Topologies d'approvisionnement d'amplificateurs opérationnels : une plongée profonde dans la conception d'une seule alimentation par rapport à la conception de la double alimentation

Les amplificateurs opérationnels sont les chevaux de travail du traitement analogique des signaux, apparaissant dans les chaînes de conditionnement des signaux, les filtres actifs, les préamplificateurs audio, les interfaces de capteurs et d'innombrables autres circuits. Bien que les topologies à alimentation unique et à double alimentation tirent parti des mêmes principes de rétroaction et de gain, elles imposent des contraintes fondamentalement différentes sur le swing des signaux, la portée des entrées en mode commun, l'immunité sonore et la complexité globale du système.

Contraintes principales d'op-amp, formées par des rails d'approvisionnement

Pour comprendre l'impact de la topologie de l'alimentation, il faut d'abord comprendre comment les vrais op-amps s'écartent de l'idéal. Deux spécifications, en particulier, sont directement limitées par les rails de puissance : la plage de tension en mode commun d'entrée (VCM et la oscillation de tension de sortie (VOUT[.

Dans un système à double alimentation avec rails de ±15 V, VCM[ s'étend généralement de légèrement au-delà du rail négatif à légèrement au-delà du rail positif, selon l'architecture de l'étape d'entrée (p. ex., paires différentielles PNP vs NPN). Le sol (0 V) est confortablement situé au milieu de cette plage. Inversement, dans un système à seul apport où le rail négatif est sol (0 V), les ampères-op standard ne peuvent pas accepter les entrées à exactement 0 V, ce qui nécessite des étapes d'entrée spécialisées pour éviter la saturation du rail négatif.

Circuits à simple alimentation

Un seul ampère-op-alimentation fonctionne avec une seule tension d'alimentation référencée au sol. La sortie de l'amp-op peut passer d'une tension de saturation près du sol à une tension de saturation près du rail positif. Parce que de nombreux signaux du monde réel, tels que les sorties audio ou de capteurs, sont bipolaires (swinging au-dessus et au-dessous d'un point de référence), le concepteur doit déplacer le signal vers une référence de l'approvisionnement intermédiaire, souvent appelée un sol virtuel.

Réseaux virtuels de terrain et de partialité

Le défi principal dans la conception d'un seul approvisionnement est de biaiser le signal d'entrée de sorte qu'il reste dans la gamme de modes communs d'entrée de l'amplificateur et les oscillations de sortie dans la salle de tête disponible. Un diviseur de résistance de l'approvisionnement positif au sol crée une tension stable de l'alimentation moyenne. Pour une alimentation de 5 V, une paire de résistances de 10 k. . produit 2,5 V. Cette tension est appliquée à l'entrée non inversée pour biaiser la sortie à l'approvisionnement moyen quand aucun signal n'est présent.

L'impédance de ce réseau de biais introduit un compromis critique. La combinaison parallèle des résistances de diviseurs (REQ[ = R1="R2) présente une résistance à la thévenine vue par l'entrée non inversée de l'ampop. Cette résistance, combinée au courant de biais d'entrée de l'ampop, crée un décalage DC supplémentaire. Par exemple, un diviseur de 10 k=" avec un courant de biais d'entrée de 10 nA donne un extra de 50 μV de décalage – souvent négligeable, mais significatif dans les circuits de précision. De plus, ce réseau de résistance contribue directement au bruit thermique dans le circuit de signal.

Détournement du terrain virtuel pour les systèmes multi-étages

Lorsque plusieurs étages d'op-amp partagent un seul diviseur résistif, les courants de signal d'une étape peuvent moduler la tension de biais d'une autre étape, provoquant des intersections. Un condensateur simple du nœud de sol virtuel au sol (généralement 10–100 μF en parallèle avec 0,1 μF) aide à maintenir une faible impédance AC, mais pour des conceptions à haute performance, il est sage de tamponner le sol virtuel avec un op-amp supplémentaire configuré comme un suiveur de tension.

Un condensateur d'entrée en série avec la source de signal bloque tout décalage continu de la source et permet au biais interne de régler le point d'exploitation. De même, un condensateur de sortie peut bloquer le niveau de courant continu moyen d'entrée d'atteindre l'étape suivante. Ce réseau de couplage ajoute des composants et introduit une caractéristique de passage élevé qui doit être prise en compte si la réponse à basse fréquence est critique. La fréquence d'angle est déterminée par le condensateur d'alimentation et l'impédance d'entrée de l'étape suivante; pour un filtre passe-haut de 10 Hz, un condensateur de 1 μF conduisant à une charge de 15 k.

Topologies communes d'une seule source d'approvisionnement

Un amplificateur AC non inversé avec alimentation unique utilise un diviseur de tension pour biaiser l'entrée non inversée. Le réseau de rétroaction se connecte de la sortie à l'entrée inversée, avec une résistance au sol. Au DC, les condensateurs apparaissent comme circuits ouverts, forçant la sortie à se stabiliser à la tension biaisée. Pour un amplificateur inverse, l'entrée non inversée est biaisée à l'alimentation moyenne, et le signal d'entrée est alimenté par une résistance série. Le gain est toujours –RF/RIN, mais la sortie est assise à la tension biaisée quand aucun signal n'est présent.

Les appareils à alimentation unique sont courants dans les instruments à piles, les appareils médicaux portatifs et les interfaces de capteurs à basse tension. Les produits tels que MCP6001 ou LMV358 sont explicitement conçus pour l'exploitation rail-rail sur basse tension, minimisant les restrictions de la salle de tête. De nombreux microcontrôleurs modernes ont des CDA intégrés qui nécessitent un signal biaisé à la moitié de leur tension de référence; un appareil à alimentation unique est un outil naturel pour les filtres anti-alias et les étapes tampons de ces systèmes.

Limites de l'opération d'approvisionnement unique

Les circuits à alimentation unique consomment généralement plus de composants passifs pour le biais et l'accouplement. La variation de sortie est limitée par la tension de saturation des op-amps, qui peut être plusieurs centaines de millivolts des rails pour les dispositifs plus anciens ou non ferroviaires. La nécessité d'un couplage AC introduit une coupure de basse fréquence qui peut être inacceptable pour les mesures en courant continu ou très basse fréquence. De plus, le sol virtuel doit pouvoir produire et couler du courant. Si un seul diviseur résistif est utilisé pour biaiser plusieurs étapes, les courants de signal qui se déversent dans un op-amp peuvent moduler la tension de biais d'un autre, ce qui conduit à un échange croisé.

Un autre problème souvent négligé est le comportement de démarrage des circuits à alimentation unique. Lorsque la puissance est appliquée pour la première fois, le sol virtuel peut prendre des dizaines de millisecondes pour se stabiliser, pendant lequel la sortie de l'amplificateur peut basculer vers un état indésirable.

Circuits à double alimentation

Un système d'ampli à double alimentation utilise une tension positive et négative par rapport à un terrain commun. Les rails classiques ±15 V sont typiques dans les équipements de laboratoire et les rapports audio professionnels. La référence au sol se trouve carrément entre les rails, de sorte que les signaux peuvent osciller symétriquement au-dessus et en dessous de 0 V sans aucun biais.

Couplage direct et portée de signal

Comme le sol est la référence naturelle à zéro signal, les circuits à double alimentation peuvent être couplés en courant continu d'entrée à sortie sans changement de niveau. Un amplificateur de retournement avec alimentation double peut amplifier un signal d'entrée ±1 V à ±10 V sans avoir besoin de condensateur dans le chemin de signal, à condition que la source soit elle-même référencée au sol.

La balance de tension de sortie peut approcher les deux rails, limitée uniquement par l'étape de sortie op-amp. Il existe des amps de sortie à double alimentation, mais même des dispositifs standard comme NE5532 ou [OPA2134 peuvent être installés dans une ou deux volts de chaque rail lors de la conduite des charges lumineuses.

Symétrie d'alimentation électrique et PSRR

Le double alimentation nécessite deux régulateurs de tension ou un convertisseur DC-DC à rails séparés. Cela ajoute du coût et de l'espace de bord. Cependant, avoir des rails séparés positifs et négatifs améliore souvent les performances du rapport de rejet de l'alimentation électrique (RSAP). Le bruit de l'alimentation apparaît symétriquement sur les rails, et le rejet de l'amplificateur peut l'atténuer. Un système bien conçu à double alimentation peut atteindre des planchers extrêmement faibles, ce qui explique pourquoi il est la norme dans les consoles de mélange professionnelle et les instruments de mesure de précision.

Demandes

Les op-amps à double alimentation dominent dans le traitement audio (égaliseurs, crossovers, préamplis micro), l'instrumentation analytique (amplificateurs verrouillables, amplis transimpédance photodiodé) et les filtres actifs où un comportement symétrique de coupure est nécessaire. Ils sont également répandus dans les pilotes piézo haute tension et les modules de calcul analogiques. La capacité de gérer des signaux qui croisent zéro sans condensateurs de couplage simplifie la conception des circuits oscillateurs et des détecteurs de zéro-croisement.

Salle de tête et plage dynamique : une comparaison quantitative

La plage dynamique maximale réalisable dans un circuit op-amp est directement liée à la tension d'alimentation et à la topologie utilisée. Considérez un système alimenté par une seule alimentation de 5 V. La sortie peut osciller de VSAT(L)[ à VSAT(H)[, mais le signal d'intérêt est centré sur le sol virtuel de 2,5 V. La balance symétrique maximale avant le clippage est VSAT(H)[ - 2,5 V, ou environ 2,4 VPP.

Considérez maintenant un système à double alimentation avec des rails ±2,5 V. La tension totale sur le dispositif est identique à 5 V. Cependant, la balance symétrique disponible autour de la vraie référence au sol est de 4,9 V[PP. Le système à double alimentation fournit presque deux fois l'amplitude du signal AC utilisable pour la même tension totale d'alimentation en courant, car il n'est pas nécessaire de réserver la moitié de la plage dynamique pour une tension de biais en courant continu.

Cette différence devient critique dans les systèmes à haute portée dynamique. Si une application nécessite un rapport signal-bruit (RSN) de 90 dB, un système à alimentation unique de 5 V doit atteindre un plancher sonore inférieur à 7,75 μV RMS. Un système à double alimentation ±2,5 V nécessite un plancher sonore inférieur à 15,5 μV RMS pour atteindre le même RSN, ce qui permet de réduire efficacement les exigences en matière de bruit sur l'amplificateur par un facteur de deux.

Bruit, distorsion et facteurs de risque

Le diviseur de sol virtuel dans un circuit à alimentation unique injecte directement le bruit thermique dans le circuit de signalisation. Même avec un condensateur de dérivation, le bruit de résistance du réseau de diviseur peut limiter le plancher de bruit, surtout en phase de gain élevé. Les circuits à alimentation double évitent cette source de bruit supplémentaire en mettant à la terre l'entrée non inversée directement par une résistance. De plus, les circuits à alimentation unique peuvent présenter une distorsion plus importante lorsque la sortie approche des rails d'alimentation, surtout si l'amplificateur op n'est pas rail-rail et commence à saturer asymétriquement.

Dans un système à alimentation unique, le bruit d'alimentation est référencé au sol et tout manque de rejet se marie directement au réseau de biais. Il est essentiel de contourner correctement et de bien mettre en place les PCB dans les deux cas, mais la marge d'erreur est plus grande dans les conceptions de l'alimentation double. Une pratique courante consiste à utiliser un régulateur à faible rejet (LDO) pour l'alimentation analogique et à séparer le chemin de retour au sol du sol virtuel des retours numériques à haute intensité.

Gestion de l'énergie et fonctionnement de la batterie

Une seule pile au lithium-ion peut alimenter directement un système d'ampli à basse tension, éliminant ainsi la nécessité d'une pompe de charge à inversion ou d'un convertisseur de retour pour générer un rail négatif. Cette simplicité réduit le bruit de courant quiescent et de commutation.

Si la demande contient déjà une alimentation symétrique pour d'autres raisons, comme un codec audio qui utilise des rails analogiques ±12 V, l'ajout d'un système d'ampli à double alimentation ne représente pas un fardeau supplémentaire de conception de puissance. Dans les systèmes à signaux mixtes, il est courant de voir un seul rail de 3,3 V pour les composants numériques et un système d'alimentation analogique bipolaire pour la chaîne de signal.

Complexité de conception et comptage des composants

Un stade de gain de base non inversé peut nécessiter trois résistances supplémentaires, deux condensateurs et peut-être un opamp supplémentaire pour la référence de l'approvisionnement moyen. Cela ajoute à la zone de PCB et peut introduire des modes de défaillance liés à la durée de vie des condensateurs de couplage électrolytique. Dans les applications à haute fiabilité, le séchage des électrolytes au fil du temps peut changer la fréquence des angles et augmenter la distorsion.

Pour les systèmes électroniques grand volume, l'échange est souvent décidé par l'architecture de puissance existante. Si l'appareil dispose déjà d'une seule batterie et d'une tension négative, ajouter une pompe de charge coûte de l'argent et de l'espace. Dans de tels cas, les passifs supplémentaires pour le biais de l'offre unique sont le choix économique. Cependant, la prolifération de petits onduleurs intégrés de pompe à charge comme le TPS60400 rend la production d'un rail négatif de plus en plus compact et abordable.

Considérations concernant les filtres actifs

Les filtres actifs, tels que les topologies de retour de Sallen-Key ou de plusieurs retour d'information, sont très sensibles au point d'exploitation de l'amp. Dans un système à double alimentation, les entrées de l'ampop peuvent être directement référencées au sol, simplifier la fonction de transfert et éliminer la nécessité de réseaux de biais DC.

Dans un filtre actif à alimentation unique, toutes les entrées d'ampli op doivent être biaisées à l'alimentation moyenne. Cela complique la fonction de transfert car la tension de biais apparaît comme un décalage DC qui doit être pris en compte, et les condensateurs de couplage AC interagissent avec le réseau de rétroaction du filtre. La conception d'un filtre à alimentation unique à très basses fréquences de coupure (par exemple, 0,1 Hz) nécessite des condensateurs physiquement grands, rendant l'approche de double alimentation plus pratique pour les applications sous-Hz. De plus, l'impédance finie du réseau de biais peut introduire une erreur de gain au filtre, en particulier dans les conceptions à haute Q.

Sélection de l'ampli Op droit

Lors de la conception d'un circuit à alimentation unique, choisissez un ampère-op avec une plage de modes communs d'entrée qui comprend le sol (ou légèrement en dessous) et une sortie qui peut osciller près du sol. L'entrée et la sortie du rail-à-rail ([]RRIO) sont populaires, comme les dispositifs [TLV906x[ ou AD8605. Attention à la distorsion croisée d'entrée que certaines étapes d'entrée du rail-à-rail présentent lors de la transition entre les étapes d'entrée différentielles et complémentaires.

Pour les modèles à alimentation unique, recherchez des dispositifs qui garantissent le fonctionnement jusqu'au rail négatif (souvent -VS. Pour les modèles à double alimentation, la plage d'entrée est moins restrictive, mais la variation de sortie sous charge doit être vérifiée.

Application pratique: Préamplificateur audio

Considérez un préamplificateur de microphone électret. La capsule de microphone délivre un petit signal AC superposé à un biais DC. Avec un seul approvisionnement, l'entrée op-amplificateur non inversée est biaisée à l'approvisionnement moyen, et la sortie est couplée AC à la prochaine étape. Cela fonctionne bien dans des enregistreurs portables compacts. Avec un double approvisionnement, le préamplificateur peut être couplé DC tout au long, évitant le déplacement de phase basse fréquence que les condensateurs accouplement introduisent. Dans les interfaces audio haut de gamme où la cohérence de phase jusqu'à 10 Hz est importante, l'approche du double approvisionnement est préférée malgré la complexité de l'alimentation électrique ajoutée.

Application pratique : Interface de capteur

Un capteur de pont, comme un manomètre de contrainte ou un capteur de pression, produit souvent une petite tension différentielle superposée à une tension en mode commun. Lorsqu'il est alimenté par une seule alimentation de 5 V, la sortie du capteur peut s'asseoir à 2,5 V en mode commun. Un amplificateur d'instrumentation à alimentation unique tel que INA326 peut directement s'interfacer avec ce capteur, générant une sortie référencée à une broche de tension de référence. Aucune alimentation négative n'est nécessaire. Si le capteur était référencé à des signaux au sol et produit des signaux bipolaires millivolts, un signal bipolaire en alimentation pourrait amplifier le vrai signal bipolaire sans compensation en courant continu, ce qui donnerait une précision plus élevée.

Cadre de décision

Choisissez Single-Supply[ lorsque le système est alimenté par batterie, le signal est couplé à un courant alternatif, un rail négatif n'est pas disponible et le coût et le nombre de BOM sont les principaux conducteurs. Choisissez Dual-Supply[ lorsque le signal est couplé à des courant continu et bipolaire, une plage dynamique maximale est requise, les exigences de planchers bruyants sont extrêmement faibles et l'architecture d'alimentation comprend déjà un rail négatif.

Ressources externes pour les plongées profondes

Les ingénieurs qui souhaitent explorer ces nuances de conception peuvent consulter les ressources suivantes :

  • Texas Instruments: Note de demande ] )? (SLOA030) fournit un traitement complet des stratégies de biais et de couplage AC. Lire le PDF[.
  • Dispositifs en analogie: Tutoriel =Éviter les problèmes d'instabilité des systèmes d'op-amp dans les applications à fournisseur unique= (AN-581) explore la stabilité et le contournement.Visitez l'article.
  • Microchip Technology:[ Note d'application ─AN682: Utilisation d'amplificateurs opérationnels à alimentation unique ─ couvre la sélection des amplificateurs op et les implémentations de filtres. Note d'application de téléchargement.
  • Électronique Tutoriels:[ Un amorce clair sur les caractéristiques idéales de l'amp et les bases de la double alimentation. Explorer les bases de l'ampop.

Conclusion

La décision entre les circuits à alimentation unique et à alimentation double est rarement de l'un étant universellement meilleur que l'autre; il s'agit de correspondre aux exigences de l'architecture de puissance et de signal. Les conceptions à fourniture unique excellent dans les équipements à basse tension, actionnés par batterie où la production d'un rail négatif serait un fardeau inutile. Les conceptions à fourniture double simplifier la manipulation des signaux en permettant des étapes au sol, couplées en courant continu et offrant de larges oscillations symétriques de sortie.