Topologías de suministro de amplificadores operativos: Una profunda inmersión en un diseño único vs. de doble proveedor

Los amplificadores operativos son los caballos de trabajo del procesamiento de señales analógicas, que aparecen en cadenas de condicionamiento de señales, filtros activos, preamplificadores de audio, interfaces de sensores y otros innumerables circuitos. Mientras tanto las topologías de sola y doble solas aprovechan los mismos principios de retroalimentación y ganancia, imponen restricciones fundamentalmente diferentes en el oscilación de señales, la entrada de la inmunidad de ruido y la complejidad del sistema total.

Limitaciones de Op-Amp con cadenas de suministro

Para entender el impacto de la topología de la oferta, primero debe apreciar cómo se desvían los op-amps reales del ideal. Dos especificaciones, en particular, están directamente restringidas por los carriles de potencia: rango de tensión de entrada común (VCM) y oscilación de tensión de salida (V]).

En un sistema de dobles proporciones con ±15 V, VCM normalmente se extiende desde un poco más allá del tren negativo hasta un poco más allá del carril positivo, dependiendo de la arquitectura de la etapa de entrada (por ejemplo, PNP vs. NPN diferencial).

Circuitos de Op-Amp de un solo proveedor

Una op-amp de una sola planta funciona con sólo un voltaje de suministro referenciado al suelo. La salida de la op-amp puede oscilar desde un voltaje de saturación cerca del suelo a un voltaje de saturación cerca del ferrocarril positivo. Debido a que muchas señales del mundo real, como salidas de audio o sensores, son bipolar (cerrar arriba y debajo de un punto de referencia), el diseñador debe cambiar la señal a una referencia de tierra virtualmente llamada una referencia.

Redes virtuales de tierra y de separación

El reto central en el diseño de una sola capa está sesgado por la señal de entrada para que permanezca dentro de la gama de entrada de la opacidad y los cambios de salida dentro del cuarto de cabeza disponible. Un separador de resistencia de la fuente positiva al suelo crea un voltaje medio estable. Para una fuente de 5 V, un par de resistencias de 10 kΩ produce 2.5 V. Esta tensión de entrada se aplica al filtro de separación no invertido

El control de la señal de alta velocidad de la red de sesgo es un factor de resistencia de la corriente de la señal de alta resistencia. La combinación paralela de los resistores de la corriente de los dividedores de la corriente de sesgo es de 10Ω.

Pasando el terreno virtual para sistemas multietapa

Cuando múltiples etapas de op-amp comparten un único divider resistivo, las corrientes de señal de una etapa pueden modular el voltaje de sesgo de otro, causando crosstalk. Un condensador simple del nodo de tierra virtual a tierra (normalmente 10–100 μF en paralelo con 0,1 μF) ayuda a mantener un bajo impedancia de AC, pero para los diseños de alto rendimiento, es prudente amortiguar el suelo virtual con un componente de configuración adicional

Un condensador de entrada en serie con la fuente de señal bloquea cualquier compensación de DC de la fuente y permite que el sesgo interno establezca el punto de funcionamiento. De igual manera, un condensador de salida puede bloquear el nivel de DC medio-supply de llegar a la siguiente etapa. Esta red de acoplamiento añade componentes e introduce una característica de alta velocidad que debe ser contabilizado si la respuesta de baja frecuencia es crítica.

Topologías comunes de un solo proveedor

Un amplificador AC no invertido con una sola fuente utiliza un separador de tensión para sesgar la entrada no invertido. La red de retroalimentación se conecta de la salida a la entrada invertida, con una resistencia al suelo. En DC, los condensadores aparecen como circuitos abiertos, obligando la salida a estabilizarse en el voltaje de ganancia.

Los dispositivos de conexión simple son comunes en la instrumentación propulsada por baterías, dispositivos médicos portátiles y interfaces de sensores de baja tensión. Los productos como MCP6001 o LMV358 están diseñados explícitamente para la entrada de transmisión de datos y la operación de salida (RRIO minipalia) en los sistemas de control de baja tensión

Limitaciones de la operación de un solo proveedor

Los circuitos de una sola fuente tienden a consumir componentes más pasivos para el acoplamiento y el acoplamiento. El oscilación de salida está limitado por el voltaje de saturación de la op-amp, que para dispositivos antiguos o no descarrilados puede ser varios cientos de milivolts de los raíles. La necesidad de acoplamiento de AC introduce un corte de baja frecuencia que puede ser inaceptable para las mediciones virtuales de frecuencia muy baja.

Otro problema a menudo demasiado visto es el comportamiento de arranque de circuitos de una sola fuente. Cuando se aplica la energía, el terreno virtual puede tomar decenas de milisegundos para estabilizarse, durante los cuales la salida de la op-amp puede oscilar hacia un estado no deseado. La secuenciación adecuada de las señales de suministro y entrada, o la adición de un condensador de arranque suave en el nodo de referencia, puede mitigar esto.

Circuitos de doble-supply Op-Amp

Una op-amp de doble propina utiliza un voltaje positivo y negativo en relación con un terreno común. Los raíles ±15 V clásicos son típicos en equipos de laboratorio y equipo de audio profesional. La referencia terrestre se encuentra cuadradamente entre los raíles, por lo que las señales pueden oscilar simétricamente por encima y por debajo de 0 V sin ningún truco de sesgo.

Coupling directo y señalización

Debido a que el suelo es la referencia cero-signal natural, los circuitos de doble-suplemento pueden ser DC unidos de entrada a salida sin cambios de nivel. Un amplificador de inversión con suministros duales puede amplificar una señal de entrada ±1 V a ±10 V sin necesidad de ningún condensador en la ruta de señal, siempre que la fuente sea en sí referencia a tierra.

El oscilación de la tensión de salida puede acercarse a ambos raíles, limitado sólo por la etapa de salida de la op-amp. Existen dos omperios de salida de la vía, pero incluso dispositivos estándar como el NE5532 o * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *

Simmetría de alimentación y PSRR

Los dos equipos de alimentación requieren dos reguladores de tensión o un convertidor de flujos de flujos de energía. Esto añade coste y espacio de tablero. Sin embargo, tener riels positivos y negativos separados a menudo mejora la relación de rechazo de la fuente de energía (PSRR). El ruido de la fuente aparece simétricamente en los carriles, y el rechazo interno de movimiento común de op-amp puede atenuarlo.

Aplicaciones

Los op-amps de doble respuesta dominan en el procesamiento de audio (ecalizadores, cruces, preamplificadores de micrófono), instrumentación analítica (amplificadores de bloqueo, amplificadores de transimpresión de fotodiodo), y filtros activos donde se requiere un comportamiento de recortado simétrico. También son frecuentes en los controladores de piezo de alta tensión y módulos de computación analógicos.

Aula de la cabeza y rango dinámico: una comparación cuantitativa

El rango dinámico máximo alcanzable en un circuito op-amp está directamente ligado al voltaje de suministro y a la topología utilizada. Considere un sistema alimentado por un solo suministro de 5 V. La salida puede oscilar desde VSAT(L) a VSAT(H), pero la señal de interés se centra virtualmente en el VLT 2.5

Ahora considera un sistema de doble-suplemento con ±2.5 V raíles. El voltaje total a través del dispositivo es idéntico a 5 V. Sin embargo, el oscilación simétrica disponible alrededor de la referencia terrestre verdadera es 4.9 VPP. El sistema de doble-suplemento proporciona casi el doble de amplitud de señal de AC utilizable para el mismo voltaje de alimentación total porque no hay necesidad de reserva del rango de mitades

Esta diferencia se vuelve crítica en sistemas de gama alta. Si una aplicación requiere una relación de señal a ruido (SNR) de 90 dB, un sistema de 5 V de sola dosis debe alcanzar un nivel de ruido inferior a 7,75 μV RMS. Un sistema de doble velocidad ±2,5 V requiere un nivel de ruido inferior a 15,5 μV RMS para lograr el mismo SNR, relajándose efectivamente el requisito de ruido.

Consideraciones de ruido, distorsión y PSRR

El separador virtual en un circuito de un solo-supply inyecta el ruido térmico directamente en la vía de señal. Incluso con un condensador de bypass, el ruido de resistencia de la red de divider puede limitar el suelo de ruido, especialmente en etapas de alta ganancia. Los circuitos de doble-supply evitan esta fuente de ruido adicional al colocar la entrada no-invertir directamente a través de un resistor.

El rechazo de la fuente de alimentación también se ve afectado. En un sistema de doble absorción, el ruido en los raíles suele ser de movimiento común, que la etapa de entrada del amplificador puede rechazar. En un sistema de sola respuesta, el ruido de suministro se refiere al suelo, y cualquier falta de rechazo se asocia directamente a la red de sesgos. El diseño adecuado y cuidadoso de PCB son esenciales en ambos casos, pero el margen de error es más amplio en la práctica de doble.

Funcionamiento de la gestión de energía y la batería

Una sola operación de sopa brilla en el equipo de batería. Una sola célula de iones de litio puede alimentar una op-amp de baja tensión directamente, eliminando la necesidad de una bomba de carga de inversión o convertidor de flyback para generar un carril negativo. Esta simplicidad reduce el sorteo de corriente quiescente y el ruido de conmutación. Muchas oper-amps de baja potencia consumen sólo microampadores y pueden operar durante años en una celda de monedas.

Si la aplicación ya contiene un suministro simétrico por otras razones, como un codec de audio que utiliza ±12 V carriles analógicos, la adición de una op-amp de doble propina no representa una carga adicional de diseño de energía. En sistemas de señal mixta, es común ver un solo 3,3 V carril para componentes digitales y un suministro analógico bipolar para la cadena de señal.

Complejidad de diseño y cuenta de componentes

Los circuitos de una sola capa requieren un sesgado cuidadoso, condensadores de acoplamiento AC, y a menudo un búfer para el terreno virtual si múltiples etapas lo comparten. Una etapa de ganancia básica no-invertir podría requerir tres resistores adicionales, dos condensadores, y posiblemente una op-amp adicional para la referencia de media-suplementación. Esto añade al área PCB y puede introducir modos de falla relacionados con la vida de los condensadores de acoplamiento electrolíticos.

Los circuitos de doble absorción necesitan una fuente de alimentación más compleja pero pueden implementar la misma etapa de ganancia con tan pocos como dos resistores y sin condensadores de acoplamiento. Para la electrónica de consumo de alto volumen, el intercambio es decidido a menudo por la arquitectura de potencia existente. Si el dispositivo ya tiene una batería única y no hay tensión negativa disponible, agregando una bomba de carga cuesta dinero y espacio.

Consideraciones de filtros activos

Los filtros activos, como Sallen-Key o las topologías de retroalimentación múltiple, son altamente sensibles al punto de funcionamiento de la op-amp. En un sistema de doble respuesta, las entradas de inversión y no inversión de op-amp pueden ser directamente referenciadas al suelo, simplificando la función de transferencia y eliminando la necesidad de redes de sesgo de DC.

En un filtro de un solo soporte activo, todas las entradas de op-amp deben ser parciales a mitad de la oferta. Esto complica la función de transferencia porque el voltaje de sesgo aparece como un offset DC que debe ser contabilizado, y los condensadores de acoplamiento AC interactúan con la red de retroalimentación del filtro.

Selección de la derecha de la opción

[LT] [LT2] o bien, se pueden utilizar las características de la transmisión de la señal de entrada [FLT] [FLT] [4], y una salida que puede oscilar cerca del suelo.

Siempre revise la hoja de datos para el rango de tensión de entrada de movimiento común vs. de tensión de suministro. Muchos op-amps que reclaman entrada "rail-to-rail" sólo pueden lograrlo en un carril bajo condiciones específicas. Para los diseños de solas, busque dispositivos que garanticen la operación hacia el carril negativo (a menudo -V]]S[Fstrict:1]]).

Aplicación práctica: Preamplificador de audio

Con un microetiqueta de regulación de alta velocidad, la cápsula del micrófono ofrece una pequeña señal de AC superpuesta en un sesgo de DC. Con un diseño de sola dosis, la entrada de no invertido de op-amp se bifurca a mitad de la carga de la función de la función de la conexión de audio a través de un sistema de conexión de alta velocidad.

Aplicación práctica: Interfaz de sensor

Un sensor de salida, como un medidor de tensión o sensor de presión, a menudo produce un pequeño voltaje diferencial superpuesto en un voltaje de movimiento común. Cuando se alimenta de un solo suministro de 5 V, la salida del sensor puede sentarse en 2,5 V de movimiento común. Un amplificador de instrumentación de una sola fuente, como el

Marco de decisión

Elija Single-Supply cuando el sistema es propulsivo por batería, la señal es acoplada por AC, un tren negativo no está disponible, y el costo y la cuenta BOM son los controladores primarios. Elija Pronto de ruido por vía delantera cuando la señal es necesaria para la arquitectura dual y el rango dinámico

Recursos externos para las inundaciones profundas

Los ingenieros que buscan explorar estos matices de diseño pueden consultar los siguientes recursos autorizados:

  • Instrumentos de Texas:] Nota de la aplicación "Tecnologías de diseño de haz de sonido" [SLOA030] ofrece un tratamiento exhaustivo de estrategias de apago y de coacción de AC. Leer el PDF].
  • ] Dispositivos análogos: Tutorial "Evitar problemas de instalación de los oprotestos en aplicaciones de un solo proveedor" (AN-581) explora la estabilidad y eludir. Visita artículo.
  • ]Microchip Technology: Nota de aplicación "AN682: Usando amplificadores operativos de suministro único"] abarca la selección de op-amp y las implementaciones de filtros. Descargar la nota de aplicación.
  • Tutoriales Electrónicos: Un claro modelo sobre características ideales de op-amp y bases de doble-suplementación. Explora los fundamentos de op-amp].

Conclusión

La decisión entre los circuitos de opacidad de una sola planta y de doble absorción es raramente mejor que el otro; se trata de equiparar los requisitos de la arquitectura de potencia y la señal. Los diseños de una sola cuchara se destacan en equipos de bajo voltaje y operación de baterías donde generar un carril negativo sería una carga innecesaria. Los cambios de doble superficie simplifican el manejo de señales permitiendo una configuración de alta tensión y un entendimiento óptimo.