Полностью дифференциальный усилитель

( Полностью дифференциальный усилитель FDA ) представляет собой входами с дифференциальными напряжения с высоким коэффициентом усиления и связью по постоянному току электронный усилитель и дифференциальными выходами. При обычном использовании выход ПВМ управляется двумя путями обратной связи, которые из-за высокого коэффициента усиления усилителя почти полностью определяют выходное напряжение для любого данного входа.

В полностью дифференциальном усилителе подавляются синфазные помехи, такие как помехи в источнике питания; это делает FDA особенно полезными как часть интегральной схемы смешанных сигналов . ^[1]

FDA часто используется для преобразования аналогового сигнала в форму, более подходящую для подачи в аналого-цифровой преобразователь ; многие современные высокоточные АЦП имеют дифференциальные входы. ^[2]^[3]^[4]

Идеальное FDA

Для любых входных напряжений идеальный FDA имеет бесконечное усиление без обратной связи , бесконечную полосу пропускания , бесконечные входные импедансы, что приводит к нулевым входным токам, бесконечной скорости нарастания напряжения , нулевому выходному сопротивлению и нулевому шуму .

В идеальном ПВМ разница выходных напряжений равна разнице входных напряжений, умноженной на коэффициент усиления. Синфазное напряжение выходных напряжений не зависит от входного напряжения. Во многих случаях синфазное напряжение может быть установлено напрямую с помощью третьего входа напряжения.

Входное напряжение: $V_{\mathrm {id} }=V_{\mathrm {in+} }-V_{\mathrm {in-} }$ ^[5]
Выходное напряжение: $V_{\mathrm {od} }=V_{\mathrm {out+} }-V_{\mathrm {out-} }=V_{\mathrm {id} }\times \mathrm {Gain}$ ^[5]
Выходное синфазное напряжение: $V_{\mathrm {oc} }={\frac {(V_{\mathrm {out+} })+(V_{\mathrm {out-} })}{2}}$ ^[5]

Настоящий FDA может лишь приблизиться к этому идеалу, а фактические параметры могут изменяться со временем, с изменениями температуры, входных условий и т. д. Современные FDA со встроенными интегрированными полевыми или полевыми транзисторами более близко приближаются к этим идеалам, чем биполярные ИС, где должны передаваться большие сигналы. обрабатывается при комнатной температуре в ограниченной полосе пропускания; входное сопротивление, в частности, намного выше, хотя биполярные ПВМ обычно демонстрируют лучшие (т.е. меньшие) характеристики дрейфа входного смещения и шума. ^{[ нужна ссылка ]}

Там, где ограничения реальных устройств можно игнорировать, FDA можно рассматривать как черный ящик с выгодой; Функция и параметры схемы определяются обратной связью , обычно отрицательной. FDA, реализованное на практике, представляет собой интегральную схему средней сложности .

Ограничения реальных FDA

Несовершенства постоянного тока

Конечный прирост — эффект наиболее выражен, когда общая конструкция пытается достичь прироста, близкого к приросту, присущему FDA.
Конечное входное сопротивление — это устанавливает верхнюю границу сопротивлений в цепи обратной связи.
Ненулевое выходное сопротивление — важно для нагрузок с низким сопротивлением. За исключением очень малого выходного напряжения, в первую очередь обычно вступают в силу соображения мощности. (Выходное сопротивление обратно пропорционально току холостого хода в выходном каскаде — очень низкий ток холостого хода приводит к очень высокому выходному сопротивлению.)
смещения Входной ток — небольшой ток (обычно ~10 нА для биполярных ПВМ или пикоампер для КМОП- конструкций) протекает во входы. Этот ток немного не совпадает между инвертирующим и неинвертирующим входами (имеется входной ток смещения). Этот эффект обычно важен только для цепей очень малой мощности.
смещения Входное напряжение — FDA будет выдавать выходной сигнал, даже если на входных контактах одинаковое напряжение. Для схем, требующих точной работы постоянного тока, этот эффект необходимо компенсировать.
Синфазное усиление. Идеальный операционный усилитель усиливает только разницу напряжений между двумя входами, полностью подавляя все напряжения, общие для обоих. Однако дифференциальный входной каскад ПВМ никогда не бывает идеальным, что приводит к некоторому усилению этих идентичных напряжений. Стандартная мера этого дефекта называется коэффициентом подавления синфазного сигнала (обозначается CMRR). Минимизация синфазного усиления обычно важна в неинвертирующих усилителях (описанных ниже), которые работают с высоким усилением.
Температурные эффекты — все параметры меняются с температурой. Особенно важен температурный дрейф входного напряжения смещения.

Несовершенства переменного тока

Конечная полоса пропускания — все усилители имеют конечную полосу пропускания. Это связано с тем, что FDA использует внутреннюю компенсацию частоты для увеличения запаса по фазе .
Входная емкость — наиболее важна для работы на высоких частотах, поскольку она еще больше уменьшает полосу пропускания усилителя в разомкнутом контуре.
Усиление синфазного режима. См. «Несовершенства постоянного тока» выше.
Шум – все настоящие электронные компоненты генерируют шум.

Нелинейные несовершенства

Насыщение — выходное напряжение ограничено пиковым значением, обычно немного меньшим, чем напряжение источника питания . Насыщение происходит, когда дифференциальное входное напряжение слишком велико для коэффициента усиления операционного усилителя, что приводит к повышению выходного уровня до этого пикового значения.
Поворот — выходное напряжение усилителя достигает максимальной скорости изменения. Измеряется как скорость нарастания напряжения и обычно указывается в вольтах на микросекунду. Когда происходит поворот, дальнейшее увеличение входного сигнала не влияет на скорость изменения выходного сигнала. Поворот обычно вызван внутренними емкостями усилителя, особенно теми, которые используются для реализации его частотной компенсации , в частности, с использованием разделения полюсов .
Нелинейная . Выходное напряжение может передаточная функция быть неточно пропорционально разности входных напряжений. Это обычно называют искажением, когда входной сигнал представляет собой сигнал. Этот эффект будет очень мал в практической схеме, если существенная отрицательная обратная связь . используется

Соображения по мощности

Ограниченная выходная мощность — если требуется высокая выходная мощность, необходимо использовать операционный усилитель, специально разработанный для этой цели. Большинство операционных усилителей рассчитаны на работу с низким энергопотреблением и обычно способны снизить выходное сопротивление только до 2 кОм.
Ограниченный выходной ток — очевидно, что выходной ток должен быть конечным. На практике большинство операционных усилителей спроектированы так, чтобы выходной ток не превышал заданного уровня, тем самым защищая FDA и связанные с ним схемы от повреждений.

Поведение постоянного тока

Коэффициент усиления в разомкнутом контуре определяется как усиление от входа к выходу без применения какой-либо обратной связи . Для большинства практических расчетов коэффициент усиления в разомкнутом контуре предполагается бесконечным; на самом деле это явно не так. Типичные устройства демонстрируют коэффициент усиления по постоянному току в разомкнутом контуре в диапазоне от 100 000 до более 1 миллиона; это достаточно велико, чтобы коэффициент усиления схемы почти полностью определялся количеством используемой отрицательной обратной связи. Операционные усилители имеют ограничения производительности, которые разработчик должен учитывать, а иногда и обходные пути. В частности, нестабильность возможна в усилителе постоянного тока, если пренебречь аспектами переменного тока.

Поведение переменного тока

Коэффициент усиления FDA, рассчитанный для постоянного тока, не применяется на более высоких частотах. В первом приближении коэффициент усиления типичного ПВМ обратно пропорционален частоте. Это означает, что FDA характеризуется произведением усиления на полосу пропускания . Например, FDA с коэффициентом усиления полосы пропускания 1 МГц будет иметь коэффициент усиления 5 на частоте 200 кГц и коэффициент усиления 1 на частоте 1 МГц. Эта характеристика нижних частот введена намеренно, поскольку она имеет тенденцию стабилизировать схему за счет введения доминирующего полюса. Это известно как частотная компенсация .

Типичный недорогой FDA общего назначения будет иметь коэффициент усиления в несколько мегагерц. Специализированные и высокоскоростные FDA могут обеспечить усиление полосы пропускания в сотни мегагерц. Некоторые FDA даже способны создавать продукты с полосой пропускания выше гигагерца.

См. также

Ссылки

^ Нэнси Ю. Сан. «Полностью дифференциальный усилитель постоянного тока» . 2005. с. 22.
^ Джим Карки. «Полностью дифференциальные усилители» , 2000.
^ Майкл Стеффес. «Шум широкополосного полностью дифференциального усилителя улучшен с помощью активного согласования» , 9 июня 2013 г.
^ Рик. «Входной драйвер АЦП ПОЛНОСТЬЮ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ»
^ Jump up to: ^а ^б ^с Карки, Джим. «Полностью дифференциальные усилители» (PDF) . Журнал аналоговых приложений . Техасские инструменты . Проверено 27 декабря 2011 г.

Внешние ссылки

Полностью дифференциальные усилители (отчет о применении TI)
Полностью дифференциальные усилители (Журнал TI Analog Applications Journal)

[1] Нэнси Ю. Сан. «Полностью дифференциальный усилитель постоянного тока» . 2005. с. 22.

[2] Джим Карки. «Полностью дифференциальные усилители» , 2000.

[3] Майкл Стеффес. «Шум широкополосного полностью дифференциального усилителя улучшен с помощью активного согласования» , 9 июня 2013 г.

[4] Рик. «Входной драйвер АЦП ПОЛНОСТЬЮ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ»

[ti_analog_applications-5] Jump up to: ^а ^б ^с Карки, Джим. «Полностью дифференциальные усилители» (PDF) . Журнал аналоговых приложений . Техасские инструменты . Проверено 27 декабря 2011 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]