Операционный усилитель с однополярным питанием. Операционные усилители с однополярным питанием: особенности и компромиссы проектирования

Во многих приложениях усилитель обеспечивает усиление +2 В/В или более для сигнала, отраженного от земли. В этих случаях для обработки синфазного диапазона сигнала обычно достаточно усилителя с датчиком заземления. Если это так, он может обеспечить лучшую производительность, чем вход с рельсовым входом. Типичные входные каскады rail-to-rail используют две пары дифференциальных входов вместо одной (рис. 1).

Рис. 1. Входной каскад «rail-to-rail» (a) имеет две дифференциальные пары, в то время как стандартный входной каскад с датчиком заземления (b) имеет только одну.

Когда входной сигнал перемещается с одной шины питания на другую, усилитель переключается с одной входной пары на другую. В точке кроссовера этот сдвиг может вызвать изменения входного тока смещения и напряжения смещения, которые влияют как на величину, так и на полярность этих параметров. Эти изменения напряжения смещения, как правило, ухудшают характеристики искажения и характеристики точности усилителей с шиной Rail-to-Rail (по сравнению с типами, чувствительными к земле). Чтобы свести к минимуму сдвиги напряжения смещения и сгладить переход от одной входной пары к другой, Maxim подстраивает смещение своих усилителей rail-to-rail как на верхних, так и на нижних концах синфазного диапазона.

Чтобы уменьшить напряжения смещения, вызванные входными токами смещения, разработчик должен согласовать импедансы в инвертирующем и неинвертирующем узлах операционного усилителя. Поскольку входные токи смещения обычно больше, чем входные токи смещения, такое согласование импедансов является хорошей практикой для всех типов операционных усилителей, а не только для входных усилителей с шиной питания.

Чтобы проиллюстрировать этот момент, на рис. 2 показано изменение входного тока смещения в зависимости от диапазона синфазного сигнала для семейства операционных усилителей MAX4122–MAX4129 (которые имеют возможность работы от напряжения питания к питанию как на входе, так и на выходе). При изменении синфазного входного напряжения от 0 В до 5 В абсолютное изменение входного тока смещения составляет 85 нА (от -45 нА до +40 нА). Напротив, спецификация для входа смещение ток составляет всего ±1 нА. Таким образом, изменения на инвертирующем и неинвертирующем входах (входной ток смещения) тесно следуют друг за другом, несмотря на значительные изменения величины и знака токов смещения. Согласовывая импедансы в этих узлах, вы можете свести к минимуму напряжение смещения, вызванное изменениями входного тока смещения.

Рис. 2. По мере того, как синфазное входное напряжение входного усилителя с шиной питания колеблется от одной шины питания к другой, входной ток смещения может изменяться как по знаку, так и по величине.

На рис. 3 показано, как согласовать импедансы в классической инвертирующей и неинвертирующей конфигурациях операционных усилителей. Инвертирующая конфигурация (рис. 4) предлагает один из способов устранения изменений входного тока смещения за счет поддержания постоянного синфазного входного напряжения усилителя на опорном напряжении (V _REF ). Выход определяется как V _OUT = (-V _IN x R2/R1) + V _REF (1 + R2/R1). Если R2 = R1, это становится V _OUT = -V _IN + 2V _REF . Для V _REF = 2 В и V _IN между 0 В и 3 В, V _OUT находится в диапазоне от 4 В до 1 В. Синфазный диапазон фиксирован, поэтому ошибки CMR также устранены. В таблице 2 перечислены каталожные номера, подходящие для использования в низковольтных системах.

Рис. 3. Согласование сопротивлений в инвертирующем и неинвертирующем узлах сводит к минимуму ошибки смещения, вызванные входными токами смещения как для неинвертирующей (а), так и для инвертирующей (б) конфигураций.

Рис. 4. Поддерживая постоянное синфазное входное напряжение, конфигурация инвертирующего усилителя устраняет ошибки подавления синфазного сигнала.

Таблица 2. Каталожные номера низкого напряжения Maxim

Скорость нарастания

Скорость нарастания также может пострадать, если вместо усилителя с измерением уровня земли используется входной усилитель с линейным входным сигналом. Более простой входной каскад усилителя с датчиком заземления может использовать преимущества многих схемных методов увеличения скорости нарастания, которые просто недоступны для усилителей с двухпарным входом rail-to-rail. Например, операционные усилители семейства MAX4212 (таблица 1) имеют входы с датчиком заземления, что помогает им достигать скорости нарастания 600 В/мкс и полосы пропускания 300 МГц при максимальном токе питания всего 7 мА. Если бы у них были входные каскады rail-to-rail, а все остальные характеристики остались неизменными, скорость нарастания была бы в несколько раз ниже.

Проблемы выходного каскада

В то время как в низковольтных схемах могут не требоваться операционные усилители с входными каскадами «rail-to-rail», они обычно требуют выходных каскадов «rail-to-rail», чтобы максимизировать динамический диапазон. Поскольку в большинстве приложений операционные усилители обеспечивают усиление, выходное напряжение обычно больше, чем входное напряжение. Таким образом, входной каскад rail-to-rail не всегда требуется, но обычно требуется выходной каскад rail-to-rail. Эти выходные каскады отличаются от таковых в операционных усилителях с двойным питанием и обуславливают другое поведение схемы в выходных усилителях с шиной питания.

Выходные каскады Rail-to-Rail обычно имеют конфигурацию с общим эмиттером, а стандартные выходные каскады обычно имеют конфигурацию эмиттерный повторитель (рис. 5). Для выходных каскадов с общим эмиттером падение напряжения между входом и выходом относительно невелико (одиночное напряжение насыщения коллектор-эмиттер, или V _CE(SAT) ), но классический выходной каскад с эмиттерным повторителем не может приблизиться к шине, чем V _CE(SAT) (из-за источника тока) плюс V _BE (из-за выходного транзистора).

Рис. 5. Выходной каскад rail-to-rail (a) имеет конфигурацию с общим эмиттером, а стандартный выходной каскад (b) имеет конфигурацию эмиттерный повторитель.

Поскольку V _CE(SAT) биполярного транзистора зависит от тока через транзистор, размах выходного сигнала биполярного операционного усилителя зависит от его тока нагрузки. Таким образом, несмотря на заявленную производительность от шины к шине, выходной каскад усилителя никогда не достигает шины питания. Например, MAX4122 с нагрузкой 100 кОм колеблется в пределах 12 мВ от положительной шины и 20 мВ от отрицательной. Однако при нагрузке 250 Ом он колеблется только в пределах 240 мВ от положительной шины и 125 мВ от отрицательной. Для выходных каскадов КМОП аналогом напряжения коллектор-эмиттер биполярного транзистора является напряжение сток-исток МОП-транзистора, которое обусловлено произведением сопротивления в открытом состоянии и тока канала в МОП-транзисторе. Таким образом, размах выходного напряжения выходного каскада MOSFET также зависит от нагрузки.

Усиление против нагрузки

Помимо низкого падения напряжения между входом и выходом, каскад с общим эмиттером в усилителе rail-to-rail отличается от каскада с эмиттерным повторителем и другими важными особенностями. Каскады с общим эмиттером обеспечивают усиление по напряжению и имеют выходы с относительно высоким импедансом; каскады эмиттерных повторителей обеспечивают единичный коэффициент усиления по напряжению и имеют выходы с низким импедансом. По этой причине операционные усилители rail-to-rail обычно включают выходной узел как часть цепи компенсации, в то время как стандартные операционные усилители обычно компенсируют свою компенсацию на предшествующем этапе. Для операционных усилителей rail-to-rail результирующая зависимость коэффициента усиления от тока нагрузки может сделать их нестабильными при работе с емкостными нагрузками.

Эти свойства выхода rail-to-rail можно подавить тщательной конструкцией операционного усилителя, но компромиссом, как правило, является более высокий ток питания, чем требуется для операционных усилителей с выходными каскадами эмиттерных повторителей. Семейство операционных усилителей MAX4122–MAX4129 предлагает хорошие возможности управления емкостными нагрузками (таблица 1). Имея входы и выходы rail-to-rail, которые остаются стабильными при подаче 500 пФ, эти операционные усилители полезны как для питания кабелей с неправильной оконечной нагрузкой, так и для емкостных входов аналого-цифровых преобразователей. Особенности, которые позволяют им управлять большими емкостными нагрузками, также позволяют им поддерживать хороший коэффициент усиления по напряжению с большим сигналом даже при больших резистивных нагрузках.

Усиление без обратной связи в зависимости от размаха выходного сигнала

Как и для всех операционных усилителей, коэффициент усиления разомкнутого контура для выходного усилителя с линейным выходным напряжением зависит от размаха выходного напряжения. Таким образом, чтобы оценить выходной усилитель с шиной Rail-to-Rail, вы должны указать коэффициент усиления как при заданном выходном напряжении, так и при заданной нагрузке. Так Максим указывает коэффициент усиления, но не все производители включают такие данные в свои спецификации. Например, операционный усилитель может иметь коэффициент усиления 106 дБ без обратной связи и способность управлять нагрузкой 250 Ом в пределах 125 мВ от напряжения питания, но он не может одновременно демонстрировать эти возможности. MAX4122–MAX4129техническое описание, например, правильно указывает коэффициент усиления по напряжению большого сигнала и размах выходного напряжения в таблице электрических характеристик (рис. 6). Графики зависимости коэффициента усиления напряжения большого сигнала от выходного напряжения и нагрузки для этих устройств показаны на рис. 7.

Рис. 6. Правильная спецификация усиления по напряжению при большом сигнале включает как нагрузку, так и размах выходного напряжения. Размах выходного напряжения зависит от приводимой в действие нагрузки.

Рис. 7. На этих графиках показана зависимость коэффициента усиления от нагрузки и размаха выходного напряжения для выходных усилителей с диапазоном выходных сигналов.

Операционные усилители с подкачкой заряда

Семейство операционных усилителей MAX4162 иллюстрирует новый подход к проблемам стандартного выходного каскада rail-to-rail. Эти операционные усилители имеют классический выходной каскад с эмиттерным повторителем, но обеспечивают выходное напряжение от шины к шине с помощью внутреннего преобразователя с подкачкой заряда, который обеспечивает внутреннее напряжение питания для смещения выходного каскада. Преобразователь зарядового насоса также обеспечивает питание других каскадов усилителя. Таким образом, входной каскад имеет стандартную конфигурацию заземления, но позволяет входным сигналам переключаться с земли на V _СС . Технические характеристики этого семейства перечислены в таблице 1. Каждое устройство потребляет всего 35 мкА (включая преобразователь подкачки заряда) при полосе пропускания 200 кГц. Потребляемые токи невелики, но эти усилители могут работать с относительно большими нагрузками 20 кОм и 500 пФ.

Поскольку зарядовый насос позволяет создавать операционные усилители со стандартной структурой входов и выходов, такие усилители могут обеспечивать более высокие характеристики, чем операционные усилители с линейным входом и выходом. Операционные усилители с подкачкой заряда имеют очень хорошее подавление синфазного сигнала, а их единственная пара вход-транзистор не подвержена изменениям напряжения смещения, вызванным переключением между входными парами. Кроме того, классический выходной каскад с эмиттерным повторителем обеспечивает высокий коэффициент усиления без обратной связи даже при относительно большой резистивной нагрузке. Это также позволяет усилителю оставаться стабильным при работе с большими емкостными нагрузками.

Общие вопросы

Работа с однополярным питанием также усугубляет проблемы шума, смещения и искажений.

Шум

Приложения с однополярным питанием, как правило, имеют низкое напряжение, и более низкие шины питания вынуждают проектировщика делать соответствующее снижение шума только для поддержания отношения сигнал/шум в системе. К сожалению, работа при низком напряжении обычно идет рука об руку с работой при малой мощности, и по мере уменьшения тока питания шум усилителя имеет тенденцию к увеличению. При прочих равных условиях усилитель с более низким уровнем шума требует более высокой рассеиваемой мощности.

Чтобы оценить шум операционного усилителя, рассмотрите все источники шума: шум входного напряжения, шум входного тока и тепловой шум, вызванный резисторами, задающими коэффициент усиления. На рис. 8 показаны эти источники шума с операционным усилителем с обратной связью по напряжению. C1 — это паразитная емкость на инвертирующем входе операционного усилителя, C2 ограничивает усиление шума и полосу пропускания сигнала на более высоких частотах, а R1/R2 — стандартные резисторы, задающие коэффициент усиления. R3 уравновешивает сопротивления инвертирующего и неинвертирующего входов.

Рис. 8. Основные источники шума в операционном усилителе с обратной связью по напряжению показаны на рисунке.

На низких частотах усиление шума определяется как 1 + R2/R1 (рис. 9). Шумовое усиление достигает своего первого нуля на частоте, заданной 1/2ΠR1C1, затем увеличивается на 6 дБ на октаву, пока не достигнет полюса, вызванного C2. На этом полюсе (1/2ΠR2C2) коэффициент усиления шума плоский и равен 1 + C1/C2. Затем шумовое усиление перехватывает усиление без обратной связи усилителя и спадает со скоростью 6 дБ на октаву (стандартный однополюсный спад усиления без обратной связи усилителя).

Рисунок 9. На этом графике показано усиление шума и усиление без обратной связи для усилителя на рисунке 8.

Поскольку шум входного напряжения, шум неинвертирующего тока и шум, вызванный резистором R3, интегрируются по всей полосе пропускания с обратной связью и умножаются на усиление шума схемы, вы можете видеть (из графиков усиления шума и усиления без обратной связи), что схема Шум можно свести к минимуму, выбрав операционный усилитель с более низкой частотой кроссовера при единичном усилении. Для инвертирующего входа токовый шум и тепловой шум от R1 и R2 интегрируются только по ширине полосы сигнала (1/2ΠR2C2). Поскольку конденсатор C2 отсутствует в операционных усилителях с обратной связью по току, шум для этих типов интегрируется по всей полосе пропускания сигнала с обратной связью.

Искажение

Контурное усиление усилителя сводит к минимуму искажения, которые в противном случае возникли бы из-за нелинейности передаточной функции входа-выхода. Поскольку усиление усилителя падает на более высоких частотах, гармонические искажения усилителя увеличиваются.

Таким образом, для данной частоты операционный усилитель может достичь превосходных гармонических характеристик, если он работает в своей более линейной области с максимальным коэффициентом усиления контура. Обычно это означает смещение выхода от шин питания, как на Рисунке 4 (где представлена ​​инверсия сигнала и смещение) или Рисунке 10 (где представлено смещение, но нет инверсии сигнала).

Рис. 10. Обеспечивая как усиление, так и смещение входного сигнала, эта схема отклоняет выходное напряжение от шин питания.

Метод инвертирования, показанный на рис. 4, устраняет синфазные нелинейности, поддерживая постоянное синфазное входное напряжение. Эта функция особенно полезна для входных усилителей с рельсовым входом, нелинейность которых создается изменениями синфазного входа (когда входной каскад переключается с одной входной пары на другую).

Снова сосредоточьтесь на выходном каскаде. Легкая нагрузка улучшит гармонические характеристики усилителей rail-to-rail, потому что коэффициент усиления зависит от тока нагрузки. Изменение напряжения усилителя также влияет на искажения. Все операционные усилители, как правило, выигрывают от нагрузок, требующих минимального скачка напряжения (внутренним узлам не нужно перемещаться слишком далеко, поэтому они, как правило, остаются в своих линейных областях). Скорость нарастания усилителя, связанная с полосой пропускания при полной мощности, также влияет на гармонические искажения. При работе усилителя выше его полной полосы пропускания связанные ограничения скорости нарастания вызывают серьезные нелинейности.

Создание второго источника питания

Высокопроизводительные операционные усилители с однополярным питанием становятся все более распространенными, но для достижения максимальной производительности иногда необходимо выбирать усилитель с двухполярным питанием. Выбор типов с двойным питанием больше, потому что системы с двойным питанием были доступны дольше, а операционные усилители с двойным питанием не имеют тех же ограничений, что и их собратья с одним источником питания.

Существует бесчисленное множество способов создания отрицательного предложения из существующего положительного. Импульсные стабилизаторы являются наиболее гибкими, но преобразователи напряжения с подкачкой заряда предлагают самую простую, маленькую и дешевую альтернативу. Поскольку преобразователи с подкачкой заряда обеспечивают преобразование напряжения с помощью внешних конденсаторов, а не катушек индуктивности, они превосходно обеспечивают целое число, кратное входному напряжению (-V _В , +2В _В и т.д.). Их выходные напряжения обычно не регулируются, но если токи нагрузки относительно малы, выходные напряжения остаются довольно близкими к целому кратному входному.

Поскольку преобразователи с подкачкой заряда могут иметь очень низкие токи потребления, они могут быть очень эффективными при небольших нагрузках. На рис. 11 преобразователь зарядового насоса сконфигурирован для генерации отрицательного напряжения, равного входному по величине, но противоположного по полярности. Варианты штыревого ремешка устанавливают частоту внутреннего генератора на 13 кГц, 100 кГц или 250 кГц, позволяя разработчику найти компромисс между потребляемым током покоя, размером конденсатора подкачки заряда или пульсациями выходного напряжения.

Рис. 11. Простые, небольшие и недорогие преобразователи подкачки заряда могут легко генерировать отрицательную шину питания из положительной.

4.3: Смещение одного источника питания — Engineering LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• Джеймс М. Фиоре
• Муниципальный колледж Mohawk Valley

До сих пор во всех приведенных схемах использовался двухполярный источник питания, обычно \(\pm\) 15 В. Иногда это нецелесообразно. Например, небольшое количество аналоговых схем может использоваться вместе с преимущественно цифровой схемой, работающей от однополярного питания. Возможно, будет неэкономично создавать полностью отрицательный источник только для работы одного или двух операционных усилителей. Хотя можно купить операционные усилители, специально разработанные для работы с однополярными источниками питания ¹ добавление простой схемы смещения позволит практически любому операционному усилителю работать от однополярного источника питания. Этот запас может быть в два раза больше, чем у биполярного аналога. Другими словами, схема, которая обычно питается от источника питания \(\pm\) 15 В, может быть сконфигурирована для работы от однополярного источника питания +30 В с аналогичными характеристиками. Мы рассмотрим примеры с использованием как неинвертирующих, так и инвертирующих усилителей напряжения

Идея состоит в том, чтобы сместить вход на половину полного потенциала питания. Это можно сделать с помощью простого делителя напряжения. Конденсатор связи может использоваться для изоляции этого постоянного потенциала от каскада возбуждения. Для правильной работы выход операционного усилителя также должен составлять половину напряжения питания. Этот факт означает, что коэффициент усиления схемы должен быть равен единице. Может показаться, что это очень ограничивающий фактор, но на самом деле это не так. Следует помнить, что усиление должно быть только единицей для постоянного тока. Усиление переменного тока может быть практически любым.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Смещение при однополярном питании в неинвертирующем усилителе.

Пример использования неинвертирующего усилителя напряжения показан на рисунке \(\PageIndex{1}\). Чтобы установить усиление по постоянному току равным единице, не влияя на усиление по переменному току, конденсатор \(C_3\) помещается последовательно с \(R_i\). \(R_1\) и \(R_2\) устанавливают точку смещения 50%. Их параллельная комбинация также задает входной импеданс. Резисторы \(R_3\) и \(R_4\) служат для предотвращения деструктивного разряда разделительных конденсаторов \(C_1\) и \(C_2\) в ОУ. Они могут не требоваться, но если они есть, то обычно стоят около 1 к\(\Омега\) и 100 \(\Омега\) соответственно.

Включение конденсаторов производит три отведения сети. Стандартный частотный анализ и упрощение схемы показывают, что приблизительные критические частоты равны

\[ f_{in} = \frac{1}{2\pi C_1 R_1 || R_2} \номер\]

\[ f_{out} = \frac{1}{2 \pi C_2 R_{load}} \nonumber \]

\[ f_{fdbk} = \frac{1}{2\pi C_3 R_i} \номер\]

Входную цепь смещения можно улучшить, используя схему на рисунке \(\PageIndex{2}\). Это уменьшает фон и шум, передаваемые от источника питания на вход операционного усилителя. Это достигается за счет создания низкого импеданса в узле А. Это, конечно, не влияет на потенциал постоянного тока. \(R_5\) теперь устанавливает входное сопротивление схемы.

Рисунок \(\PageIndex{2}\): Улучшено смещение для схемы на рисунке \(\PageIndex{1}\).

Здесь важно помнить, что коэффициент усиления по напряжению по-прежнему \(1 + R_f/R_i\) в средней полосе, \(Z_{in}\) теперь устанавливается резисторами смещения \(R_1\) и \(R_2 \) или \(R_5\) (если используется), и эта частотная характеристика больше не плоская до нуля герц.

Версия инвертирующего усилителя напряжения с однополярным питанием показана на рисунке \(\PageIndex{3}\). Он использует те же основные методы, что и неинвертирующая форма. Настройка смещения использует оптимизированную форму с низким уровнем шума. Обратите внимание, что входной импеданс не изменился, он по-прежнему устанавливается \(R_i\). Приблизительные критические частоты сети отведений находятся через

\[ f_{in} = \frac{1}{2\pi C_1 R_i} \nonumber \]

\[ f_{out} = \frac{1}{2\pi C_2 R_{load}} \nonumber \]

\[ f_{bias} = \frac{1}{2\pi C_3 R_1 || R_2} \номер\]

Обратите внимание на общее сходство схем на рисунках \(\PageIndex{3}\) и \(\PageIndex{1}\). Простое перенаправление входного сигнала создает одну форму из другой.

Рисунок \(\PageIndex{3}\): Инвертирующий усилитель с однополярным питанием.

Эта страница под названием 4.3: Предвзятость единого предложения распространяется под лицензией CC BY-NC-SA 4.0 и была создана, изменена и/или курирована Джеймсом М. Фиоре с помощью исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами Платформа LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или страница

   Автор

   Джеймс М.