Использование усилителя с дифференциальными входами/выходами в приложениях с несимметричными сигналами

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июнь 2017

Glen Brisebois, Linear Technology

Design Note 473

Введение

Последние достижения в области кремний-германиевой BiCMOS технологии сделали возможными разработку и массовое производство высокоскоростных усилителей. Низкие рабочие напряжения компонентов, создаваемых на основе этой технологии, в большинстве случаев заставляют разработчиков проектировать усилители с дифференциальными входами и выходами, чтобы максимально использовать небольшой общий размах выходного сигнала. В связи с тем, что многие низковольтные приложения несимметричны, возникают вопросы: «Как использовать усилитель с дифференциальными входами/выходами в несимметричных схемах?» и «Каковы последствия такого использования?». В этой статье рассматриваются некоторые практические соображения и демонстрируются примеры конкретных несимметричных приложений на основе усилителя LTC6406 с дифференциальными входами/выходами и произведением коэффициента усиления на полосу пропускания, равным 3 ГГц.

Исходная информация

Обычный операционный усилитель (ОУ) имеет два дифференциальных входа и выход. Его коэффициент усиления условно считается бесконечным, но в реальной схеме устанавливается номиналами элементов обратной связи между выходом и отрицательным «инвертирующим» входом. Выходное напряжение не уходит в бесконечность, а напряжение между дифференциальными входами поддерживается равным нулю (как бы деленное на бесконечность). Универсальность, разнообразие и красота традиционных ОУ хорошо известны и подробно описаны. Полностью дифференциальные ОУ изучены и описаны хуже.

На Рисунке 1 изображен дифференциальный операционный усилитель с четырьмя резисторами обратной связи. В этом случае дифференциальный коэффициент усиления по-прежнему условно бесконечен, и обратная связь поддерживает равенство потенциалов входов, но обусловлено оно не выходными напряжениями. Причина заключается в том, что синфазное выходное напряжение может быть каким угодно, и, тем не менее, из-за симметрии обратной связи дифференциальное входное напряжение будет «нулевым». Поэтому для любого усилителя с полностью дифференциальными входами/выходами всегда должно существовать еще одно управляющее напряжение, определяющее синфазное выходное напряжение. С этой целью добавляется вывод V_OCM, и этим объясняется, почему полностью дифференциальные усилители всегда имеют, как минимум, пять выводов (не считая выводов питания), а не четыре. Дифференциальный коэффициент усиления равен

где

V_OUT(DM) – выходное дифференциальное напряжение,
V_IN(DM) – входное дифференциальное напряжение.

Синфазное выходное напряжение принудительно вводится в усилитель через вывод V_OCM.

И последнее, что необходимо сказать о полностью дифференциальных усилителях: у них больше нет инвертирующего входа – оба входа являются и инвертирующими, и неинвертирующими, в зависимости от того, что считается выходом в конкретном случае. Для удобства анализа схемы входы традиционно обозначаются «+» и «–», а один из выходов снабжается маленьким кружком, указывающим на то, что по отношению к входу «+» этот выход инвертирующий.

Рисунок 1.	У полностью дифференциального усилителя помимо двух выходов есть дополнительный вывод VOCM.

Любой, кто знаком с обычными операционными усилителями, знает, что в неинвертирующих приложениях импеданс неинвертирующего входа очень высок, и измеряется гига-, или даже тераомами. Но в случае полностью дифференциального ОУ на Рисунке 1 обратная связь заводится на оба входа, поэтому высокоимпедансных узлов в схеме нет. К счастью, эту трудность можно преодолеть.

Простое несимметричное подключение полностью дифференциального ОУ

На Рисунке 2 показана микросхема LTC6406, включенная как несимметричный ОУ. Источником сигнала обратной связи здесь служит только один из выходов, и обратная связь приходит только на один вход. Оставшийся вход теперь будет высокоимпедансным. LTC6406 прекрасно работает в этой схеме, и по-прежнему обеспечивает дифференциальный выход. Однако простой мысленный эксперимент немедленно выявляет один из недостатков этой конфигурации. Вообразите, что все входы и выходы, включая V_OCM, находятся на уровне 1.2 В. А теперь представьте, что напряжение на выводе V_OCM дополнительно поднялось на 0.1 В. Единственный выход, на котором напряжение способно измениться – это V_OUT–, поскольку V_OUT+ должен оставаться равным V_IN, поэтому, чтобы сместить синфазное выходное напряжение выше на 100 мВ, усилитель должен сдвинуть вверх напряжение на выходе V_OUT– в общей сложности на 200 мВ. Таким образом, при смещении напряжения V_OCM на 100 мВ выходное дифференциальное напряжение сдвигается на 200 мВ. Помимо прочего, это означает, что несимметричная обратная связь в полностью дифференциальном усилителе приводит к двукратному увеличению шума на пути от вывода V_OCM до «открытого» выхода. Для исключения такого шума просто не следует использовать этот выход, и в результате приложение станет полностью несимметричным. Вы можете использовать и оба выхода, но при этом придется пожертвовать небольшим ухудшением шумовых характеристик.

Рисунок 2.

Обратная связь только несимметричная. Эта схема устойчива и имеет такой же высокоимпедансный вход, как и обычный ОУ. Выход с обратной связью (в данном случае это VOUT+) является малошумящим. Несимметричный выходной сигнал лучше брать с выхода, используемого для обратной связи, при этом полоса пропускания по уровню 3 дБ составит 1.2 ГГц. Коэффициент усиления шумов выхода без обратной связи (VOUT–) относительно VOCM равен двум, однако он практически постоянен до частоты порядка 300 МГц, выше которой появляется значительная неравномерность в полосе пропускания.

Несимметричный трансимпедансный усилитель

Рисунок 3.	Трансимпедансный усилитель. Сверхмалошумящий полевой транзистор с p-n переходом буферизует токовые шумы входных биполярных транзисторов микросхемы LTC6406. Для установки нуля дифференциального выхода в отсутствие света используется подстроечный резистор.

На Рисунке 3 показана микросхема LTC6406, включенная несимметричным трансимпедансным усилителем с трансимпедансным усилением 20 кОм. Полевой транзистор с p-n переходом BF862 буферизует вход LTC6406, радикально снижая эффекты шумов входных биполярных транзисторов. Теперь в цепь обратной связи включено напряжение затвор-исток полевого транзистора, но его типичное значение равно всего 0.6 В, что не мешает схеме хорошо работать при однополярном питании 3 В, а смещением можно управлять с помощью подстроечного резистора 10 кОм. Отклик схемы во временнóй области показан на Рисунке 4. Общее напряжение шумов, измеренное в полосе 20 МГц, равно 0.8 мВ с.к.з. на выходе V_OUT+ и 1.1 мВ с.к.з. на выходе V_OUT–. Относительно дифференциального входа трансимпедансный коэффициент усиления равен 40 кОм.

Рисунок 4.	Из осциллограмм сигналов схемы на Рисунке 3 видно, что трансимпедансные коэффициенты усиления обоих выходов равны 20 кОм. Время нарастания 16 нс указывает на то, что полоса пропускания равна 20 МГц.

Заключение

Новые семейства полностью дифференциальных операционных усилителей, и в их числе LTC6406, имеют беспрецедентную полосу пропускания. К счастью, эти ОУ могут так же хорошо работать и в несимметричных приложениях со стопроцентной обратной связью.

Материалы по теме