РадиоЛоцман - Все об электронике

Композитные усилители. Сочетание большой нагрузочной способности с высокой точностью. Часть 1

Analog Devices AD8397 AD8599 AD8676 ADA4091-2

Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2019

Jino Loquinario, Analog Devices

Analog Dialogue

Введение

Нормально и почти ожидаемо столкнуться с приложениями, решения для которых, на первый взгляд, не существует. Чтобы выполнить предъявляемые к ним требования, нужно подумать о решении, которое выходит за рамки характеристик существующих продуктов, предлагаемых рынком. Например, приложению может потребоваться высокоскоростной и высоковольтный усилитель с большой нагрузочной способностью, но также одновременно могут потребоваться превосходная точность по постоянному току, низкие шумы, низкие искажения и т. д.

Усилители, отвечающие требованиям по скорости и выходному напряжению/току, как и усилители с исключительной точностью по постоянному току, легко доступны на рынке. Однако полный перечень необходимых характеристик может отсутствовать в одном усилителе. Столкнувшись с этой проблемой, некоторые могут подумать, что удовлетворить требования таких приложений невозможно, и что нужно согласиться на посредственное решение и использовать либо прецизионный усилитель, либо высокоскоростной усилитель, возможно, пожертвовав некоторыми из требуемых параметров. К счастью, это не совсем так. Есть решение проблемы в виде композитного усилителя, и в статье вы увидите, как это делается.

Композитный усилитель

Композитный усилитель – это комбинация из двух отдельных усилителей, сконфигурированных таким образом, чтобы реализовать преимущества каждого отдельного усилителя при одновременном уменьшении недостатков каждого усилителя.

Простая конфигурация композитного усилителя.
Рисунок 1. Простая конфигурация композитного усилителя.

На Рисунке 1 усилитель AMP1 должен иметь превосходную точность по постоянному току, а также требуемые приложением низкие шумы и искажения. AMP2 должен иметь высокую нагрузочную способность. В этой схеме усилитель с требуемыми выходными характеристиками (AMP2) размещается внутри петли обратной связи усилителя AMP1, имеющего необходимые входные характеристики. Ниже мы обсудим некоторые методы и преимущества этой конфигурации.

Установка коэффициента усиления

Первый вопрос, который может возникнуть при взгляде на композитный усилитель, заключается в том, как установить его усиление. Для ответа на него композитный усилитель полезно рассматривать как один неинвертирующий операционный усилитель (ОУ), заключенный в большой треугольник (Рисунок 2). Если представить, что треугольник затемнен, и мы не можем видеть, что находится внутри, тогда коэффициент усиления неинвертирующего операционного усилителя будет равен 1 + R1/R2. Наличие сложной конфигурации внутри треугольника ничего не меняет – усиление всего этого по-прежнему зависит только от соотношения сопротивлений резисторов R1 и R2.

Композитный усилитель, рассматриваемый как один усилитель.
Рисунок 2. Композитный усилитель, рассматриваемый как один усилитель.

Глядя на эту схему, можно подумать, что изменение усиления AMP2 с помощью R3 и R4 повлияет на выходной уровень AMP2, указывая на изменение композитного усиления, но на самом деле это не так. Увеличение усиления AMP2 с помощью R3 и R4 просто уменьшит эффективное усиление и выходной уровень AMP1, так что выходной сигнал композитного устройства (выход AMP2) останется неизменным. И наоборот, уменьшение усиления AMP2 послужит увеличению эффективного усиления AMP1. Таким образом, в общем случае, усиление композитного усилителя зависит только от R1 и R2.

В этой статье будут обсуждаться основные преимущества и конструктивные решения при реализации композитного усилителя. Особое внимание будет уделено влиянию конфигурации такого усилителя на полосу пропускания, точность по постоянному току, шумы и искажения.

Расширение полосы пропускания

Одним из основных преимуществ композитного усилителя является более широкая полоса пропускания по сравнению с одним усилителем, сконфигурированным для такого же коэффициента усиления.

Композитный усилитель с единичным усилением.
Рисунок 3. Композитный усилитель с единичным усилением.

Обратимся к Рисункам 3 и 4 и предположим, что у нас есть два отдельных усилителя, каждый из которых имеет произведение полосы пропускания на коэффициент усиления (GBWP), равное 100 МГц. Объединение их в составную конфигурацию увеличит эффективное GBWP. При единичном усилении полоса пропускания композитного усилителя по уровню –3 дБ примерно на 27% шире, хотя характеристика и имеет небольшой выброс. Однако при более высоких коэффициентах усиления этот выигрыш становится намного более заметным.

Расширение полосы пропускания по уровню -3 дБ (DBW) при единичном усилении.
Рисунок 4. Расширение полосы пропускания по уровню –3 дБ (DBW) при
единичном усилении.

На Рисунке 5 показан композитный усилитель с коэффициентом усиления 10. Обратите внимание, что композитное усиление установлено равным 10 с помощью резисторов R1 и R2. Коэффициент усиления AMP2, установленный равным приблизительно 3.16, делает эффективный коэффициент усиления AMP1 таким же. Разделение усиления в равных долях между двумя усилителями дает максимально возможную полосу пропускания.

Композитный усилитель, сконфигурированный для коэффициента усиления, равного 10.
Рисунок 5. Композитный усилитель, сконфигурированный для
коэффициента усиления, равного 10.

На Рисунке 6 приведена частотная характеристика одного усилителя с коэффициентом усиления 10 в сравнении с композитным усилителем, имеющим такое же усиление. В этом случае композитная схема обеспечивает увеличение полосы пропускания по уровню –3 дБ приблизительно на 300%. Как же такое возможно?

Расширение полосы пропускания по уровню -3 дБ для усиления 10.
Рисунок 6. Расширение полосы пропускания по уровню –3 дБ для усиления 10.

Для конкретного примера обратимся к Рисункам 7 и 8. Пусть нам требуется усиление системы 40 дБ, и мы будем использовать два идентичных усилителя, каждый с усилением без обратной связи 80 дБ и полосой пропускания 100 МГц.

Разделение усиления для получения максимальной полосы пропускания.
Рисунок 7. Разделение усиления для получения максимальной
полосы пропускания.

Чтобы реализовать максимально возможную полосу пропускания составного усилителя, мы поровну разделим необходимый коэффициент усиления системы между двумя усилителями, дав каждому из них коэффициент усиления 20 дБ. Таким образом, задание коэффициента усиления AMP2 с замкнутой обратной связью, равным 20 дБ, также устанавливает равным 20 дБ эффективное усиление AMP1 с замкнутой обратной связью. При такой конфигурации коэффициентов усиления оба усилителя относительно АЧХ разомкнутого контура работают ниже, чем работал бы любой из них при усилении 40 дБ. В результате композитный усилитель при коэффициенте усиления 40 дБ будет иметь более широкую полосу пропускания, чем решение с одним усилителем с тем же коэффициентом усиления.

Ожидаемый отклик одиночного усилителя.
Рисунок 8. Ожидаемый отклик одиночного усилителя.

Хотя это может показаться относительно простым и легким в реализации, при проектировании композитного усилителя следует проявлять разумную осмотрительность, чтобы получить максимально возможную полосу пропускания, не жертвуя устойчивостью схемы. В реальных приложениях, где усилители неидеальны и, возможно, неидентичны, необходимо обеспечить правильное распределение усиления между каскадами. Также обратите внимание, что композитное усиление спадает со скоростью –40 дБ/декада, поэтому при распределении усиления между двумя каскадами необходимо соблюдать осторожность.

В некоторых случаях разделение усиления в равных долях может быть невозможным. В таком случае равное распределение усиления между двумя усилителями требует, чтобы GBWP усилителя AMP2 всегда было больше или равно GBWP усилителя AMP1; в противном случае на АЧХ может возникнуть выброс и, как следствие, композит будет неустойчив. Если GBWP усилителя AMP1 должно быть больше, чем усилителя AMP2, неустойчивость обычно может быть устранена перераспределением коэффициентов усиления между двумя усилителями. В этом случае уменьшение усиления AMP2 вызывает увеличение эффективного усиления AMP1. В результате полоса пропускания AMP1 с замкнутой цепью обратной связи уменьшается, поскольку его АЧХ проходит выше кривой характеристики разомкнутого контура, а полоса пропускания AMP2 с замкнутой цепью обратной связи увеличивается, поскольку его АЧХ проходит ниже кривой характеристики разомкнутого контура. Если это замедление AMP1 и ускорение AMP2 подобрано надлежащим образом, устойчивость составной комбинации восстанавливается.

Чтобы продемонстрировать преимущества композитного усилителя, для этой статьи в качестве основы выходного каскада (AMP2) был выбран усилитель AD8397, а на входе (AMP1) использовались различные прецизионные усилители (Таблица 1). AD8397 – это сильноточный усилитель, способный отдавать в нагрузку 310 мА.

Таблица 1. Расширение полосы пропускания различных комбинаций усилителей для
коэффициента усиления, равного 10, и выходного напряжения 10 В пик-пик
Усилитель Полоса пропускания
одного усилителя
(кГц)
Полоса пропускания
композитного усилителя
(кГц)
Расширение полосы
пропускания
(%)
ADA4091 30 94 213
AD8676 165 517 213
AD8599 628 2674 325

Материалы по теме

  1. Datasheet Analog Devices AD8397
  2. Datasheet Analog Devices AD8599
  3. Datasheet Analog Devices AD8676
  4. Datasheet Analog Devices ADA4091-2

Окончание

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Composite Amplifiers. High Output Drive Capability with Precision. Part 1

AD8397 Купить ЦенаКупить AD8397 на РадиоЛоцман.Цены — от 112 до 25 945
42 предложений от 24 поставщиков
Исполнение: SOIC-8. OP AMP, DUAL HI CURR, SMD, 8397; Amplifiers, No. of:2; Op Amp Type:High Current; Gain, Bandwidth -3dB:50MHz; Slew Rate:53;...
Триема
Россия
AD8397ARZ-REEL
Analog Devices
112 ₽
Стандарт СИЗ
Россия
AD8397ARZ-REEL7
Analog Devices
159 ₽
Контест
Россия
AD8397ARZ
Analog Devices
266 ₽
Кремний
Россия и страны СНГ
AD8397ARDZ-REEL7
Analog Devices
по запросу
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Если соединить последовательно 2 усилителя, то сдвиг фазы просуммируется и есть риск вместо увеличения полосы пропускания получить самовозбуждение.
  • Справедливое замечание. Но, цитируя кого-то из корифеев, "схемотехника любого усилителя строится на компромиссах". Вообще в нашей литературе как-то не встречал даже упоминания "композитного усилителя". Думаю, это связано с малым разнообразием отечественных (советских) ОУ и их посредственными характеристиками. В англоязычной же литературе, статьях, монографиях и учебниках по электронике, термин "composite amplifiers" встречается часто. Достаточно забить в гугле [URL="https://www.google.com/search?q=composite+amplifier"]composite amplifier[/URL] и станет понятно, что с 80х годов такие схемы в общем используются. И вопросы стабильности рассматриваются и в общем, и в частном с анализом вариантов компенсации. Например, The Electronics Handbook за авторством Jerry Whitaker'a. Но всё, как всегда, сводится к "конденсаторчику" в ОС, подбору резисторов и общим рекомендациям по сдвигу и устранению полюсов.
  • В статье применен термин "составной усилитель". Может в нашей литературе вражеский "composite amplifiers" все таки назывался "составной усилитель" ? Ну и как всегда, в теории сотни мегагерц а на практике единицы килогерц. Да еще R2 сто один ом.
  • Составной или композитный - у кого из наших авторов можно почитать, дадите ссылку? Ведь в самом деле интересный вопрос, ОУ в такой конфигурации. В тех книгах, что есть у меня, не встречал этих терминов. В русскоязычном интернете гуглятся только темы на форумах с отсылкой к англоязычным аппноутам и т.п. Во всяком случае так было раньше.