5.9 RRIO усилители: хороший, плохой, злой



==315

В Части _4 ( §4.4.1.F , §4.4.1.H и §4.6.3 ) состоялось знакомство с усилителями, допускающими работу с сигналами, амплитуда которых достигает уровней питания. В их число входят ОУ, которые:

1. корректно работают, имея на входе синфазные сигналы с амплитудой полного диапазона питания ( RRI ),
2. могут выдавать выходной сигнал с амплитудой, равной полному размаху питания ( RRO ) и
3. обладают обоими этими свойствами одновременно ( RRIO ).

По мере расширения сферы использования малых питающих напряжений появляется всё больше операционных усилителей с этими привлекательными особенностями.

Привлекательными, но требующими аккуратности при использовании. Все преимущества имеют свою цену и будут обсуждаться в контексте использования в точных схемах ( прочие аспекты разбираются в Части X4 ). В разработках, ставящих на первое место точность, могут проявиться некоторые спрятанные от непосвящённого взора сложности использования RR ОУ, о которых справочные данные могут, скажем так, недоговаривать ( а то и вовсе умалчивать ). Самые важные из них перечислены ниже.



==316

5.9.1 Проблемы на входе

5.9.1.A Смена направления входного тока

Большая часть RRI усилителей использует пару комплементарных дифференциальных входных каскадов, включённых параллельно, чтобы работать с сигналами во всём диапазоне питания ( рис. 5.28 ). Это вызывает сдвиг входного тока, потому что его путь переключается с одной пары транзисторов на другую, что хорошо видно на рис. 5.7 . Особенно силён этот эффект в RRI ОУ на биполярных транзисторах - LT1630, LM6132. Резкие изменения во входном токе и конечный импеданс источника приводят к появлению входных ошибок. Некоторые RRI ОУ обходят эту проблему за счёт использования внутренней схемы накачки, позволяющей поднять напряжение питания кристалла выше уровней внешнего источника. Такой способ позволяет создавать RRI усилители с однополярным входом. Примером могут служить линейки OPA360 ²⁴ MAX4162 и MAX4126, AD8505 и ADA4505. MAX4126 имеет биполярный, а все отстальные - МОП вход.

Случаются ситуации, когда нужен RRO усилитель, а полный размах на входе не требуется ( скажем, для усилителя с G=2 ). Тогда следует искать RRO усилитель, чей вход расширяется только до нижнего потенциала питания ( его ещё называют «ground sensing» ). Следует также заметить, что использование ОУ в инвертирующем включении полностью устраняет все проблемы такого рода ( но для подобной схемы никто не подбирает именно RRI усилитель ).

5.9.1.B Изменение знака входного смещения

RRI усилители со сдвоенным входным дифференциальным каскадом имеют аналогичные проблемы и со входным напряжением смещения \( V_{os}\) ( рис. 5.29 ). Оно может резко измениться в близи от любого из потенциалов питания, см. графики для LMP7701 и LMP7731, которые были взяты из справочных данных производителя. Обычно такие данные выглядят как мешанина кривых, отражающих параметры нескольких образцов ( если такие данные вообще публикуются ). Самое время сравнить их с простым и скучным поведением \( V_{os}\) для усилителей с единственным входным дифференциальным каскадом и внутренней схемой подкачки питания. Все эти изменения \( V_{os}\) не только нежелательны, но и вдобавок непредсказуемы, как это видно на рис. 5.30 . [* Можно назвать это безобразие «входным каскадом класса B»]

Инвертирующая схема по-прежнему изящно обходит эту проблему: в ней входное синфазное напряжение удерживается на постоянном уровне. Можно дать ещё более общую рекомендацию: стоит рассматривать инвертирующее включение как средство от любых схемных проблем, завязанных на \( V_{CM}\) ²⁵ .

Справочные данные на OPA350 содержат интересный пример ( рис. 5.31 ) эффекта переключения входа в RRI усилителях, а именно: увеличение искажений в буфере ( G=1 ) на 17 dB , когда синусоидальный сигнал 3 Vpp смещается вверх в область инверсии ²⁶ . Тот же график хорошо объясняет, как увеличившееся усиление с обратной связью вызывает увеличение искажения за счёт снижения петлевого усиления [* глубины ОС] .

5.9.2 Проблемы на выходе

5.9.2.A Выходной импеданс



==317

Выходная часть типового ОУ ( без опции RRO ) выполнена в виде буфера на комплементарной паре ( или одной из вариаций такой конструкции ) со сквозным током выходных транзисторов, чтобы предотвратить переходные искажения на уровне половины питающего напряжения [* искажения «класса-B»] ( §5.8.3 ). А выход RRO ОУ организован в виде усилительного каскада ( рис. 5.32 ). Это нужно, чтобы выходной сигнал дотягивался до уровней питания ( в отсутствие дополнительного источника повышенного питания ). Но такая конструкция имеет наследственный недостаток - высокий выходной импеданс.

Высокое значение \(Z_{out}\) означает, что усиление выходного каскада ( а значит, и петлевое усиление ) зависит от сопротивления нагрузки. Емкостная нагрузка создаёт сдвиг фаз, снижая устойчивость в цепи обратной связи ( см. например, рис. 4.79 ). Решить данную проблему призвана внутренняя местная обратная связь выходного каскада ( конденсаторы на рис. 5.32B ), удерживающая усиление и выходной импеданс в нужных пределах, исключая низкие частоты ( см. рис. 5.33 и 5.34 ) ²⁷ .

5.9.2.B Насыщение вблизи уровней питания

В некоторых RRO усилителях ( как правило с выходным каскадом на биполярных транзисторах ) выходной сигнал не дотягивает несколько милливольт до уровня питания. Это происходит, потому что напряжение насыщения выходных транзисторов отлично от нуля. В КМОП выходных каскадах канал выходного транзистора выглядит как резистор с сопротивлением \(R_{on}\) , подключённый к выводу питания, и напряжения насыщения нет. Обычно данное явление затруднений не вызывает, потому что всё, что требуется - это использовать имеющееся питание по максимуму. Дело осложняется, если в схеме с однополярным питанием выход ОУ подключён к АЦП, и нужно, чтобы диапазон преобразования начинался от уровня земли.



==318

В такой ситуации следует внимательно читать спецификации. В паспортных данных на некоторые ОУ есть предупреждение о том, что сигнал на выходе не дотягивает до отрицательной шины, например, у биполярного LT6003 разница составляет 10 mV . В других можно обнаружить рекомендацию добавить внешний подтягивающий к уровню земли резистор или иного потребителя тока: ещё один биполярный ОУ LT1077 входит в насыщение на уровне 3 mV без подтяжки и 0.1 mV с резистором 5 kΩ . За КМОП усилители можно не волноваться: ненагруженный выход достигает уровней питания при любом раскладе, скажем, у AD8616 и AD8691 он будет отличаться менее чем на 0.1 mV .

5.9.2.C Искажения

Схемы подачи смещения и проблемы подавления переходных искажений в RRO каскадах ( рис. 5.32B ) доставляют массу забот проектировщикам микросхем. Несмотря на все усилия инженеров искажения в RRO усилителях на 20...40 dB выше, чем в классических ( т.е. не RRO ). См. пару графиков на рис. 5.43 ( классика ) и рис. 5.44 ( в основном RRO ) ²⁸ и результаты моделирования в §X4.11 .

5.9.2.D Выходной каскад по схеме Монтичелли

Элегантная схема выходного RR каскада была предложена Монтичелли ²⁹ . В несколько упрощённом виде она приведена на рис. 5.35 ( её подробное обсуждение есть в §X4.11.5 ). Особенностью схемы является такой способ раскачки выходных транзисторов \(Q_1\) и \(Q_2\) , при котором в точке переключения сигнала с одного транзистора на другой через них течёт сквозной ток, и более того, сквозной ток имеется во всём выходном диапазоне. Такой режим можно было бы назвать «симметричным классом-A» ( но, похоже, его уже посчитали - «класс-AA» ). Такая конфигурация используется в КМОП OPA365 и БТ OPA1641. Можно добавить, что идея рабочая - указанные усилители имеют уровень искажений –114 dB и –126 dB соответственно.



==319

Вот краткое изложение работы схемы: во-первых, будем рассматривать \(Q_3\) и \(Q_4\) как токовые усилители с единичным коэффициентом усиления, выводы истока которых являются «суммирующими узлами» ( т.к. на затворы подаётся постоянное напряжение ). Теперь представим, что ток входного сигнала увеличивается, что снижает общий отвод тока через исток \(Q_4\) . Это уменьшает его \( V_{GS}\) и увеличивает \( V_{GS}\) транзистора \(Q_2\) , что в свою очередь увеличивает ток с выхода в шину –\( V_{SS}\) . При этом снижение тока стока \(Q_4\) вызывает уменьшение отвода тока от истока \(Q_3\) и увеличивает \( V_{GS}\) \(Q_3\) . Это приводит к снижению \( V_{GS}\) \(Q_1\) , а значит, снижению тока от шины +\( V_{SS}\) к выходу. Общий ток покоя устанавливается сквозным током \(Q_3\) и \(Q_4\) . Таким образом, это схема с хорошей самобалансировкой с однополярным токовым входом и симметричным токовым выходом.

Схема очень удачная. В §X4.11.5 дано её более подробное описание, включающее результаты моделирования для биполярной конфигурации и сравнение с классическим ( не RR ) симметричным эмиттерным повторителем «класса-AB». Эта изначально симметричная схема хорошо работает и с дифференциальными токами, приходящими к стокам \(Q_3\) и \(Q_4\) , и часто встречается именно в такой конфигурации.



==319