Дифференциальный операционный усилитель


Дифференциальный операционный усилитель

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».

Читайте также:  Новая компрессионная акустика HF1440 на неодимовых магнитах

Дифференциальный операционный усилитель-1

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

Дифференциальный операционный усилитель-f

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

Дифференциальный операционный усилитель-2

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.

Читайте также:  Виртуальная гарнитура воображаемой реальности VR Vive Focus

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

Дифференциальный операционный усилитель-3

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.

Дифференциальный операционный усилитель-4

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.