Как заменить ОУ с обратной связью по напряжению на ОУ с обратной связью по току Текст научной статьи по специальности «Физика»

Как заменить

ОУ с обратной связью

по напряжению

на ОУ с обратной связью по току

Перевод: Дмитрий ИОФФЕ

dsioffe@yandex.ru

В предлагаемом переводе статьи "Converting From Voltage-Feedback to Current-Feedback Amplifiers" (AN9663.2 фирмы Intersil) рассматриваются особенности, которые отличают усилители с токовой обратной связью от широко известных и наиболее часто применяемых усилителей с обратной связью по напряжению. Даются рекомендации по замене усилителей с ОС по напряжению на усилители с токовой ОС. Кроме того, статья содержит ряд полезных советов и расчетных формул.

Введение

Усилители с токовой обратной связью (ОС) имеют ряд преимуществ перед усилителями с ОС по напряжению. Почему бы этим не воспользоваться?

Формулы для идеальной схемы с замкнутой обратной связью у обоих этих типов усилителей одинаковы. Однако усилители с токовой ОС имеют три преимущества перед усилителями с ОС по напряжению. Как правило, стоимость одного мегагерца полосы пропускания у них ниже, и у них нет постоянного произведения усиления на полосу пропускания или таких ограничений скорости нарастания, как у усилителей с ОС по напряжению. В результате коэффициент усиления усилителей с токовой ОС не снижается до намного более высоких частот. Поэтому они, как правило, лучше подходят для высокочастотных схем на операционных усилителях.

Кроме того, входная схема усилителя с токовой ОС подает ток на выход во время переходных процессов, и этот дополнительный ток увеличивает скорость нарастания выходного напряжения. Фактически усилитель с токовой ОС часто оказывается наилучшей из доступных схем благодаря своей низкой стоимости, большому усилению, отличным параметрам и низкому потребляемому току. Если в проекте или на стадии производства заменить усилитель с ОС по напряжению на усилитель с токовой ОС, то можно получить улучшение качественных показателей или снизить цену изделия. В этой статье мы рассмотрим простую методику такой замены.

Как работает усилитель с токовой ОС

На рис. 1 показана модель усилителя с токовой ОС. Мы видим, что неинвертирующий вход подключен к входу схемы с единичным

V|NO-i-

-О Vn

ZG Vx

Рис. 1. Модель усилителя с токовой обратной связью

усилением, которая, как правило, представляет собой несколько усложненный эмит-терный повторитель. В модели она представлена через GB и ZB. Неинвертирующий вход имеет высокий импеданс, так как он является входом буфера. А поскольку выход этого буфера подключен к инвертирующему входу, то инвертирующий вход усилителя с токовой ОС имеет низкий входной импеданс, ZB. Импеданс инвертирующего входа очень мал, порядка 10 Ом. Поэтому импеданс инвертирующего входа в схеме с разомкнутой обратной связью примерно равен (ZG+ZB) и лежит в диапазоне от 1 до 10 кОм.

Полоса пропускания буфера GB больше, чем у остальной части усилителя, а его коэффициент усиления близок к единице, поэтому в расчетах им можно пренебречь. С другой стороны, импеданс ZB зависит от частоты и влияет на устойчивость, поэтому он должен учитываться в расчетах. Ток I, протекающий через инвертирующий вход, порождает напряжение, равное произведению тока на трансимпеданс Z. Это напряжение представлено в модели как источник выходного напряжения Z(I). Оно поступает на выход через выходной буфер, показанный в модели как GOUт и ZOUт. Опять же, мы можем пренебречь GOUт, аналогично Gв. Zouт зависит от частоты и может проявляться на высоких частотах при наличии емкостной нагрузки, но и этим параметром можно пренебречь, так как его влияние легко рассчитать, и оно минимально при нормальной нагрузке.

Здесь приводится сокращенный вывод формул для расчета неинвертирующей схемы. Полный вывод формул для расчета схем на усилителях с токовой обратной связью можно найти во множестве других источников [1].

Формула 1 — это выражение для тока через инвертирующий вход в схеме, пока-

занной на рис. 1. Формула 2 описывает работу входной схемы при замкнутой ОС, а формула 3 — выражение для выходной схемы. Из этих формул, после нескольких алгебраических преобразований, можно получить формулу 4, которая описывает работу неинвертирующей схемы с замкнутой ОС. Выражение 5 — это стандартная формула для схемы с обратной связью, где А — это усиление в прямом направлении и р — коэффициент обратной связи [2].

Ух Ооиг Ух)

Ух = Уш

оит =

: 12.

г(пгР/гв)

Удит _ Уш

2Р(1+2В/2Р 2а)

1 + -

V

'оит

V 'ш

2Р(1+2В12Р\\20) А

1+Лр

2(1+2р/20)

V

'оит _ Уш

201одИ

(1)

(2) (3)

(4)

(5)

-180

201од|гР(1+гв/гРцге)|

Суммарная кривая ► Ьод(0

Рис. 2. При помощи логарифмических диаграмм Боде для усилителя с токовой ОС разработчик схемы может по отдельности манипулировать независимыми переменными, чтобы анализировать влияние каждой из них

Если А настолько велико, что произведение Ар намного больше единицы, то идеальное усиление для схемы с замкнутой ОС равно 1/р. Кроме того, устойчивость [2] в формуле 5 определяется знаменателем или, другими словами, произведением Ар. Так как трансимпеданс 2 в формуле 4 практически бесконечен, идеальное усиление для схемы с замкнутой ОС принимает вид G = 1+2р/2с. Эта формула идентична идеальной формуле для усиления схемы на усилителе с ОС по напряжению с замкнутой ОС. Получается парадокс: если идеальные формулы для усиления идентичны, то почему для усилителей с токовой ОС не работает такое ограничение, как постоянное произведение усиления на полосу пропускания, характерное для усилителей с ОС по напряжению?

Если входной буфер имеет характеристики, близкие к идеальным, то величина 2в в выражении 4 стремится к нулю, и формула 4 превращается в формулу 6:

Выражение для инвертирующей схемы можно вывести аналогично выражению для неинвертирующей схемы. Оно представлено формулой 7. Заметим, что знаменатели в формулах 4 и 7 идентичны. Поэтому устойчивость зависит только от петлевого усиления Ар и не зависит от подключения входов.

Урщ= 2а{\+гв1гр г0) гш ~ 1+-?-

2р{\+2в12р\2в)

А?:

(6)

При внимательном изучении формулы 6 видно, что усилитель с токовой ОС описывается идеальной формулой для усиления с замкнутой ОС, но 2С исчезает из знаменателя, когда 2в равно нулю. Устойчивость определяется знаменателем, а знаменатель не зависит от 2в. Следовательно, устойчивость не зависит от усиления с замкнутой ОС, и ограничения в виде постоянного произведения усиления на полосу пропускания не существует.

1+Ар = 0, или Ар = -1.

= 201оё

2Р(1+2В/2Р\\20)

2Р(1+2в/2Р\\2в)

(11)

(7)

(8)

2р(1+2в/2р\\2в) Устойчивость и резисторы

Выражение 9 дает критерий устойчивости, но есть несколько методов для расчета этого критерия. Метод, который используется в этой статье, называется методом диаграмм Боде [3], которые представляют собой логарифмические графики частотных характеристик. Краткое описание построения диаграмм Боде приводится в статье «Обратная связь, операционные усилители и коррекция» [2].

Амплитудная и фазовая составляющие передаточной функции с разомкнутой обратной связью строятся в логарифмическом масштабе, и если усиление спадает ниже 0 дБ раньше, чем фазовый сдвиг достигнет -180°, то схема устойчива. На практике отрицательный фазовый сдвиг должен быть <140°, или запас по фазе должен быть больше 40°, чтобы получить хорошее поведение схемы.

(9)

.(10)

Проверить устойчивость схемы можно путем построения этих функций в логарифмическом масштабе. Выражение 20^1Ар1 для усилителя с токовой ОС примет вид 20log(x/y) = 20log(x)-20log(y). Числитель и знаменатель формулы 10 нужно рассчитывать по отдельности, графики следует строить независимо, а затем их необходимо сложить для анализа. При использовании этой процедуры можно по отдельности манипулировать независимыми переменными, чтобы следить за влиянием каждой из них. На рис. 2 показаны графики формулы 10 для типичного усилителя с токовой ОС, где 2 = 106(т15+1)(т25+1); 2р = 2С = 1 кОм и 2в = 70 Ом.

Если 20logI2F(1+2B/2FII2G)I оказалось равно 0 дБ, схема будет возбуждаться, потому что сдвиг по фазе 2 достиг -180° раньше, чем 20^121 стало меньше 1. Если 2010^2^1+2^2^12^1 = 61,1 дБ-Ом, кривая трансимпеданса перемещается вниз до 58,9 дБ-Ом. При этом достигается устойчивость, так как фазовый сдвиг равен -120°, или, что то же самое, запас по фазе равен 60°. Обратим внимание на случай, когда 2Р приближается к нулю (например, если в схеме выход соединен с инвертирующим входом). Это типично для схем с единичным усилением, построенных на усилителях с ОС по напряжению. В этом случае Ар = 2/2в, поэтому 2в очень мало, и схема склонна к неустойчивости.

Теперь становится понятно, почему усилитель с токовой ОС, включенный по схеме с неинвертирующим единичным усилением, должен иметь правильно выбранный резистор обратной связи, чтобы предотвратить самовозбуждение. Установка диодов или конденсаторов рядом с резистором обратной связи или вместо него вызовет самовоз-

буждение, так как в некоторой части передаточной функции они ведут себя подобно короткому замыканию. Запомним, что самовозбуждению всегда предшествуют выбросы и звон при уменьшении запаса по фазе. Поэтому, если на выходе схемы наблюдаются большие выбросы, это может означать, что паразитные емкости слишком велики или Rp слишком мало. Если 2в = 0 Ом и = RF, тогда Ар = Z/RF. В этом особом случае устойчивость зависит только от 2 и RF, и достаточно правильно выбрать RF, чтобы гарантировать устойчивость.

Первый вывод, который сейчас можно сделать, состоит в том, что значение Е^^о) влияет на устойчивость, а значит, сопротивление резистора обратной связи вносит наибольший вклад в эту величину и имеет доминирующее влияние на устойчивость. Основным критерием выбора RF является достижение максимально возможной полосы пропускания в сочетании с приемлемым уровнем выбросов. Запас по фазе 60° эквивалентен величине выбросов примерно 10%. И второй вывод: выходной импеданс входного буфера, 2в, меньше влияет на устойчивость, так как он очень мал по сравнению с сопротивлением резистора в обратной связи, даже несмотря на то, что он умножается на

Если переписать выражение 8 в виде Ар = Z(ZF+ZB(1+RF/RG)), то мы придем к третьему выводу: усиление в схеме с замкнутой обратной связью мало влияет на устойчивость и полосу пропускания, так как оно умножается на 2в, которое мало по сравнению с Ер Из-за этого третьего вывода многие считают, что усиление в усилителях с токовой ОС не должно зависеть от полосы пропускания в схеме с замкнутой ОС. Однако на выполнение этого требования влияет соотношение Ев и

При составлении спецификации микросхемы производитель выбирает оптимальные значения RF. Но для получения наилучшего качества переходных процессов могут потребоваться различные значения RF при разных значениях коэффициента усиления с замкнутой обратной связью. Самый простой способ выбрать новое значение RF — это еще раз посмотреть справочные данные производителя и интерполировать или экстраполировать значения RF и полосы пропускания на основе этих данных.

Замена усилителя в реальности

Как правило, усилитель с ОС по напряжению на усилитель с токовой ОС заменяют еще на начальных стадиях проектирования. Однако преимущества усилителей с токовой ОС в стоимости и производительности могут вынудить к такой замене даже во время серийного производства. Так как формулы для идеальных схем с замкнутой обратной связью идентичны, то возможно непосред-

ственно заменить усилитель без изменения печатной платы. Это можно сделать тогда, когда в обратной связи схемы используется резистор и на плате хорошо выполнена разводка «земли» и цепей питания.

Иногда замена делается потому, что для высокочастотных приложений усилители с токовой ОС дают выигрыш в цене. Все непосредственные замены требуют тщательного тестирования перед тем, как доработанное изделие попадет в серийное производство.

В некоторых случаях прямая замена невозможна, например, если в обратной связи исходной схемы нет резистора, используется конденсатор или диод. Тогда схему нужно изменить так, чтобы при помощи RF можно было управлять устойчивостью. Диоды в обратной связи часто заменяют на ограничительные диоды на входе или на выходе, а влияние конденсатора в обратной связи можно нейтрализовать, если установить последовательно с ним резистор. Существуют и другие способы.

Особенно тяжело использовать усилитель с токовой ОС в схеме интегратора, так как для нее в обратной связи требуется конденсатор. Однако можно найти решение, если подключить конденсатор к неинвертирую-щему входу усилителя с токовой ОС или буферизовать конденсатор при помощи другого усилителя.

Входные токи усилителя с токовой ОС влияют на работу схемы совсем не так, как в усилителе с ОС по напряжению. У последнего на входе используется согласованная дифференциальная транзисторная пара, и входные токи тоже согласованы. Поэтому можно построить схему так, чтобы ошибка зависела только от небольшой разности между входными токами. Входы усилителя с токовой ОС — это вход и выход одного и того же буфера. Это означает, что ток неинвертиру-ющего входа — и в самом деле небольшой входной ток, а ток инвертирующего входа — это выходной ток буфера. Производители

пытаются уменьшить ток инвертирующего входа, так как он, протекая через сопротивление обратной связи RF, порождает на выходе напряжение смещения. В большинстве случаев ток неинвертирующего входа не критичен для схем высокочастотных усилителей, потому что из-за низких импедансов порождаемое им напряжение смещения также оказывается небольшим. В высокочастотных схемах не требуется высокая точность по постоянному току, поэтому небольшое постоянное смещение вполне приемлемо.

Входное напряжение смещения в усилителях обоих типов действует аналогично и не создает проблем для точных проектов.

Тщательная разводка печатной платы

Все высокочастотные схемы требуют внимания при разводке печатной платы, и усилители с токовой ОС не являются исключением. Вспомним, что критерием принадлежности усилителя к классу «высокочастотных» является его максимальная полоса пропускания, а не частота сигнала или функции, которые он выполняет.

Первый признак хорошей разводки — это сплошной слой «земли», который обеспечивает низкий импеданс для возвратных токов, благодаря чему эти токи почти не создают помех. Это противоречит требованиям к паразитной емкости на инвертирующем входе, Сш, которая должна быть небольшой для предотвращения выбросов на переходных процессах в выходном напряжении. Формула 8 показывает, что величина критична для устойчивости, и любая емкость, добавленная на инвертирующем входе, приближает схему к неустойчивости (рис. 3). Видно, что при нулевых значениях Ст и ^ выброс не превышает 1 дБ. Когда же емкость одного из этих конденсаторов достигает всего 2 пФ, выброс увеличивается до 3 дБ и более. Способ уменьшения емкости в этой точке

С

С

2 <

сР = = 2 1ф М" 2 пФ

\ 9 К / *

— 1 Г >

У НОЙ Е II СТ £ 1

1

\

\

\

10

Частота, МГц

100

Рис. 3. Влияние паразитной емкости на работу усилителя с токовой ОС при замкнутой обратной связи

О

HFA11XXEVAL VH NON-INVERTING GAIN FIXTURE

OUT +5V GND

О

о

О о

• •

Ul» •

I • • -Ï"K • •

iJS>-

О О

Рис. 4. Пример чертежа оценочной платы усилителя с токовой ОС

состоит в том, чтобы сделать вырез в «земляном» слое под инвертирующим входом и подходящими к нему цепями. Если сделать его правильно, то увеличение шумов будет минимальным.

Производители интегральных схем должны включать примеры правильной разводки плат в спецификации усилителей с токовой ОС. Эти примеры обычно доступны пользователям в виде оценочных плат и чертежей. Очень важно сделать предварительную оценку нового усилителя с токовой ОС по оценочной плате, предоставленной производителем. Таким образом, у вас появится общая основа для разговоров с инженерами по применению, которые продвигают это устройство. Если возникнут проблемы или вопросы, инженер по применению может быстро воспроизвести ситуацию на другом экземпляре оценочной платы.

Не бойтесь изменять оценочную плату так, как вам потребуется: она все равно сможет послужить основой для вашего нового проекта. Чертеж оценочной платы (рис. 4) заключает в себе многочасовой труд инженеров. Он не защищен авторскими правами, и вы можете свободно использовать его в ваших следующих работах. Большинство производителей

ИС поощряют использование своих оценочных плат в пользовательских проектах.

Самым большим источником шумов на печатной плате являются логические схемы. Будьте внимательны при выборе логического семейства. Некоторые из них при изменении состояния на выходе генерируют импульсы тока до 50 мА. Это относится и к семействам КМОП. Эти импульсы тока порождают шумы напряжения в «земляной» цепи, а усилитель с токовой ОС имеет достаточную полосу для того, чтобы их усиливать. Аналоговые сигналы никогда не должны идти параллельно цифровым сигналам, потому что фронты последних наводят помехи в аналоговых линиях, и эти помехи появляются в аналоговых сигналах. Если требования к плотности печатной платы вынуждают вас вести аналоговые сигналы параллельно цифровым, они должны быть разделены проводниками, заземленными на конце. Заземленный проводник работает как экран Фарадея, который шунтирует цифровые фронты на «землю».

Емкостная нагрузка часто приводит к звону или паразитной генерации на выходе усилителя. Этого можно избежать, если вставить небольшой резистор (начать эксперименты можно с 27 Ом) последовательно с выходом. Этот изолирующий резистор будет наиболее эффективен, если его разместить за пределами петли обратной связи, но он образует фильтр нижних частот с емкостью нагрузки (рис. 5) и вносит ошибку в коэффициент усиления при низкоомной нагрузке. Если этот резистор вставить внутрь петли обратной связи, его фильтрующий эффект исчезнет или станет малым, и обратная связь устранит ошибку усиления. Однако такая техника работает не для всех усилителей. В любом случае, для определения правильной величины сопротивления необходимо тщательное тестирование. Не забудьте учитывать производственные допуски, выбирая больший резистор, чем кажется необходимым.

Все активные схемы должны иметь развязку по питанию, с достаточным количеством керамических конденсаторов емкостью 0,01 мкФ. По этим конденсаторам циркулируют возвратные токи ИС, что уменьшает генерацию помех. Они также работают как фильтры питания. На высоких частотах про-

водник между ИС и источником питания работает как индуктивность порядка нано-генри, поэтому развязывающий конденсатор может послужить вам защитой от местной генерации помех.

Еще одна тема для обсуждения — выбор компонентов, окружающих усилитель с токовой ОС. Безвыводные компоненты предпочтительны, потому что низкая индуктивность их выводов не будет влиять на работу в области высоких частот. Компоненты должны быть небольшими, чтобы их можно было разместить как можно ближе к ИС для получения минимальной длины проводников. Убедитесь также, что собственные резонансные частоты компонентов лежат далеко за пределами полосы усилителя.

Точность по переменному току

Зависимость сигнала ошибки от петлевого усиления для любых систем с обратной связью равна Уш/Ар для Ар >> 1:

Error = УУ(1+ЛР).

(12)

Рассмотрим пример: усилитель с токовой ОС семейства НА502Х [4] в неинверти-рующей схеме включения с коэффициентом усиления +2. Параметры: 2 = 6 МОм, Яр = Яс = 1 кОм, Яв = 75 Ом. Таким образом, Ар = 6000 000/1000(1+75/500) = 5217. Тогда ошибка будет равна 1/5217, или 0,019%. Это соответствует точности 12,4 бит, потому что N = 1,451п(5217). А высокочастотный усилитель с ОС по напряжению НА2841 [5] имеет точность 15,7 бит на постоянном токе. Теперь рассмотрим эти же усилители при коэффициенте усиления 10 на частоте 1 МГц. Для усилителя с токовой ОС 2 = 40 кОм, Яр = 383 Ом и Яс = 42,5 Ом, таким образом, Ар = 35,3. Это означает, что точность в данном случае эквивалентна 5,16 бит. А упомянутый усилитель с ОС по напряжению имеет петлевое усиление 10 дБ на частоте 1 МГц, что соответствует точности 1,69 бит. Несмотря на то, что у усилителей с токовой ОС точность по постоянному току ниже, чем у усилителей с ОС по напряжению, они превосходят их по точности в приложениях, где требуется высокая частота и большое усиление.

Шумы усилителя

Все усилители генерируют внутренний шум, который они усиливают и передают далее по цепи прохождения сигнала. Уровень входного шумового напряжения у усилителей с токовой ОС и с ОС по напряжению сопоставим, и в обоих случаях он умножается на идеальное усиление схемы с замкнутой ОС. Входной шумовой ток у усилителей с токовой ОС выше, но он, как правило, мало влияет на результирующее напряжение шума, так как в схемах на этих усилителях обычно используются резисторы с небольшими сопротивлениями.

Токовый шум неинвертирующего входа равен примерно 2,5 пА/^Гц, это намного меньше, чем токовый шум инвертирующего входа, равный примерно 25 пА/^Гц. Так как к неинвертирующему входу обычно подключен согласующий резистор сопротивлением 75 Ом, вклад шумового тока в результирующее шумовое напряжение составляет 187,5 пВ. Шумовой ток инвертирующего входа доставляет больше хлопот, потому что он намного больше и умножается на сопротивление в обратной связи. При сопротивлении резистора обратной связи 1 кОм результирующее напряжение на выходе схемы равно 25 нВ/^Гц. Один из способов минимизировать этот шум — выбрать усилитель, который рассчитан на работу с очень малым сопротивлением в обратной связи.

Выводы

Итак, усилители с токовой ОС могут легко заменить усилители с ОС по напряжению

в большинстве высокочастотных применений, с улучшением качественных показателей и снижением стоимости. Делая такую замену, необходимо знать о некоторых тонкостях, и тогда в большинстве случаев понадобятся лишь небольшие изменения в печатной плате, или даже изменения могут вообще не понадобиться. Помните, что усилитель с токовой ОС должен иметь резистор в обратной связи, поэтому его нельзя просто поставить на место усилителя с ОС по напряжению в схеме с единичным усилением, где выход соединен с инвертирующим входом = 0).

Ключ к устойчивости усилителя с токовой ОС — резистор в обратной связи. Всегда можно найти величину RF, которая обеспечит устойчивую работу. Лучше всего начинать со значения, рекомендованного производителем. А если потребуется другое значение RF для получения произвольного усиления или полосы, то его можно выбрать графическим методом. Помните, что с уменьшением RF увеличивается полоса пропускания, но одновременно увеличиваются звон и выбросы. Нельзя слишком уменьшать RF, иначе можно получить возбуждение усилителя.

Усилители с токовой ОС оптимизированы для высокочастотных задач, а не для точной работы на низких частотах. Несмотря на то, что новые модели таких усилителей имеют улучшенные параметры, очень редко можно получить преимущества от использования высокочастотного усилителя там, где хорошо работает любой низкочастотный усилитель. Исключением является случай, когда полоса высокочастотного усилителя ограничивается внешними компонентами для получения устойчивости. Усилители

с ОС по напряжению имеют большую точность на постоянном токе, но с повышением частоты они начинают уступать в точности усилителям с токовой ОС. Это особенно заметно в схемах с большим усилением.

Как и для всех высокочастотных усилителей, для усилителей с токовой ОС требуется тщательная разводка печатной платы. Когда-то было сказано, что хорошая разводка увеличивает полосу на 20%. Сейчас для получения устойчивости требуется превосходная разводка, а полоса будет прямым следствием разводки и параметров усилителя. Внешние компоненты также следует выбирать внимательно, потому что они влияют на частотные характеристики.

Усилитель с токовой ОС не имеет ограничения в виде постоянного произведения полосы на коэффициент усиления, поэтому можно оптимизировать полосу для каждого нового усиления. Такая оптимизация осуществляется за счет выбора сопротивления обратной связи. В основном усилитель с токовой ОС не сложнее в использовании, чем усилитель с ОС по напряжению с эквивалентной полосой пропускания: они просто немного разные. ■

Литература

1. Mancini R., Lies J. Current Feedback Amplifier Theory and Applications. Intersil Corporation, 1995.

2. Mancini R. Feedback, Op Amps and Compensation. Intersil Corporation, 1995.

3. Bode H. W. Network Analysis and Feedback Amplifier Design. D. Van Nostrand, Inc., 1945.

4. Data sheet for HA5020. Intersil Corporation, 1995.

5. Data sheet for HA2841. Intersil Corporation, 1995.