Преимущества локальной и глобальной обратной связи в дизайне усилителей

Роль обратной связи в дизайне аналоговых схем

Отрицательная обратная связь — основополагающий принцип, отличающий практические усилители от стадий необработанной прибыли. Торгуя выигрышем в открытом цикле для предсказуемости, инженеры могут достичь уровней линейности, стабильности и точности, которые в противном случае невозможны только с полупроводниковыми устройствами. Реализация обратной связи подразделяется на две отдельные категории: локальная обратная связь, применяемая вокруг одного транзистора или стадии, и глобальная обратная связь, применяемая вокруг всей цепи усилителя. Каждый подход предлагает уникальные преимущества и накладывает конкретные ограничения на производительность. Освоение взаимодействия между этими двумя стратегиями обратной связи имеет важное значение для проектирования усилителей, которые отвечают требовательным спецификациям в аудио, радиочастотных, приборных и силовых электрониках.

Основная математика отрицательной обратной связи

Понимание преимуществ локальной и глобальной обратной связи начинается с фундаментального уравнения обратной связи. Для системы с коэффициентом обратной связи A ol и коэффициентом обратной связи β выигрыш замкнутого цикла A cl выражается как:

A cl = A ol / (1 + βA ol)

Термин βA ol представляет собой усиление петли T. Когда усиление петли велико, усиление замкнутого цикла приближается к 1/β, становясь в значительной степени независимым от характеристик транзистора и производственных вариаций. Увеличение петли также регулирует чувствительность усилителя: дробные изменения усиления открытого цикла уменьшаются в 1 + T. Искажение, генерируемое в усилителе, аналогичным образом ослабляется усилением петли на частоте интереса. Однако усиление петли откатывает с частотой из-за паразитических емкостей, создавая центральную проблему конструкции обратной связи: поддержание достаточного усиления петли для линейности при обеспечении стабильности через адекватный запас фазы.

Локальная обратная связь: дизайн уровня сцены

ЭМИТТЕР и дегенерация источника

Наиболее широко используемой формой локальной обратной связи является дегенерация, при которой в эмиттере биполярного транзистора перехода или источнике полевого транзистора помещается резистор. Эта топология обратной связи серии-серии пробует выходной ток и питает обратно пропорциональное ему напряжение.Эффективная транспроводность Gm eff становится примерно 1/R E, заменяя экспоненциальную или квадратичную передачу, характерную для сырого транзистора, с высоколинейным резистивным соотношением. Этот метод обеспечивает немедленное улучшение линейности стадии без влияния на смещения или нагрузки смежных стадий.

Конфигурации каскодов представляют собой другую форму локальной обратной связи. Помещая над устройством усиления транзистор общей базы, каскод уменьшает эффект Миллера и улучшает высокочастотную изоляцию.Транзистор общей базы действует как буфер тока с присущей ему локальной обратной связью, которая стабилизирует напряжение коллектора транзистора усиления, уменьшая искажение и улучшая полосу пропускания.

Преимущества локальной обратной связи

Отзывы о Local Feedback

Локальная обратная связь снижает коэффициент усиления на стадии. Для достижения заданного коэффициента усиления с открытым контуром требуется большее количество этапов, потребляющих дополнительную мощность и площадь отмирания. Резистивные локальные сети обратной связи способствуют тепловому шуму, который может ухудшить показатель шума усилителей с низким уровнем шума. Индуктивная дегенерация избегает этого шумового штрафа, но практична только на частотах РФ, где размеры индуктора управляемы. Кроме того, локальная обратная связь не может исправить ошибки, возникающие на более поздних стадиях при просмотре с входа усилителя.

Глобальная обратная связь: точность на системном уровне

Парадигма операционного усилителя

Глобальный отклик — определяющий принцип операционного усилителя. Открывая цикл, оп-ампер обеспечивает огромный выигрыш. Закрыв цикл конкретной сетью обратной связи, инженер создает прецизионный усилитель с усилением, задаваемым внешними компонентами. Уникальная мощность глобальной обратной связи заключается в ее способности подавлять ошибки, генерируемые внутри цикла усилителя. Искажение, рябь питания и шум от более поздних стадий ослабляются усилением цикла при упоминании о входе. Это делает глобальную обратную связь незаменимой для приложений, требующих предельной точности.

Механизмы подавления искажений

Общее гармоническое искажение уменьшается на коэффициент, равный коэффициенту усиления петли на гармонических частотах. Для хорошо спроектированного аудиоусилителя с 60 дБ усиления петли на 1 кГц, компоненты гармонических искажений уменьшаются на коэффициент 1000. Это позволяет практическим усилителям достигать THD-фигур ниже 0,001 процента. Снижение искажения применяется ко всем нелинейностям в пределах петли обратной связи, включая кроссоверное искажение на выходных стадиях класса-AB и нелинейность на этапах усилителя напряжения.

Глобальная обратная связь также подавляет отказ от электропитания. Вариации на рельсах электропитания появляются в виде сигналов об ошибках на выходе, а петля обратной связи активно приводит к тому, что выход отменяет эти изменения. Это обеспечивает отличное соотношение отказов от электропитания по полосе пропускания, где увеличение цикла является высоким.

Преобразование импеданса

Глобальная обратная связь может преобразовывать входное и выходное импедансы предсказуемым образом. Серийная обратная связь на входе увеличивает входное импедансное сопротивление, что желательно для приложений, чувствительных к напряжению. Шунтовая обратная связь уменьшает входное импедансное сопротивление, создавая виртуальную почву, подходящую для преобразователей тока к напряжению. На выходе, чувствительный к напряжению обратная связь уменьшает выходное импеданс, создавая почти идеальный источник напряжения. Отзывная связь с током увеличивает выходное импедансное напряжение, создавая источник тока. Эта гибкость позволяет инженеру сопоставить усилитель с требованиями окружающей системы без дополнительных буферных стадий.

Вызов стабильности

Глобальная стабильность обратной связи регулируется величиной усиления петли и фазой в качестве функции частоты. Многоступенчатый усилитель содержит несколько полюсов. По мере отката усиления петли накапливается сдвиг фазы. Если сдвиг фазы достигает 180 градусов, в то время как усиление петли выше единицы, усилитель будет колебаться. Инженеры используют участки Боде для анализа скорости закрытия. Если прирост открытого цикла откатывается на 20 дБ за десятилетие при пересечении 0 дБ, петля стабильна с адекватным запасом фазы. Скорость закрытия 40 дБ за десятилетие указывает на потенциальное колебание.

Для изменения отклика с открытым контуром и обеспечения стабильности требуется компенсация частоты. Доминантная компенсация полюсов уменьшает полосу пропускания усилителя, толкая первый полюс на низкую частоту. Миллеровская компенсация использует эффект Миллера для создания эффекта разделения полюсов, толкая доминирующий полюс ниже, а второй полюс выше. Эти методы обмениваются полосой пропускания для стабильности, и компенсационный конденсатор часто является самым большим компонентом в усилителе.

Сравнительный анализ: локальная обратная связь по всему миру

Линейность и искажение в контексте

Глобальная обратная связь превосходит по снижению низкочастотного гармонического искажения по всему усилителю. Если целью является достижение исчезающе низкого THD на аудиочастотах, глобальная обратная связь обеспечивает усиление петли, необходимое для подавления гармоник. Однако глобальная обратная связь становится менее эффективной на высоких частотах, где усиление петли ограничено. Локальная обратная связь предотвращает генерирование высокочастотного искажения в первую очередь за счет линеаризации каждой стадии. Многие передовые топологии аудиоусилителей полагаются на высокую линейность открытого цикла, достигнутую за счет локальной обратной связи, каскодирования и симметрии толкания, применяя только достаточную глобальную обратную связь для очистки остаточных ошибок без создания проблем стабильности или преходящего искажения интермодуляции.

Переходное искажение интермодуляции — известный артефакт чрезмерной глобальной обратной связи. Когда входной сигнал содержит быстрые переходные процессы, выход усилителя не может следовать мгновенно из-за ограниченной скорости разбиения компенсационного конденсатора. За это время петля обратной связи представляет большой сигнал ошибки на входную стадию, который может насыщать и создавать искажения. Высокая линейность открытого цикла с умеренной глобальной обратной связью избегает этой проблемы.

Bandwidth и Slew Rate

Глобальная обратная связь уменьшает полосу пропускания малых сигналов для заданной установки усиления. Усилитель обратной связи напряжения имеет продукт постоянной полосы усиления. Если коэффициент усиления замкнутого цикла увеличивается в десять раз, полоса пропускания уменьшается в десять раз. Локальная обратная связь может достигать более высоких полос пропускания за счет уменьшения импеданса на чувствительных узлах, толкая полюса на более высокие частоты. Топология усилителя Cherry-Hooper использует локальную обратную связь для достижения полосы пропускания, превышающей продукт полосы усиления отдельных транзисторов.

Скорость потока, пропускная способность большого сигнала, ограничена током смещения, доступным для зарядки компенсационного конденсатора в глобально компенсированном усилителе. Локальная обратная связь не накладывает это ограничение. Усилители текущей обратной связи используют локальную обратную связь на входе для достижения очень высоких скоростей стреловидности, независимых от усиления.

Шумовое исполнение

Распространенным заблуждением является то, что глобальная обратная связь снижает шум. Глобальная обратная связь не может уменьшить входное шумовое напряжение усилителя. Она просто снижает коэффициент усиления. Для данного сигнала отношение сигнал-шум на выходе определяется шумом входной стадии. Локальная обратная связь с помощью резисторов добавляет тепловой шум. Резистор дегенерации 100 Ом генерирует примерно 1,3 нВ на корневой герц теплового шума. При конструкции усилителя низкого шума локальная обратная связь должна использоваться осторожно, а значения резистора должны быть выбраны для минимизации шумового вклада при обеспечении требуемой линейности.

Домен приложений

В области применения сильно диктуется стратегия обратной связи. В аудио инженеры отдают приоритет исчезающе низкому THD по всей аудиодиапазону. Набор петли на 20 кГц ограничен продуктом усиления полосы пропускания усилителя. Аудиодизайнеры часто используют несколько ступеней усиления с умеренной глобальной обратной связью и высокой линейностью открытого цикла. В радиочастотном дизайне стабильность является первостепенной задачей. В радиочастотном дизайне стабильность является первостепенной задачей. Один транзисторный этап с индуктивной дегенерацией обеспечивает локальную обратную связь, которая обеспечивает одновременное согласование шума и входа без риска глобального колебательного контура. Локальная обратная связь в радиочастотном диапазоне тщательно настроена, чтобы избежать создания отрицательного сопротивления на входных или выходных портах. В приборостроении глобальная обратная связь используется для достижения точной точности усиления и высокого отклонения в общем режиме, часто в сочетании с локальной обратной связью на входной стадии для поддержания линейности в широких диапазонах входа.

Гибридная обратная связь архитектуры

Несданные петли обратной связи

Большинство практических усилителей используют вложенные стратегии обратной связи. Внутренние петли обеспечивают локальную оптимизацию линейности, пропускной способности и смещения. Внешний петль обеспечивает системную точность усиления точности и подавления искажений. Стандартный трехступенчатый операционный усилитель имеет локальную обратную связь на выходной стадии для установки покоящегося тока и выходного импеданса в сочетании с глобальной петлей обратной связи на инвертирующий вход. Локальная обратная связь обеспечивает предсказуемое поведение выходной стадии, в то время как глобальная обратная связь корректирует остаточные нелинейности.

Стратегия проектирования для надежных систем

Наиболее надежный подход к проектированию заключается в создании сильного ядра с открытым контуром с использованием локальной обратной связи до закрытия глобального контура. Каждая стадия должна быть выполнена как можно более линейной и хорошо управляемой. Высокопроизводительный аудиоусилитель использует каскодированную входную стадию с текущей зеркальной загрузкой, тщательно смещенную стадию усилителя напряжения с локальной компенсацией Миллера и тройную стадию выхода Дарлингтона с локальной обратной связью для управления искажением кроссовера. Глобальная обратная связь затем должна только исправлять эффекты второго порядка. Опираясь в значительной степени на глобальную обратную связь для исправления плохой конструкции открытого контура приводит к потенциально неустойчивому усилителю, подверженному крашению и подверженному высокочастотному искажению, которое глобальный контур не может исправить.

Практические дизайнерские соображения

Методы компенсации

Конструкторы должны учитывать взаимодействие между локальной и глобальной обратной связью при компенсации усилителя. Локальная обратная связь толкает внутренние полюса к более высоким частотам, облегчая стабилизацию глобальной петли. Компенсация Миллера вокруг стадии усиления создает локальную обратную связь на высоких частотах, уменьшая усиление этой стадии на высоких частотах и упрощая глобальную компенсацию. Методы компенсации Feedforward обходят стадию усиления на высоких частотах, создавая локальный путь, который улучшает стабильность без снижения усиления низкочастотной петли.

Паразитические эффекты

Паразитические емкости и индуктивности создают непреднамеренные локальные пути обратной связи, которые могут вызывать колебания. Емкость коллектора к базе биполярного транзистора обеспечивает локальную обратную связь, которая может создавать отрицательное сопротивление на входе, приводя к нестабильности. Для управления паразитной обратной связью необходимы такие методы разложения, как экранирование, наземные плоскости и правильное разъединение. Локальная обратная связь, реализованная с помощью резисторов на кристалле, должна учитывать паразитную емкость к земле, которая может создавать сдвиг фазы и снижать эффективность обратной связи.

Вывод: Симбиоз в дизайне усилителей

Локальная и глобальная обратная связь не являются конкурирующими философиями, а дополняющими инструментами проектирования. Локальная обратная связь обеспечивает основу предсказуемой, линейной и надежной работы усилителя открытого цикла. Она управляет производительностью на уровне этапа и гарантирует, что строительные блоки хорошо ведут себя до закрытия глобального цикла. Глобальная обратная связь использует силу усиления высокого цикла для уточнения общей функции передачи, подавления искажений на уровне системы и обеспечения точных характеристик импеданса. Квалифицированный аналоговый дизайнер понимает сильные стороны и ограничения каждого подхода. Чрезмерная зависимость от глобальной обратной связи вызывает проблемы стабильности и переходные искажения. Чрезмерное использование локальной обратной связи снижает слишком агрессивный прирост, увеличивая потребление энергии. Искусство оптимальной конструкции усилителя заключается в балансировании этих методов обратной связи для удовлетворения конкретных ограничений скорости, точности, мощности и шума, определенных целевым приложением. Овладевая как локальной, так и глобальной обратной связью, инженеры могут создавать схемы, которые обеспечивают производительность, намного превышающую сумму их отдельных этапов.