Выбираете прецизионный операционный усилитель? Положитесь на Златовласку

Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2016

Daniel Burton, Analog Devices

Analog Dialogue

Вопрос:

Я выбираю операционный усилитель (ОУ) для точного сигнального канала. Всегда ли быстрее значит лучше?

Ответ:

Выбор подходящей полосы пропускания для приложения с прецизионным ОУ во многом напоминает опыт Златовласки, пытавшейся выбрать между мисками с кашей трех медведей – одна миска была слишком горячая, другая слишком холодная, а третья была в самый раз. Нам хотелось бы иметь усилитель, который был бы не слишком медленным, и не слишком быстрым, а давал бы нашему сигналу усиление и скорость, необходимые для поддержания устойчивости и точности.

Рисунок 1.	Частотная зависимость коэффициента усиления и фазы для усилителя с разомкнутой петлей обратной связи.

Ключевыми характеристиками ОУ с обратной связью по напряжению в этом приложении являются произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания (GBP) и запас устойчивости по фазе. На Рисунке 1 показана зависимость коэффициента усиления и фазы от частоты для популярного прецизионного ОУ ADA4610 с разомкнутой петлей обратной связи. График показывает, что коэффициент усиления ОУ на низких частотах превышает 30,000 (90 дБ), а далее падает со скоростью 20 дБ на декаду и достигает единичного усиления (0 дБ) примерно при частоте 10 МГц, известной как частота единичного усиления. Диаграмма Боде для коэффициента усиления ОУ с разомкнутой обратной связью дает нам возможность определить GBP и спроектировать схему усилителя с заданным коэффициентом усиления и полосой пропускания, равной этому произведению, как показано на Рисунке 2. Например, заметьте, как уменьшение на одну декаду коэффициента усиления с замкнутой обратной связью (AV) со 100 (или 40 дБ) до 10 (или 20 дБ) приводит к расширению на одну декаду полосы пропускания – со 163 кГц до 1.63 МГц.

Рисунок 2.	Зависимость коэффициента усиления с замкнутой петлей обратной связи от частоты.

Аналогичным образом, фазовая диаграмма ОУ на Рисунке 1 демонстрирует фазовый сдвиг, неизбежно возникающий при прохождении сигнала через операционный усилитель. Запас по фазе может быть приближенно оценен путем считывания фазового сдвига в полосе пропускания схемы усилителя. Для ADA4610 он составляет приблизительно 67°, что является достаточным запасом по фазе, обеспечивающим устойчивость схемы. Если система сконструирована так, что запас схемы усилителя по фазе снижается настолько, что становится слишком мал, это может привести к появлению таких симптомов, как звон выходного напряжения, или даже генерация.

Помимо устойчивости, от частоты зависит и точность. Наибольшее значение коэффициент усиления ОУ с разомкнутой обратной связью имеет на низких частотах, и иногда он называется коэффициентом усиления постоянного тока. По мере увеличения частоты коэффициент усиления падает, и ошибка усиления увеличивается. Таким образом, чтобы увидеть ошибки усиления, которые могут быть чрезмерно большими для точного сигнала датчика частота, не должна быть такой уж высокой.

Величина усиления ОУ с замкнутой петлей обратной связи может быть рассчитана по приведенной ниже формуле, в которой:

• β – коэффициент обратной связи,
• 1/β – идеальный коэффициент усиления замкнутого контура (например, 100 В/В на зеленой кивой Рисунка 2),
• Aβ – называется петлевым усилением.

Мы видим, что ошибка усиления увеличивается по мере уменьшения петлевого усиления с частотой. Ошибку в процентах можно рассчитать с помощью следующего выражения:

Графически петлевое усиление Aβ можно представить как разность между коэффициентом усиления постоянного тока усилителя с разомкнутой обратной связью, представленного на Рисунке 1 (а также приведенного в документации), и коэффициентом усиления усилителя с замкнутой петлей, представленного на Рисунке 2. Например, взяв удобное круглое число 100 дБ для коэффициента усиления ОУ с разомкнутой обратной связью, и идеальный коэффициент усиления с замкнутой петлей обратной связи, равный 40 дБ, мы получим петлевое усиление 60 дБ (или 1000 В/В). Таблица 1 показывает, что увеличение коэффициента петлевого усиления уменьшает ошибку (улучшает точность).

Таблица 1.	Увеличение петлевого усиления уменьшает ошибку.
Коэффициент усиления постоянного тока ОУ с разомкнутой петлей обратной связи (дБ) Коэффициент усиления с замкнутой петлей обратной связи (дБ) Петлевое усиление (дБ) Петлевое усиление (В/В) Ошибка (% от идеального коэффициента) 100 40 60 1000 0.1 100 20 80 10000 0.01

Получается, что если чем полоса пропускания и петлевое усиление больше, тем лучше, то почему бы не использовать ОУ с GBP, намного превышающим коэффициент усиления и полосу пропускания нашего сигнала? Однако по целому ряду причин использовать завышенную величину GBP нельзя. Широкополосный шум ОУ собирается со всей полосы пропускания усилителя. Если мы выбираем полосу пропускания ОУ больше, чем необходимо, то получим излишний шум, который будет усиливаться схемой и снижать отношение сигнал/шум системы. Высокоскоростные ОУ более восприимчивы к паразитной емкости системы, которая может добавить задержку к сигналу обратной связи и уменьшить запас по фазе и, следовательно, устойчивость. Наконец, более быстрые операционные усилители потребляют больше энергии, поскольку реактивный ток выходного каскада ОУ должен быть выше, для того, чтобы управлять емкостями нагрузки на более высокой частоте.

Выбрав очень быстрый ОУ, вы можете обжечься на повышенном энергопотреблении и низком качестве сигнала. Взяв слишком медленный ОУ, вы заморозите вашу точность, стабильность и другие рабочие характеристики. Самым правильным решением для вашего приложения будет выбор ОУ с правильным балансом скорости, коэффициента усиления, точности и запаса по фазе.

Ссылки