מבוא

מגברי כוח פעילים שנבנו עם מגבר תפעולי (op amps) משמשים אבן הפינה בעיצוב אלקטרוני מודרני, במיוחד עבור יישומים הדורשים שיפור מדויק ונמוך של אותות קטנים. יישומי אותות קטנים - כגון ממשקי חיישן, אודיו preamplifiers, ערוצי הפעלה ותקשורת - מעגלים הדורשים שיפור ממול או רמת דגימה קטנה ללא אותות, אופטימיזציה של תפקודים ייחודיים, או יכולת פעולה ייחודית זו, על ידי עיצוב של תכונות הפעלה של תכונות הפעלה של תכונות הפעלה, או מהירות גבוהה.

מקור: Small Signal Amplification

הגדלת אותות חשמליים ברמה נמוכה תוך שמירה על צורת הגלום שלהם ויושרה. בניגוד למבצע גדול של חתימה, שבו טרנזיסטורים עשויים לעבור בין אזורי חיתוך ושחיטה, מעגלי אותות קטנים פועלים בתוך האזור ליניארי של מכשירים פעילים.ג'ב זה חיוני לשמירה על משככי אותות, רעש, ומגבלות רוחב פס הופכים קריטיים כאשר קלט הם רק אותות מתקדמים (אופטיים) המאפשרים שיפור מדויק של תפקוד זה, באופן מדויק, כי הוא בדרך כלל, על ידי מקבל גבוה יותר, כי הוא מקבל גבוה יותר, כי הוא מקבל את רמות גבוהות יותר.

שיקולים עיצוביים

קבל את ה-Coniguration

רווח של מגבר מבוסס דגימה נקבע על ידי רשת משוב.בתצורה לא מונעת, רווח המתח הוא 1 + (Rf / Rg), שבו Rf הוא משוב התנגדות ו Rg הוא ההתנגדות לקרקע.התצורה מונעת תצורה של Rmp זה רווח של - R / R. עבור יישומים קטנים, לא-inverting העליון הוא לעתים קרובות מועדף כי הוא נוטה גבוה רזולוציה גבוהה של כוח קידוד אחד, אבל קידוד הוא בדרך כלל קידוד גבוה מאוד ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Power Handling and Output Stage

סטיות סטנדרטיות יכולות לספק רק פלט מוגבל הנוכחי (בדרך כלל 10-50 מ"א) ומתח חד קוטבי מתנדנדנד ליד מסילות האספקה.עבור יישומים הדורשים יותר מכמה מ"מ או תנודה גדולה יותר, שלב כוח חיצוני חייב להיות נוסף. גישות נפוצות כוללות חד-טרנסטור אחד בתבנית חובה משותפת (עוקבים מתקדמים) עבור זרם מוגבר, או זוג לחץ חיצוני חייב להיות מכווץ (למשל) עם עומס נמוך יותר עם זרם שלילי (שלבים) עם זרם נמוך יותר) עם ספקטרום גבוה יותר עם תצורה של תפקוד נמוך יותר מאשר עם תצורה של ספקטרום גבוה יותר של תצורה של תפקוד נמוך יותר של ספקטרום גבוה יותר של תצורה של תצורה של תצורה של תצורה של הדבקה (שלב נמוך יותר עם הדבקה) עם הדבקה) עם תצורה של תצורה של תצורה של תצורה של תצורה של תפקוד נמוך יותר עם ספקטרום גבוה יותר (שלב נמוך יותר של תפקוד נמוך יותר עם תצורה של תפקוד נמוך יותר עם סימטרית חום רגיל (שלב נמוך יותר מאשר תצורה של תצורה של ספקטרום גבוה יותר של תפקוד נמוך יותר של תצורה של תצורה של תפקוד נמוך יותר סימטרית חום רגיל (שלב נמוך יותר ספקטרום) עם תצורה של

עקבו אחרי

העברת כוח מקסימלית ואובדן אות מינימלי מתרחשים כאשר המקור מעכב, אימפולס קלט של המגבר, ועומס עומס נוחת כראוי. Op amp לא-inverting קלט יש מאוד גבוהה מאוד (megohms), מה שהופך אותם אידיאליים עבור תפוקה גבוהה של אותות מעצורים, כולל חיישנים או מיקרופוןs Conret.verse, התפוקה נמוכה של מומנטום עדיין מופעלת של זרם נמוך מאוד של מומנטום פנימי הוא מעט מאוד.

Bandwidth ו- Slew Rate

רוחב פס קטן מוגבל בעיקר על ידי המוצר של amp-bandwidth של המוצר (GBW) עבור רווח חד פעמי, רוחב הפס של 3 dB הוא בערך GBW מחולק על ידי רווח רעש. Slew קובע את השיעור המקסימלי של שינוי מתח; שיעור סלסולי נמוך גורם עיוותים מושרה על פני נקודות קטנות, אם כי לעתים רחוקות יותר מוגבל של אדפט (F) גבוה יותר, עם תדרים בגודל 2 ליטר גבוה יותר של 0 {\displaystyle \"מ"ל (p) גבוה יותר של 2.

יציבות וסגיעה

מגפי כוח פעילים חייבים להישאר יציבים תחת כל תנאי התפעול - במיוחד כאשר נהיגה עומסים קיבוליים (כמו כבלים ארוכים) או כאשר רשת משוב מציגה שלב lag. רוב הפוסים המודרניים לפצות מבפנים על יציבות אחדות-גאין, אך פיצוי חיצוני עשוי להיות נדרש כאשר הרווח הסגור הוא נמוך או כאשר מניע עומסים כבדים.

בחירת המגבר המבצעי הנכון

המונחים: key Parameters

בחירת ה- mp הנכון הוא קריטי לביצועים של מגברי אותות קטנים.הפרמטרים הבאים צריכים להיות מוערכים:

  • (FLT:0)Gain-Bandwidth Product (GBWir): 1 Determines רוחב הפס הסגור המקסימלי ברווח נתון.עבור אותות אודיו קטנים, GBW של 1-10 MHz הוא טיפוסי; עבור יישומי אודיו או וידאו, 100 MHz או יותר עשויים להיות נדרשים.
  • (ב) ,0 ,Slew Rate: 1FLT) חישובים רוחב פס מלא כוח, להבטיח את שיעור הזחל יכול להתמודד עם מתח התפוקה המקסימלי הצפוי בתדירות הגבוהה ביותר.
  • (FLT:0) Input Voltage Noise:FLT:1 , נמוך noise ⁇ (למשל, LME49720, OPA1611) יש נחיתות רעש מתחת 1 nV / ⁇ Hz והם חיוניים עבור אותות מפלס מילימטר מחיישנים או מיקרופון.
  • (ב) אם נעשה שימוש בשלב כוח חיצוני, ה-Amp חייב לספק את מלוא העומס הנוכחי.מספרים של אודיו יכול לספק 20-50 מ"א, אך עבור זרמים גבוהים יותר, שלב מגביר הוא הכרחי.
  • (FLT:0) טווח וולטאז':FLT:1; מתח האספקה של אמפ חייב להתאים את התנופה הרצויה.חלק אספקה (למשל, ±15 V) הם נפוצים במעגלי אותות קטנים כדי להתמודד עם אותות דו קוטביים ללא דיבה.
  • (FLT:0) Input Offset Voltage ו-Bas Current:veFLT ( 1 2) נמוך ודעה נמוכה הם קריטיים עבור הדגימה מדויקת. עבור מקורות הסרה גבוהה (למשל, photodiodes), FET-input s amps עם זרמי הטיית picoamp הם מועדפים.

יצרנים רבים מספקים מדריכי בחירה והערות יישום מקיפים.לדוגמה, "Op Amps for Everybody" (reference) ו- Analog מכשירים "Small Signal Amplifier" הערה [2] הם משאבים מצוינים.

אדריכלות מעגלית מעשית

עקבו אחרי Boosted Output

המגבר הפעיל הפשוט ביותר עבור אותות קטנים הוא חסיד מתח (buffer) המספק רווח אחדות אך מיצוי גבוה ופלט נמוך אימפולסיבית. כדי להגדיל את הכונן הנוכחי, transistor NPN (Q1) ממוקם בפלט של mp של תצורה משותפת של אדפטציה מועסקת באופן נרחב תצורה של CNP, ואת העומס הפקס האלקטרונית המינימלי מספק אותות אופטיים נוכחיים (N) כדי לצרף חיובי תצורה זו הוא משמש תצורה של תצורה של ספקטרום (N).

לא מונעים את המגבר עם Push-Pull Stage

עבור רווחים גדולים יותר מאחדות, משלב תצורה לא מונעת של תצורה של תצורה עם פלט דחיפה מסוג AB. pull. פלט הפלט של mp הטיה את הבסיסים של זוג משלים באמצעות שתי דידות מוטות (או מכפיל Vbe) תפוקה הכוללת סגורה-loop שנותר נקבע על ידי רשת משוב של ה-Amp, בעוד זוג דחיפה-pull אספקה גבוהה אדריכלות זו מציעה לינארית מעולה עבור אופטימיזציה של 10 מתאים מתאים עבור יישום יחיד.

מידע שונה עבור אותות מאוזן

מקורות אותות קטנים רבים מאוזנים מטבעם (למשל, מיקרופון XLR, חיישניים מעוותים-pair) מגבר שונה באמצעות אמפ מספק דחייה משותפת, דוחה רעש שנאסף בשני השורות.הרווח נקבע על ידי היחס של משוב התנגדות ל- 620 או ל-Stramented (עבור כל מחצית).

טכניקות עיצוב מתקדמות

עיצוב רשת

מעבר משוב פשוט התנגדות, רשת משוב יכול לכלול capacitors לעצב את התגובה תדר או ליישם מסננים פעילים. עבור מגברי אות קטנים, capacitor קטן במקביל עם משוב התנגדות יוצר מסנן נמוך פאס כי אטמונטס רעש גבוה ⁇ .התדירות חיתוך הוא f c= 1 / (2 ⁇ Rf C) זהירות חייב לקחת כדי למנוע את רוחב הפס מתחת לטווח למטה, יכול לפצות על ידי רשת טעינה.

ניהול ארס

אפילו מגברי אות קטנים יכולים לחמם יתר אם שלב הפלט מתפזר כוח משמעותי.קישוט קוויצנט ב- ClassAB מבצע מייצר צריכת חשמל קבועה, אשר בשילוב עם כוח עומס, מעלה טמפרטורות צומת. Heatsinks חייב להיות בגודל כדי לשמור על הטמפרטורה של צומת פלט מתחת הדירוג של היצרן (בדרך כלל 150 מעלות צלזיוס) באמצעות תרמיים יכול לעזור להעביר חום למטוסים נחושת.

מעגל הגנה

מגברי אות קטנים פגיעים לעומס יתר, לביטוי אלקטרוסטטי (ESD) פשוט הגנה כוללים תפוקה של תפוקה (הזרם האנטישמי), קלפיות למסילות האספקה ( transients transients), ו Zener diodes כדי להגביל את המתח על פני סטיות רגישות.בעיצובים שבהם העומס עשוי להיות קצר-כיוינט, זרם מוגן-מחוסם עדיין יכול לכלול מחסומים חיצוניים ייעודיים רבים.

בדיקות ואופטימיזציה

מבחן אותות קטנים

לפני חיבור עומס כוח, לבדוק את המגבר עם גל חטא ברמה נמוכה מ גנרטור אות. השתמש אוקטילוסקופ כדי לצפות את הגלום פלט; לחפש סימנים של עיוות (הציבה, חפצים צולבים) ו למדוד את הרווח.בדוק כי רוחב הפס תואם את חישובי העיצוב על ידי שטף תדר קלט. A ספקטרום מנתח יכול לזהות עיוות הרמוני; עיוות מוחלט (D) צריך להתאים היטב את הסימון נמוך יותר מאשר את הטיפ הנוכחי.

עקבו אחרי

לאחר אימות לינאריות עם אותות קטנים, לחבר את העומס המיועד (למשל, רמקול 8 ⁇ או כבל 50 ⁇ ⁇ ) לפקח על התנוחה המתח ואת לצייר הנוכחי. למדוד את הטמפרטורה של הפלט טרנזיסטורים עם מצלמה תרמית או thermocouple.אם המכשיר overheats, להפחית את הטיה quiescent או להגדיל את התכה חום.

המונחים:

מגברי אות קטנים פועלים לעתים קרובות בסביבות רועשות. למדוד את רצפת הרעש של הפלט, קצר את הקלט לקרקע (באמצעות התנגדות שווה למניעת המקור) ולקבוע את תפוקת המrms עם ac wtmeter או oscilloscope.שוואת התוצאה עם סימון רעש משוער של נתונים mp.אם רעש הוא מוגזם, לשקול מסנן נמוך או מעבר לסף אנלוגי נמוך יותר, כולל מחוספסת כוח שלילי.

מסקנה

תכנון מעגלי כוח פעילים עם מגבר תפעולי עבור יישומי אות קטנים הוא תהליך מתגמל המשלב תיאוריה אנלוגית בסיסית עם הנדסה מעשית. על ידי בחירה בקפידה של mp, תצורת רשת משוב, הוספת שלב פלט מתאים, והתמודדות עם יציבות, תרמי, והגנתי תוקף, מהנדסים יכולים ליצור מגבר המספקים נקי, נמוך-דיסציה עבור מגוון רחב של מערכות הפעלה זו, דרישות ניהול מוצקה, כולל רוחב פס, עם דרישות ניהול מוצק, מתאים.

- - - -

(ב) ◄ ⁇

  1. טקסס מכשירים, "Op Amps for Everybody", מהדורה 4th Edition, 2018 (FLT:0https: www.ti.com/lit/an/slod006b/slod006b.pdfFLT:1
  2. אנליזה: "Small Signal Amplifier" (בשיתוף פעולה עם פרופיל אותות) , (FLT:0https: www.analog.com/en/technical-documentation/application-notes/AN-1020.pdfigFLT:1
  3. על Semiconductor, "A Simple Audio Amplifier Using Op Amps and Transistors", Application Note and8023.FLT:0https: www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8023-D.pdfFLT 1