополосный шум: 1 нВ/√Гц,
• свободный от паразитных составляющих динамический диапазон: –72 дБн на частоте 2 МГц,
• напряжений питания: 3 … 10 В,
• ток покоя одного усилителя: 3 мА.

Рисунок 1.	Первый метод частотной коррекции ОУ ADA4895-2 для коэффициента усиления +2.

Первый метод (Рисунок 1) компенсации реализуется добавлением RC-цепочки (R_C= 29 Ом, C_C = 56 пФ) к инвертирующему входу усилителя и конденсатора (C_F = 5 пФ) параллельно резистору обратной связи. Коэффициент усиления шума ОУ в этой схеме равен +9 на высоких частотах и +2 на частотах ниже резонансной (1/2πR_CC_C = 100 MГц). Но, несмотря на то, что усиление шума на высоких частотах равно +9, суммарный выходной шум может быть небольшим благодаря тому, что высокочастотные составляющие подавляются выходным фильтром низких частот, образованным элементами R_O и C_L. Это позволяет использовать усилитель при коэффициенте усиления +2, сохраняя очень низкий уровень шумов на выходе (3.9 нВ/√Гц).

Конфигурация является масштабируемой и работоспособна при любом усилении от от +2 до +9. В Таблице 1 приведены номиналы компонентов и уровни широкополосного шума для каждого значения усиления.

Таблица 1.

Номиналы компонентов для коэффициентов усиления менее +10. RT = RO = 49.9 Ом.

Усиление	RC (Ом)	CC (пФ)	RG (Ом)	RF (Ом)	CL (пФ)	Суммарная спектральная плотность шумов (нВ/√Гц)
+2	28.6>	56	200	200	330	3.88
+3	33.3	56	100	200	270	5.24
+4	40	56	66.7	200	200	6.60
+5	50	56>	50	200	150	7.96
+6	66.7	40>	40	200	150	>9.32
+7	113	30	37.5	226	120	10.82
+8	225	20	32.1	226	120	12.18
+9	—	—	31.1	249>	100	13.67

Рисунок 2.	Второй метод частотной коррекции ОУ ADA4895-2 для коэффициента усиления +2.

Во втором методе (Рисунок 2) между инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ включается резистор (R₁ = 28 Ом), что увеличивает коэффициент усиления шумов усилителя до +9. Поскольку разность потенциалов между выводами R₁ отсутствует, ток через резистор не течет, и входное сопротивление со стороны неинвертирующего входа остается высоким. Коэффициент усиления сигнала равен 1 + R_F/R_G, то есть +2. В схеме компенсации нет конденсаторов, поэтому ее параметры не зависят от частоты. Следовательно, по сравнению с первой схемой, широкополосный выходной шум на низких частотах всегда будет выше.

Эта схема, как и первая, может масштабироваться для любого усиления от +2 до +9. Соответствующие каждому коэффициенту усиления номиналы компонентов и уровни широкополосного шума приведены в Таблице 2.

Таблица 2.

Номиналы компонентов для коэффициентов усиления менее +10. RT = RO = 49.9 Ом, CL = 120 пФ.

Усиление	R1 (Ом)	RG (Ом)	RF (Ом)	Суммарная спектральная плотность шумов (нВ/√Гц)
+2	28.6	200	200	13.39
+3	33.3	100	200	13.39
+4	40	66.5	200	13.39
+5	49.9	49.9	200	13.39
+6	66.5	40	200	13.39
+7	113	37.4	226	13.53
+8	225	32.4	226	13.53
+9	—	30.9	249	13.67

На Рисунке 3 приведены частотные характеристики обеих схем для малых и больших сигналов при коэффициенте усиления равном +5 (или 14 дБ), снятые с помощью анализатора с входным сопротивлением 50 Ом. Как видно из рисунка, обе схемы абсолютно устойчивы, а выбросы АЧХ лишь немного превышают 1 дБ. При использовании компонентов с номиналами, указанными в Таблицах 1 и 2, стабильность усилителей будет обеспечена во всем диапазоне коэффициентов усиления от +2 до +9.

Рисунок 3.	Амплитудно-частотная характеристика ОУ при коэффициенте усиления равном +5.

Для уменьшения шумов на выходе ОУ можно включить RC-фильтр, чтобы сузить полосу пропускания схемы, скажем, до 50 МГц или еще ниже, в зависимости от требований приложения.

Почему в первой схеме шум на выходе ОУ меньше, чем во второй?

Выходной шум в первой схеме значительно ниже, чем во второй, особенно при коэффициентах усиления ниже +7. Это обусловлено тем, что большое усиление шума в первой схеме проявляется только на высоких частотах, а высокочастотные компоненты могут быть отфильтрованы с помощью ФНЧ. С другой стороны, во второй схеме усилитель всегда работает с коэффициентом усиления шума равным +9, даже на низких частотах. Следовательно, суммарный выходной шум, как видно из (Таблицы 2), не зависит от усиления.

Достоинства и недостатки обоих методов

Мы рассмотрели две схемы, позволяющие с помощью небольшого количества внешних компонентов сделать ОУ устойчивым при работе с меньшими коэффициентами усиления, чем те, для которых его создавали разработчики. Первая схема содержит больше пассивных элементов, а значит, стоит дороже и занимает больше места на печатной плате. Но суммарный выходной шум первой схемы меньше, чем второй. Поэтому окончательный выбор конкретной схемы коррекции должен определяться спецификой поставленной задачи.

Рисунок 4.	Сравнительные характеристики усилителей с внутренней и внешней коррекцией при коэффициенте усиления +2.

Рисунок 4 позволяет сравнить переходные характеристики декомпенсированного усилителя ADA4895-2 и скомпенсированного до единичного усиления ADA4897-2. Хорошо видно, что ADA4895-2 примерно в 3 раза быстрее, чем ADA4897-2 (300 В/мкс и 100 В/мкс, соответственно). С ростом усиления это преимущество становится еще более заметным.

Заключение

Декомпенсированный ОУ, подобный ADA4895-2, устойчивый при коэффициентах усиления не менее +10, может быть скорректирован для работы с меньшим усилением. Рассмотрены два метода коррекции, каждый из которых ухудшает показатели суммарного широкополосного выходного шума. Однако обе схемы дают значительный выигрыш в скорости нарастания и времени установления по сравнению с эквивалентным скорректированным усилителем ADA4897-2.