Дифференциальный операционный усилитель
Дифференциальный операционный усилитель — использование усилителя с дифференциальными входами/выходами в приложениях с несимметричными сигналами. Последние достижения в области кремний-германиевой BiCMOS технологии сделали возможными разработку и массовое производство высокоскоростных усилителей. Низкие рабочие напряжения компонентов, создаваемых на основе этой технологии, в большинстве случаев заставляют разработчиков проектировать усилители с дифференциальными входами и выходами, чтобы максимально использовать небольшой общий размах выходного сигнала.
В связи с тем, что многие низковольтные приложения несимметричны, возникают вопросы: «Как использовать усилитель с дифференциальными входами/выходами в несимметричных схемах?» и «Каковы последствия такого использования?». Поэтому дифференциальный операционный усилитель здесь будет основным объектом. В этой статье рассматриваются некоторые практические соображения и демонстрируются примеры конкретных несимметричных приложений на основе усилителя LTC6406. То есть с дифференциальными входами/выходами и произведением коэффициента усиления на полосу пропускания, равным 3 ГГц.
Исходная информация
Обычный операционный усилитель (ОУ) имеет два дифференциальных входа и выход. Его коэффициент усиления условно считается бесконечным, но в реальной схеме устанавливается номиналами элементов обратной связи между выходом и отрицательным «инвертирующим» входом. Выходное напряжение не уходит в бесконечность, а напряжение между дифференциальными входами поддерживается равным нулю (как бы деленное на бесконечность). Универсальность, разнообразие и красота традиционных ОУ хорошо известны и подробно описаны. Полностью дифференциальные ОУ изучены и описаны хуже.
На Рисунке 1 изображен дифференциальный операционный усилитель с четырьмя резисторами обратной связи.
В этом случае дифференциальный коэффициент усиления по-прежнему условно бесконечен, и обратная связь поддерживает равенство потенциалов входов, но обусловлено оно не выходными напряжениями. Причина заключается в том, что синфазное выходное напряжение может быть каким угодно, и, тем не менее, из-за симметрии обратной связи дифференциальное входное напряжение будет «нулевым».
Синфазное выходное напряжение
Поэтому любой дифференциальный операционный усилитель должен иметь еще одно управляющее напряжение, определяющее синфазное выходное напряжение. С этой целью добавляется вывод Vоcm, и этим объясняется, почему полностью дифференциальные усилители всегда имеют, как минимум, пять выводов (не считая выводов питания), а не четыре. Дифференциальный коэффициент усиления равен
Синфазное выходное напряжение принудительно вводится в усилитель через вывод Vocm
И последнее, что необходимо сказать о полностью дифференциальных усилителях: у них больше нет инвертирующего входа оба входа являются и инвертирующими, и неинвертирующими, в зависимости от того, что считается выходом в конкретном случае.
Для удобства анализа схемы входы традиционно обозначаются «+» и «-», а один из выходов снабжается маленьким кружком, указывающим на то, что по отношению к входу «+» этот выход инвертирующий. Любой, кто знаком с обычными операционными усилителями, знает, что в неинвертирующих приложениях импеданс неинвертирующего входа очень высок, и измеряется гига-, или даже тераомами. Но в случае полностью дифференциального ОУ на Рисунке 1 обратная связь заводится на оба входа, поэтому высокоимпедансных узлов в схеме нет. К счастью, эту трудность можно преодолеть.
Как несимметрично подключить дифференциальный операционный усилитель
На Рисунке 2 показана микросхема LTC6406, включенная как несимметричный ОУ. Источником сигнала обратной связи здесь служит только один из выходов, и обратная связь приходит только на один вход. Оставшийся вход теперь будет высоко-импедансным. LTC6406 прекрасно работает в этой схеме, и по-прежнему обеспечивает дифференциальный выход. Однако простой мысленный эксперимент немедленно выявляет один из недостатков этой конфигурации. Вообразите, что все входы и выходы, включая Vоcm, находятся на уровне 1.2 В.
А теперь представьте, что напряжение на выводе Vоcm дополнительно поднялось на 0.1 В. Единственный выход, на котором напряжение способно измениться — это Vout-, поскольку Vout+ должен оставаться равным Vm, поэтому, чтобы сместить синфазное выходное напряжение выше на 100 мВ, усилитель должен сдвинуть вверх напряжение на выходе Vout- в общей сложности на 200 мВ.
Таким образом, при смещении напряжения Vocm на 100 мВ выходное дифференциальное напряжение сдвигается на 200 мВ. Помимо прочего, это означает, что несимметричная обратная связь в полностью дифференциальном усилителе приводит к двукратному увеличению шума на пути от вывода V0cm ДО «открытого» выхода. Для исключения такого шума просто не следует использовать этот выход, и в результате приложение станет полностью несимметричным. Вы можете использовать и оба выхода, но при этом придется пожертвовать небольшим ухудшением шумовых характеристик.
Несимметричный трансимпедансный усилитель
На Рисунке 3 показана микросхема LTC6406, включенная несимметричным трансимпедансным усилителем с трансимпедансным усилением 20 кОм. Полевой транзистор с р-n переходом BF862 буферизует вход LTC6406, радикально снижая эффекты шумов входных биполярных транзисторов. Теперь в цепь обратной связи включено напряжение затвор-исток полевого транзистора, но его типичное значение равно всего 0.6 В, что не мешает схеме хорошо работать при однополярном питании 3 В, а смещением можно управлять с помощью подстроечного резистора 10 кОм. Отклик схемы во временной области показан на Рисунке 4. Общее напряжение шумов, измеренное в полосе 20 МГц, равно 0.8 мВ с.к.з. на выходе V0ut+ и 1.1 мВ с.к.з. на выходе Vоut- Относительно дифференциального входа трансимпедансный коэффициент усиления равен 40 кОм.
Заключение
Новые семейства полностью дифференциальных операционных усилителей, и в их числе LTC6406, имеют беспрецедентную полосу пропускания. К счастью, эти ОУ могут так же хорошо работать и в несимметричных приложениях со стопроцентной обратной связью.