Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Вторник, 13 ноября
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика

Итоги Премии «Живая электроника России — 2018»


Интервью, презентации

Ранее

Аудиоусилители класса D: особенности и преимущества. Часть 2*

В первой части статьи сравнивались усилители разных классов и рассматривались особенности и преимущества усилителей класса D. Теперь речь пойдет о различных методах модуляции, способах борьбы с электромагнитными помехами, а также о том, какие факторы определяют стоимость аудиосистемы на основе усилителей класса D.

Аудиоусилители класса D: особенности и преимущества. Часть 1

В последние годы большой популярностью пользуются усилители класса D, хотя впервые они были представлены ещё в 1958 г. Что представляют собой усилители класса D? Чем они отличаются от других типов усилителей? Почему этот класс особенно хорошо подходит для применения в аудиоустройствах? Что нужно, чтобы сделать качественный усилитель класса D для аудио? Какие полезные особенности имеют устройства данного класса, представляемые компанией ADI? Ответы на все эти вопросы содержатся в предлагаемой статье.

Аудиоусилители класса D: особенности и преимущества. Часть 1

В последние годы большой популярностью пользуются усилители класса D, хотя впервые они были представлены еще в 1958 г. Что представляют собой усилители класса D? Чем они отличаются от других типов усилителей? Почему этот класс особенно хорошо подходит для применения в аудиоустройствах? Ответы на все эти вопросы содержатся в предлагаемой статье.

 

7 апреля

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ С ТОКОВОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

В статье приведены основные сведения и расчетные соотношения для операционных усилителей с обратной связью по току, которые хотя и известны довольно давно, однако в специальной литературе описаны относительно мало, в отличие от своих «собратьев» с обратной связью по напряжению.



Введение

Операционные усилители с токовой обратной связью по току (ОУТОС) относятся к трансимпедансным усилителям: их передаточная функция — трансимпеданс ZT выражается в Ом. Следует иметь в виду некоторую неточность терминологии: при определенной схеме включения трансимпедансный каскад усиления (часто встречается термин: преобразователь ток–напряжение) может быть построен на «обычном» операционном усилителе с обратной связью по напряжению (ОУОСН) — типичный пример усилитель тока фотодиода.
Принципиальное отличие заключается в том, что один из основных параметров микросхемы ОУОСН — коэффициент усиления напряжения с разомкнутой обратной связью, а микросхема ОУТОС характеризуется трансимпедансом ZT, который определяется как отношение выходного напряжения усилителя к току, протекающему через инвертирующий вход. Это комплексная функция, она имеет очень большую величину при постоянном токе.
Однако следует понимать, что микросхемы ОУТОС могут использоваться и для создания усилительных каскадов напряжения. Таким образом, и преобразователь ток–напряжение, и усилительный каскад по напряжению могут быть созданы как на основе ОУОСН, так и с использованием ОУТОС. В статье речь пойдет только об ОУТОС.

Основные свойства ОУТОС

Одно из главных достоинств ОУТОС — отличные динамические ха­рак­теристики — обусловлено построе­ни­ем входного каскада. На рисунке 1 [1] представлены упрощенные модели для оценки динамических характеристик ОУОСН (см. рис. 1а) и ОУТОС (см. рис. 1б).

 

Рис. 1. Упрощенная модель для оценки скорости нарастания выходного сигнала ОУОСН (а) и ОУТОС (б)

 

Конденсатор С представляет собой эквивалентную емкость усилителя. Входной каскад ОУОСН построен по стандартной схеме — дифференциальный каскад (транзисторы Q1, Q2) с токовым зеркалом (транзисторы Q3, Q4).
Емкость С заряжается лишь частью рабочего тока каскада, а при насыщении транзисторов дифференциального каскада ОУОСН — очень небольшим током смещения, что приводит к заметному увеличению времени нарастания фронта и ухудшению динамических характеристик. Иначе построена схема ОУТОС — ток входного и выходного буферов одинаков и эквивалентная емкость заряжается рабочим током. Именно эта особенность и позволяет достичь хороших динамических характеристик. Например, ОУТОС LMH6703 компании National Semiconductor имеет полосу пропускания 1,2 ГГц и скорость нарастания 4500 В/мкс, а AD8009 компании Analog Devices 5100 В/мкс и 1 ГГц! Время нарастания ограничивается током насыщения токовых зеркал (см. рис. 1б).

 

Рис. 2. Структурная схема

 

Расчетная модель ОУТОС приведена на рисунке 2 и описывается системой уравнений [2]:

 

I0 = I1 – I2,

 

I0 = U–/RG – (UВЫХ – U–)/RF,

 

UВЫХ = I0KIRЭ – (I2 + IH)RB,

 

U– = UВХ – I0R0,

 

где КI = KI1 = KI2 — коэффициент передачи повторителей тока; RЭ — эквивалентное сопротивление, представляющее собой параллельное соединение входного сопротивления буферного повторителя напряжения и выходного сопротивления повторителей тока, на котором осуществляется преобразование тока I0 в напряжение; R0 — выходное сопротивление входного двухтактного эмиттерного повторителя.
Входной каскад ОУТОС представляет собой буфер-повторитель напряжения с высоким входным (в идеале бесконечным) и малым выходным (в идеале равным нулю) сопротивлениями. Отметим важное отличие ОУОСН от ОУТОС. В идеальном ОУОСН обратная связь уменьшает дифференциальное входное напряжение до нуля (дифференциальное входное напряжение реального ОУОСН иногда называют напряжением ошибки).
В идеальном ОУТОС обратная связь уменьшает входной ток до нуля (входной ток реального ОУТОС называют током ошибки и обозначают IERR).

 

Рис. 3. Упрощенная расчетная модель ОУТОС

 

Расчетная модель, представленная на рисунке 2, довольно сложна для расчета, поэтому для понимания принципов работы и выведения основных расчетных соотношений чаще пользуются упрощенной моделью (см. рис. 3), описываемой уравнениями (1, 2) [3].

 

IERR + U–/RG – (UВЫХ – U–)/RF = 0,    (1)

 

IERR = UВЫХ/ZS.                                 (2)

 

Решая уравнения, получаем:

 

UВЫХ/UВХ = 1 + (RF / RG)(1 + 1/(1+ 1/LG)),             (3)

 

LG = ZS/RF.                        (4)

 

Заметьте, что передаточная функция ОУТОС (3) имеет точно такой же вид, что и у ОУОСН, однако кардинальное отличие заключается в том, что петлевое усиление LG для ОУСН выражается иначе:

 

LG = AS/(1 + (RF/RG)).              (5)

 

Таким образом, частотные свойства ОУОСН с замкнутой обратной связью зависят от коэффициента усиления, а частотные свойства ОУТОС не зависят от усиления, но только от величины сопротивления обратной связи. Уравнения (3, 4) получены исходя из упрощения UВХ = U–, т.е. входной буфер представляется идеальным. На практике входной буфер неидеален — он обладает выходным сопротивлением R0, поэтому соотношение между UВХ и U– выглядит следующим образом.

 

U– = UВХ – R0IERR.

 

Делая подстановку в предшествующие уравнения, получаем:

 

UВЫХ/UВХ = (1 + (RF/RG))(1/1+LG),    (6)

 

LG = ZS/(RF + R0(1 + (RF/RG)).       (7)

 

Как видно из (7) частотные свойства реального ОУТОС все же зависят от коэффициента усиления с замкнутой обратной связью, однако эта зависимость существенно меньше, чем у ОУОСН. Величина резистора R0 у современных усилителей составляет несколько десятков Ом.
При выборе резистора RF следует руководствоваться документацией производителя, в которой приводятся и оптимальные, с точки зрения получения максимальной полосы пропускания и устойчивости ОУТОС, значения сопротивления при различных коэффициентах усиления. На рисунке 4 [4] приведен пример выбора сопротивления RF для LMH6703.

 

Рис. 4. Амплитудно-частотные характеристики при различных сопротивлениях RF и коэффициентах усиления для неинвертирующего включения ОУТОС LMH6703

 

После определения величина резистора RF подсчитывается значение исходя из величины коэффициента усиления A V для неинвертирующего включения [4]:

 

A V = 1 + (RF/RG).

 

Напряжение смещения UСМ на выходе ОУТОС определяется следующим образом:

 

UСМ = (IBNRIN ± UOS)(1 + (RF/RG)) ± IBIRF,  (8)

 

где IBN и IBI — входные токи неинвертирующего и инвертирующего входов, соответственно; UOS — входное напряжение смещения; RIN — сопротивление источника сигнала.
Например, для LMH6703 при сопротивлении RIN = 25 Ом в соответствии с (8) получаем UСМ лежит в диапазоне: –3,7… 4,5 мВ. Учитывая широкую полосу пропускания ОУТОС, при расчете схемы часто необходимо уделить внимание оценке шума усилителя. Для уменьшения шума очень важно, чтобы полоса пропускания не превышала требуемой величины. При увеличении сопротивления RF шум снижается, поскольку снижение шума за счет уменьшения полосы пропускания превалирует над возрастанием шума из-за увеличения сопротивления резистора [5]. Уменьшение полосы пропускания возможно и за счет применения фильтров, но следует помнить, что построение активного фильтра с частотно зависимой обратной связью на основе ОУТОС практически невозможно, поэтому следует применять фильтры Салена-Кея. Подробно вопросы расчета шума для ОУТОС рассмотрены в [6].

 

Заключение

Усилители ОУТОС предназначены для применения в приложениях, где главным параметром являются динамические характеристики. Например, в драйверах линии, буферных усилителях быстродействующих АЦП и ЦАП, в видеодрайверах и т.д. При разработке схемы с ОУТОС сопротивление обратной связи RF необходимо выбирать, исходя из рекомендаций документации изготовителя, а не определять расчетным путем, как в случае использования ОУОСН. Учитывая динамические характеристики ОУТОС, повышенные требования предъявляются к топологии печатной платы и к развязывающим конденсаторам для шин питания [5].

 

Литература

1. Current Feedback Amplifiers, OA31//www.national.com.
2. Старченко Е., Старченко И. Опера­ционный усилитель с токовой обратной связью по напряжению//Электронный журнал «Исследовано в России», 2001 г.
3. Barnes E. Current feeddack amplifiers, Analog Dialogue 30-3//www.analog.com.
4. www.national.com/nationaledge/jan06/article.html.
5. Siebert L. Back to the basics: Using current-feedback op amps for high-speed designs//www.embedded.com/design/197000744.
6. www.national.com/an/OA/OA-12.pdf#page=1.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Алексей Чистяков, к.т.н., технический консультант, ИД «Электроника»



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2018 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты