В приложениях потребительской электроники, работающих на относительно невысоких частотах и менее критичных к качеству синхронизации, чем типичные системы, требующие буферизации тактовых сигналов, недорогой быстродействующий операционный усилитель (ОУ) с полосой порядка 100 МГц может служить привлекательной заменой традиционных тактовых буферов. Быстродействующие усилители могут оказаться более дешевым решением, чем классические тактовые буферы, и при этом их можно адаптировать к широкому спектру различных конфигураций.
Например, хорошей альтернативой для недорогих тактовых буферов являются выпускаемые Analog Devices ОУ с однополярным питанием типа AD8061, а также микросхемы семейства ADA485X. Все эти усилители питаются от низких напряжений, потребляют небольшие токи, имеют режимы пониженного расхода энергии для маломощных приложений и rail-to-rail выходы, обеспечивающие широкий динамический диапазон.
Одним из существенных преимуществ ОУ перед традиционными буферами синхронизации является гибкость. Операционные усилители дают возможность буферизовать, усиливать, смещать по уровню, инвертировать, суммировать, вычитать или фильтровать сигналы. Они обеспечивают высокий входной импеданс, малые входные токи, низкий ток потребления, независимые режимы пониженной мощности (для нескольких ОУ в корпусе), низкий выходной импеданс и малую задержку распространения.
При использовании ОУ в приложениях тактовых буферов разработчики должны знать и соблюдать некоторые ограничения. Например, для усилителей с обратной связью по напряжению произведение усиления на полосу пропускания является фиксированной величиной. Поэтому с увеличением коэффициента усиления с обратной связью их полоса пропускания уменьшается. Каскадирование нескольких ОУ с небольшими коэффициентами усиления позволяет расширить полосу пропускания, сохраняя общее усиление и быстродействие схемы.
Для портативных электронных устройств важно однополярное питание. Диапазон синфазных напряжений ОУ с однополярным питанием по определению включает уровень отрицательной шины (земли). Большинство из них может работать с входными напряжениями, уровни которых на 200 мВ ниже земли. Но это не означает, что ниже земли может опускаться и выходное напряжение. В выходных каскадах типичных rail-to-rail биполярных усилителей используется конфигурация с общим эмиттером. Соответственно, выходное напряжение всегда будет больше уровня шины земли на величину напряжения насыщения, которое в зависимости от выходной нагрузки может варьироваться от десятков до сотен милливольт.
По счастью, в этих приложениях выходному сигналу обычно не нужно опускаться до самой земли. Когда выходной сигнал подходит слишком близко к земле (примерно от 100 мВ до 200 мВ), выходной каскад может входить в насыщение, что приводит к искажению и длительному времени восстановления. В системах со связью по постоянному току следите за тем, чтобы низкий уровень сигнала был выше 200 мВ, или используйте источник отрицательного напряжения –200 мВ. При любом методе это защитит выходной каскад от насыщения.
Кроме того, в технической документации на усилители указывается необходимый запас верхнего уровня выходного сигнала относительно положительного напряжения питания, так что все сказанное относительно отрицательной шины питания точно так же относится и к положительной. Если входное напряжение слишком велико, выходной каскад будет искажать и обрезать сигнал.
На Рисунке 1а изображен неинвертирующий тактовый буфер на основе ОУ с коэффициентом усиления +2, а на Рисунке 1б показана переходная характеристика этой схемы. В данной конфигурации верхняя граница рабочих частот AD8061 находится примерно на уровне 33 МГц. Равная 2 нс задержка распространения этого усилителя соизмерима с задержками специализированных тактовых буферов.
|
||||||
| Рисунок 1. | Тактовый буфер на основе неинвертирующего ОУ с коэффициентом усиления +2 (а) и его переходная характеристика при частоте импульсов 33 МГц (б). |
|||||
В некоторых приложениях допустима развязка по постоянному току, что позволяет расширить полосу частот, используя более быстродействующие усилители. В схемах с одним источником напряжения входы и выходы этих усилителей смещают, подключая к средней точке питания.
Схема тактового буфера на быстродействующем усилителе AD8057 компании Analog Devices, включенном в конфигурации с единичным усилением, изображена на Рисунке 2а. Полоса пропускания этого ОУ равна 325 МГц, а скорость нарастания выходного напряжения – 1150 В/мкс. Резистор нагрузки подключен к напряжению, равному среднему уровню входного сигнала. Это дает гарантию, что уровень выходного напряжения будет привязан к земле. Верхняя рабочая частота схемы равна примерно 100 МГц. Вы можете судить об этом по хорошему качеству сигнала при частоте импульсов 90 МГц (Рисунок 2б).
|
||||||
| Рисунок 2. | В этом тактовом буфере с развязкой по постоянному току использован быстродействующий ОУ AD8057 в конфигурации с единичным усилением (а). Переходная характеристика буфера говорит о хорошем качестве импульсов (б). |
|||||
Таким образом, когда в схеме требуется буферизация тактового сигнала, быстродействующий усилитель зачастую может обеспечить бóльшую гибкость при меньших затратах, конкурируя с традиционными тактовыми буферами во многих приложениях. В зависимости от конкретного устройства, могут использоваться усилители либо с одно-, либо с двуполярным питанием.
Купить AD8057 на РадиоЛоцман.Цены
