Полностью дифференциальный усилитель - Fully differential amplifier

А полностью дифференциальный усилитель (FDA) это ОКРУГ КОЛУМБИЯ -соединенный электронное напряжение с высоким коэффициентом усиления усилитель мощности с участием дифференциал входы и дифференциальные выходы. При обычном использовании выход FDA управляется двумя путями обратной связи, которые из-за высокого коэффициента усиления усилителя почти полностью определяют выходное напряжение для любого заданного входа.

В полностью дифференциальном усилителе подавляется синфазный шум, такой как помехи в питании; это делает FDA особенно полезным как часть интегральная схема со смешанными сигналами.^[1]

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

Идеальный FDA

Для любых входных напряжений идеальный ПВМ имеет бесконечное усиление без обратной связи, бесконечный пропускная способность, бесконечный входные импедансы что приводит к нулевым входным токам, бесконечным скорость нарастания, нуль выходное сопротивление и ноль шум.

В идеальном FDA разность выходных напряжений равна разности входных напряжений, умноженной на коэффициент усиления. Напряжение синфазного режима выходных напряжений не зависит от входного напряжения. Во многих случаях синфазное напряжение можно напрямую установить с помощью третьего входа напряжения.

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

Настоящий FDA может только приблизиться к этому идеалу, а фактические параметры могут изменяться с течением времени, а также с изменениями температуры, входных условий и т. Д. Современные интегрированные FET или МОП-транзистор FDA ближе к этим идеалам, чем биполярные ИС, где большие сигналы должны обрабатываться при комнатной температуре в ограниченной полосе пропускания; входной импеданс, в частности, намного выше, хотя биполярный FDA обычно демонстрирует лучшие (то есть более низкие) характеристики дрейфа входного смещения и шума.^{[нужна цитата ]}

Там, где ограничения реальных устройств можно игнорировать, FDA можно рассматривать как Черный ящик с усилением; функция схемы и параметры определяются Обратная связь, обычно отрицательный. Практика FDA является умеренно сложной. Интегральная схема.

Ограничения реальных FDA

Несовершенство постоянного тока

Конечный усиление - эффект наиболее выражен, когда общий дизайн пытается достичь усиления, близкого к внутреннему усилению FDA.
Конечный входное сопротивление - это устанавливает верхнюю границу сопротивлений в цепи обратной связи.
Ненулевое выходное сопротивление - важно для нагрузок с низким сопротивлением. За исключением очень небольшого выходного напряжения, обычно в первую очередь важны соображения мощности. (Выходное сопротивление обратно пропорционально току холостого хода в выходном каскаде - очень низкий ток холостого хода приводит к очень высокому выходному сопротивлению.)
Входное смещение текущий - небольшой ток (обычно ~ 10 нА для биполярный FDA или пикоамперы для CMOS конструкций) поступает на входы. Этот ток немного не соответствует инвертирующему и неинвертирующему входам (имеется входной ток смещения). Этот эффект обычно важен только для цепей очень малой мощности.
Входное смещение Напряжение - FDA будет выдавать выходной сигнал, даже если входные контакты имеют одинаковое напряжение. Для цепей, требующих точной работы на постоянном токе, 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 FDA никогда не бывает идеальным, что приводит к некоторому усилению этих идентичных напряжений. Стандартная мера этого дефекта называется коэффициент 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.

Несовершенство переменного тока

Конечный пропускная способность - все усилители имеют конечную полосу пропускания. Это потому, что FDA используют внутренние частотная компенсация увеличить запас по фазе.
Ввод емкость - наиболее важно для работы на высоких частотах, потому что это еще больше уменьшает полосу пропускания усилителя без обратной связи.
Коэффициент усиления синфазного сигнала - см. Дефекты постоянного тока выше.
Шум - все настоящие электронные компоненты создают шум.

Нелинейные несовершенства

Насыщенность - выходное напряжение ограничено пиковым значением, обычно немного меньше, чем источник питания Напряжение. Насыщение возникает, когда дифференциальное входное напряжение слишком велико для усиления операционного усилителя, доводя выходной уровень до этого пикового значения.
Поворот - выходное напряжение усилителя достигает максимальной скорости изменения. Измеряется как скорость нарастания обычно указывается в вольтах на микросекунду. Когда происходит поворот, дальнейшее увеличение входного сигнала не влияет на скорость изменения выходного сигнала. Поворот обычно вызывается внутренними емкостями усилителя, особенно теми, которые используются для его реализации. частотная компенсация, особенно используя расщепление полюсов.
Не-линейный функция передачи - Выходное напряжение может быть неточно пропорциональным разнице между входными напряжениями. Это обычно называется искажением, когда входной сигнал представляет собой форму волны. Этот эффект будет очень небольшим в практической схеме, если используется значительная отрицательная обратная связь.

Соображения относительно мощности

Ограниченный выход 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, как правило, способны поддерживать выходное сопротивление только до 2 кОм.
Ограничено выходной ток - выходной ток, очевидно, должен быть конечным. На практике большинство операционных усилителей предназначены для ограничения выходного тока, чтобы не превышать заданный уровень, таким образом защищая FDA и связанные с ним схемы от повреждений.

Поведение постоянного тока

Коэффициент усиления разомкнутого контура определяется как усиление от входа к выходу без каких-либо Обратная связь применяется. Для большинства практических расчетов предполагается, что коэффициент усиления без обратной связи бесконечен; на самом деле это явно не так. Типичные устройства демонстрируют коэффициент усиления постоянного тока в разомкнутом контуре от 100 000 до более 1 миллиона; это достаточно велико, чтобы коэффициент усиления схемы почти полностью определялся количеством используемой отрицательной обратной связи. У операционных усилителей есть ограничения производительности, которые разработчик должен иметь в виду и иногда обходить. В частности, в усилителе постоянного тока возможна нестабильность, если пренебречь аспектами переменного тока.

Поведение переменного тока

Коэффициент усиления FDA, рассчитанный при постоянном токе, не применяется на более высоких частотах. В первом приближении коэффициент усиления типичного FDA обратно пропорционален частоте. Это означает, что FDA характеризуется своим произведение коэффициента усиления на пропускную способность. Например, FDA с произведением коэффициента усиления на полосу пропускания 1 МГц будет иметь коэффициент усиления 5 на частоте 200 кГц и коэффициент усиления 1 на частоте 1 МГц. Эта НЧ Характеристика вводится намеренно, потому что она стремится стабилизировать схему за счет введения доминирующего полюса. Это известно как частотная компенсация.

Типичный недорогой FDA общего назначения будет иметь произведение коэффициента усиления на полосу пропускания в несколько мегагерц. Специализированные и высокоскоростные FDA могут обеспечить продукцию с полосой пропускания в сотни мегагерц. Некоторые FDA даже способны выпускать продукты с полосой пропускания более гигагерца.

Смотрите также

использованная литература

^ Нэнси Ю. Сан.«Полностью дифференциальный усилитель, стабилизированный по постоянному току». 2005. с. 22.
^ Джим Карки. «Полностью дифференциальные усилители», 2000.
^ Майкл Стеффес.«Шум широкополосного полностью дифференциального усилителя улучшен с помощью активного согласования», 2013-06-09.
^ Рик. "Драйвер ввода АЦП ПОЛНОСТЬЮ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ"
^ ^а ^б ^c Карки, Джим. «Полностью дифференциальные усилители» (PDF). Журнал аналоговых приложений. Инструменты Техаса. Получено 27 декабря 2011.

внешние ссылки

Полностью дифференциальные усилители (Отчет по заявке TI)
Полностью дифференциальные усилители (Журнал TI Analog Applications Journal)

[1] Нэнси Ю. Сан.«Полностью дифференциальный усилитель, стабилизированный по постоянному току». 2005. с. 22.

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

[3] Майкл Стеффес.«Шум широкополосного полностью дифференциального усилителя улучшен с помощью активного согласования», 2013-06-09.

[4] Рик. "Драйвер ввода АЦП ПОЛНОСТЬЮ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ"

[ti_analog_applications-5] а ^б ^c Карки, Джим. «Полностью дифференциальные усилители» (PDF). Журнал аналоговых приложений. Инструменты Техаса. Получено 27 декабря 2011.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]