Композитные усилители. Сочетание большой нагрузочной способности с высокой точностью. Часть 2

Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2019

Jino Loquinario, Analog Devices

Analog Dialogue

Часть 1

Сохранение точности по постоянному току

В типичной схеме операционного усилителя часть выходного сигнала подается обратно на инвертирующий вход (Рисунок 9). Присутствующие на выходе ошибки, которые образовались в контуре регулирования, умножаются на коэффициент обратной связи β и вычитаются. Это помогает точно поддерживать выходное напряжение равным входному, умноженному на коэффициент усиления с обратной связью (A).

Рисунок 9.	Петля обратной связи операционного усилителя.

В композитном усилителе усилитель A2 имеет свою собственную петлю обратной связи, но A2 и его петля обратной связи находятся внутри большого контура обратной связи A1 (Рисунок 10). Выходной сигнал теперь содержит большие ошибки, вносимые A2, которые подаются обратно в A1 и устраняются. Больший корректирующий сигнал увеличивает точность А1.

Рисунок 10.	Петля обратной связи композитного усилителя.

Влияние этой композитной петли обратной связи можно ясно увидеть, глядя на схему на Рисунке 11 и диаграмму на Рисунке 12. На Рисунке 11 показана схема композитного усилителя, состоящего из двух идеальных ОУ. Композитное усиление равно 100, а коэффициент усиления AMP2 установлен равным 5. V_OS1 представляет 50 мкВ смещения AMP1, тогда как V_OS2 соответствует переменному напряжению смещения AMP2. Из Рисунка 12 видно, что при изменении V_OS2 от 0 мВ до 100 мВ величина ошибки (смещения), вносимой усилителем AMP2, на выходное смещение не влияет. Напротив, выходное смещение пропорционально только ошибке AMP1 (50 мкВ, умноженной на композитное усиление 100) и остается на уровне 5 мВ независимо от значения V_OS2. Без композитной обратной связи мы ожидаем, что выходная ошибка возрастет до 500 мВ.

Рисунок 11.	Вклад ошибки смещения.

Рисунок 12.	Зависимость выходного смещения композитного выхода от VOS2.

Таблица 2.	Выходное напряжение смещения при коэффициенте усиления, равном 100
Усилитель   Эффективное VOS (мВ)   Уменьшение VOS (в композитной конфигурации)   AD8397   100       AD8397 + ADA4091   3.5   28.6 раза   AD8397 + AD8676   1.2   83.3 раза   AD8397 + AD8599   1   100 раз

Шумы и искажения

Выходные шумы и гармонические искажения композитного усилителя устраняются таким же образом, как и ошибки смещения по постоянному току, но в случае параметров переменного тока учитывается также полоса пропускания двух каскадов. Чтобы проиллюстрировать это с пониманием того, что подавление искажений происходит почти таким же образом, мы рассмотрим пример с использованием выходного шума.

Обратимся к схеме на Рисунке 13. До тех пор, пока первый каскад (AMP1) имеет достаточную полосу пропускания, он будет подавлять больший шум второго каскада (AMP2). При приближении к границе полосы пропускания AMP1 начинает доминировать шум от AMP2. Однако если полоса пропускания AMP1 слишком велика, и на частотной характеристике имеется выброс, на частоте выброса возникнет шумовой пик.

Рисунок 13.	Источники шумов композитного усилителя.

В этом примере резисторы R5 и R6 на Рисунке 13 представляют источники собственных шумов усилителей AMP1 и AMP2, соответственно. Левый график на Рисунке 14 изображает амплитудно-частотную характеристику AMP1 при различных полосах пропускания и характеристику AMP2 при фиксированной полосе. Напомним, что выше, обсуждая разделение усиления, мы говорили, что при суммарном усилении 100 (40 дБ) и усилении AMP2, равном 5 (14 дБ), эффективное усиление AMP1 будет равно 20 (26 дБ), что мы и видим на этом рисунке.

Рисунок 14.	Зависимость плотности напряжения шумов от полосы пропускания (BW) Каскада 1.

На правом графике показана частотная зависимость плотности широкополосного выходного шума для каждого случая. На низких частотах преобладает плотность выходного шума, вносимого AMP1 (плотность 1 нВ/√Гц, умноженная на композитное усиление 100, дает 100 нВ/√Гц). Так будет до тех пор, пока полосы пропускания AMP1 будет достаточно для компенсации AMP2.

Для случаев, когда полоса пропускания AMP1 меньше, чем AMP2, начинает доминировать плотность шума AMP2 по мере того, как полоса пропускания AMP1 начинает снижаться. Это можно увидеть на двух кривых Рисунка 14, когда шум достигает 200 нВ/√Гц (плотность 40 нВ/√Гц, умноженная на усиление AMP2, равное 5). Наконец, в случае, когда полоса пропускания AMP1 намного больше, чем у AMP2, из-за чего на частотной характеристике образуется выброс, композитный усилитель будет иметь шумовой пик на частоте выброса, также показанный на Рисунке 14. Поскольку пику частотной характеристики соответствует дополнительное усиление, амплитуда шумового пика также будет выше.

Таблицы 3 и 4 иллюстрируют эффективное ослабление шумов и уменьшение суммы общих нелинейных искажений и шума (THD+n) при использовании различных прецизионных усилителей во входном каскаде композитного усилителя с микросхемой AD8397.

Таблица 3.	Ослабление шумов при использовании входных дифференциальных усилителей с эффективным коэффициентом усиления G = 100 на частоте 1 кГц
Конфигурация Шумовое напряжение (нВ/√Гц) Эффективное подавление шумов (%) Только AD8397 450   AD8397 + ADA4084 390 13.33 AD8397 + AD8676 280 37.78 AD8397 + AD8599 107 76.22

 

Таблица 4.	Сравнение результатов использования во входном каскаде различных усилителей при G = 10, частоте 1 кГц и токе нагрузки 200 мА
Конфигурация Эффективное значение THD+n (дБ) Улучшение THD+n (дБ) Только AD8397 –100.22   AD8397 + ADA4084 –105.32 5.10 AD8397 + AD8676 –106.68 6.46 AD8397 + AD8599 –106.21 5.99

Приложение системного уровня

Рисунок 15.	Схема выходного драйвера токового ЦАП.

В примере на Рисунке 15 назначение выходного буфера ЦАП заключается в том , чтобы обеспечить выходной сигнал 10 В пик-пик для измерителя низких импедансов с током 500 мА пик-пик, низким уровнем шумов и искажений, превосходной точностью по постоянному току и настолько широкой полосой пропускания, насколько это возможно. Выходной сигнал 4-20 мА токового ЦАП должен быть преобразован в напряжение трансимпедансным усилителем (TIA), а затем подан на вход композитного усилителя для дальнейшего усиления (Рисунок 16). Сформулированным требованиям отвечает выходной усилитель на основе AD8397. AD8397 – это сильноточный rail-to-rail усилитель, способный отдавать необходимый приложению ток.

Рисунок 16.	Осциллограммы выходного тока и напряжения композитного усилителя Рисунок 15.

В качестве AMP1 может быть выбран любой прецизионный усилитель с соответствующим уровнем точности по постоянному току. Для достижения необходимых для приложения высоких требований, как по постоянному току, так и по большой нагрузочной способности, в данном приложении в паре с усилителем AD8397 (как и с другими сильноточными усилителями) могут использоваться различные прецизионные входные усилители (Таблица 5).

Таблица 5.	Характеристики композитного усилителя AD8599 + AD8397
Параметр Значение Усиление 10 В/В Полоса пропускания по уровню –3 дБ 1.27 МГц Выходное напряжение 10 В пик-пик Выходной ток 500 мА пик-пик Выходное напряжение смещения 102.5 мкВ Напряжение шумов (f = 1 кГц) 20.95 нВ/√Гц THD+n (f = 1 кГц)  –106.14 дБ

Выбор приборов для этой конфигурации не ограничивается AD8397 и AD8599. Возможны другие комбинации усилителей, способные обеспечить требуемый высочайший уровень точности по постоянному току. Усилители, характеристики которых приведены в Таблице 6 и Таблице 7, также подходят для этих приложений.

Таблица 6.	Сильноточные усилители
Сильноточные усилители Выходной ток (А) Скорость нарастания Максимальное напряжение между выводами питания (В) ADA4870 1 2.5 кВ/мкс 40 LT6301 1.2 600 В/мкс 27 LT1210 2 900 В/мкс 36

 

Таблица 7.	Прецизионные входные усилители
Прецизионные усилители Напряжение смещения (мкВ) Шумовое напряжение (нВ/√Гц) THD+n на частоте 1 кГц (дБ) LT6018 50 1.2 –115 ADA4625 80 3.3 –110 ADA4084 100 3.9 –90

Заключение

Объединение двух усилителей в композитном устройстве реализует лучшие характеристики каждого усилителя, одновременно компенсируя их ограничения. Усилители с высокой нагрузочной способностью в сочетании с прецизионными входными усилителями могут обеспечить решения для приложений с самыми высокими требованиями. Для достижения оптимальных характеристик при разработке всегда следует учитывать аспекты, связанные с устойчивостью, шумовыми пиками, полосой пропускания и скоростью нарастания. Всегда существует множество возможных вариантов решений, удовлетворяющих широкому спектру приложений. При надлежащей реализации и правильном выборе комбинации усилителей достижение необходимого баланса характеристик приложения вполне осуществимо.

Материалы по теме