Различия между одно- и двух-снабжающей операционными схемами усилителя

Топологии поставок операционного усилителя: глубокое погружение в одноместное пополнение против двухместного проектирования

Операционные усилители — это рабочие лошадки обработки аналоговых сигналов, появляющиеся в цепях кондиционирования сигналов, активных фильтрах, аудиоусилителях, сенсорных интерфейсах и бесчисленных других схемах.В то время как топологии как с одним, так и с двумя источниками питания используют одни и те же принципы обратной связи и усиления, они накладывают принципиально разные ограничения на качание сигнала, диапазон входных сигналов в общем режиме, шумовой иммунитет и общую сложность системы. Освоение этих различий помогает инженерам выходить за рамки схем учебников и разрабатывать надежные системы, которые отвечают строгим спецификациям реального мира.Решение между ними редко о том, что один является универсально лучшим; речь идет о согласовании архитектуры мощности с требованиями производительности системы.

Основные ограничения Op-Amp, сформированные рельсами снабжения

Чтобы понять влияние топологии питания, сначала нужно оценить, как реальные операционные усилители отклоняются от идеального. Две спецификации, в частности, непосредственно ограничены диапазоном напряжения входного общего режима (V]CM) и качанием выходного напряжения (VOUT). Идеальный операционный усилитель принимает любое входное напряжение и качает его выход к любому напряжению, но реальные устройства ограничены их внутренним перекосом транзистора.

В системе с двойным подачей с ±15 V рельсами VCM обычно простирается от чуть за пределы отрицательного рельса до чуть за пределы положительного рельса, в зависимости от архитектуры входной стадии (например, PNP против NPN дифференциальных пар). Наземный (0 V) удобно сидит в середине этого диапазона. И наоборот, в системе с одним подачей, где отрицательный рельс заземлен (0 V), стандартные операционные усилители не могут принимать входы точно на 0 V, что требует специализированных этапов ввода рельса-рельса, чтобы избежать насыщения на отрицательном рельсе. Это основополагающее различие диктует, как сигналы смещены и связаны по всей цепи.

Одноместные схемы Op-Amp

Однополосный операционный усилитель работает только с одним напряжением питания, ссылающимся на землю. Выход операционного усилителя может колебаться от напряжения насыщения вблизи земли до напряжения насыщения вблизи положительного рельса. Поскольку многие сигналы реального мира, такие как выходы аудио или датчиков, являются биполярными (раскачивающимися выше и ниже контрольной точки), разработчик должен переместить сигнал на среднее значение подачи, часто называемое виртуальным землей.

Виртуальные наземные и предвзятые сети

Основная задача в конструкции с одним источником питания заключается в смещении входного сигнала таким образом, чтобы он оставался в пределах входного диапазона общего режима операционного усилителя и выходных колебаний в пределах доступного зала. Делитель резистора от положительного питания к земле создает стабильное среднее напряжение. Для питания 5 В пара резисторов 10 кОм производит 2,5 В. Это напряжение применяется к неинвертирующим входным сигналам для смещения выхода в середине подачи, когда нет сигнала. Конденсатор обхода от разделителя перехода к шуму наземных фильтров и обеспечивает низкое сопротивление переменного тока на этом узле.

Импеданс этой сети смещения вводит критический компромисс. Параллельная комбинация делителей резисторов (R]EQ = R1 | | | R2) представляет сопротивление Тевенина, наблюдаемое неинвертирующим входом операционного усилителя. Это сопротивление в сочетании с входным током смещения op-amp создает дополнительное смещение постоянного тока. Например, делитель 10 кОм с входным током смещения 10 нА дает дополнительный 50 мкВ смещения — часто незначительный, но значительный в прецизионных схемах. Кроме того, эта сеть резисторов вносит тепловой шум непосредственно в сигнальный путь. Разделитель 10 кОм вносит примерно 12,9 нВ/Гц. Конструкторы должны сбалансировать потребление энергии (более низкие сопротивления вытягивают больше тока) против шума и требований смещения. Хорошее эмпирическое правило заключается в использовании резисторов в диапазоне от 1 кОм до 100 кОм, с более низкими значениями для более низкого шума и более высокими значениями для более низкого покоя. ток.

Обход виртуальной площадки для многоступенчатых систем

Когда несколько стадий операционного усилителя имеют один резистивный делитель, токи сигнала с одной стадии могут модулировать напряжение смещения другой, вызывая перекрестное скрещивание. Простой конденсатор от виртуального заземляющего узла до земли (обычно 10-100 мкФ параллельно с 0,1 мкФ) помогает поддерживать низкий импеданс переменного тока, но для высокопроизводительных конструкций разумно буферизировать виртуальный грунт с дополнительным операционным усилителем, сконфигурированным в качестве последователя напряжения. Это добавляет компонент, но гарантирует, что напряжение смещения остается стабильным независимо от токов нагрузки.

Связь переменного тока становится необходимой. Вводной конденсатор последовательно с источником сигнала блокирует любое смещение постоянного тока от источника и позволяет внутреннему смещению устанавливать рабочую точку. Аналогично, выходной конденсатор может блокировать выход среднего уровня постоянного тока от достижения следующей стадии. Эта сеть связи добавляет компоненты и вводит характеристику высокого прохода, которая должна учитываться, если низкочастотный отклик является критическим. Частота угла определяется конденсатором связи и входным импедансом следующей стадии; для фильтра высокого прохода 10 Гц типичным является конденсатор 1 мкФ, приводящий в движение нагрузку 15 кОм.

Общие топологии для одного поставщика

Неинвертирующий усилитель переменного тока с одним источником питания использует делитель напряжения для смещения неинвертирующего входа. Сеть обратной связи соединяется с выходом на инвертирующий вход, с резистором на землю. В DC конденсаторы появляются в виде открытых цепей, заставляя выход стабилизироваться при напряжении смещения. Для инвертирующего усилителя неинвертирующий вход смещен в середине подачи, и входной сигнал подается через последовательный резистор. Прирост по-прежнему -RF/RIN, но выход сидит при напряжении смещения, когда сигнал отсутствует.

Однозарядные операционные усилители распространены в приборах с батарейным питанием, портативных медицинских устройствах и низковольтных сенсорных интерфейсах. Такие продукты, как MCP6001 или LMV358, явно предназначены для работы с входом и выходом рельсов на рельсах при низких напряжениях, сводя к минимуму ограничения заднего прохода. Многие современные микроконтроллеры имеют встроенные ADC, которые требуют сигнала, смещенного на половину их опорного напряжения; однозарядный операционный усилитель является естественным приспособлением для сглаживающих фильтров и буферных стадий в таких системах.

Ограничения одноместной операции

Односнабжающие цепи, как правило, потребляют больше пассивных компонентов для смещения и сцепления. Выходное качание ограничено напряжением насыщения оп-ампера, которое для старых или нерельсовых устройств может составлять несколько сотен милливольт от рельсов. Необходимость сцепления переменного тока вводит низкочастотную отсечку, которая может быть неприемлемой для измерений постоянного тока или очень низкой частоты. Кроме того, виртуальная земля должна быть в состоянии испускать и поглощать ток. Если один резистивный делитель используется для смещения нескольких стадий, токи сигнала, текущие в один оп-ампер, могут модулировать напряжение смещения другого, что приводит к перекрестному стыку. Буферирование виртуальной земли с дополнительным оп-ампером устраняет эту проблему, но увеличивает количество компонентов.

Другой часто упускаемой проблемой является поведение пуска однозарядных цепей. При первом применении мощности виртуальному заземлению могут потребоваться десятки миллисекунд для стабилизации, в течение которых выход операционного усилителя может качаться в нежелательное состояние. Правильное секвенирование сигналов питания и ввода или добавление конденсатора мягкого пуска на опорный узел может смягчить это.

Двухместные Op-Amp схемы

Оп-ампер с двойным подачей использует как положительное, так и отрицательное напряжение относительно общей поверхности. Классические рельсы ±15 В типичны для лабораторного оборудования и профессионального аудиооборудования. Наземный эталон расположен прямо между рельсами, поэтому сигналы могут смещаться симметрично выше и ниже 0 В без каких-либо уклоняющихся трюков. Эта присущая симметрия чрезвычайно упрощает обработку сигналов переменного тока.

Прямое соединение и диапазон сигнала

Поскольку земля является естественной ссылкой с нулевым сигналом, цепи с двойным подачей могут быть соединены с DC от входа к выходу без сдвига уровня. Инвертирующий усилитель с двойным подачей может усиливать входной сигнал ±1 В до ±10 В без необходимости использования конденсатора в пути сигнала, при условии, что источник сам ссылается на землю. Это исключает низкочастотный скачок и фазовый сдвиг, связанный с конденсаторами связи, что делает топологии с двойным подачей идеальными для высокоточных цепей постоянного тока и высокоточного аудио, где требуется когерентность фазы до DC.

Качели выходного напряжения могут приближаться к обоим рельсам, ограниченные только выходной стадией оп-ампа. Существуют оп-ампы с выходом от железной дороги к рельсам, но даже стандартные устройства, такие как NE5532 или OPA2134 , могут входить в вольт или два каждого рельса при движении легких нагрузок. При поставках ±15 В это все еще оставляет более 26 В пикового линейного диапазона выходных данных, значительно превосходя динамический диапазон большинства систем с одним источником питания.

Симметрия электроснабжения и PSRR

Двойные поставки требуют двух регуляторов напряжения или сплит-рельсового DC-DC преобразователя. Это добавляет стоимость и площадь платы. Однако наличие отдельных положительных и отрицательных рельсов часто улучшает производительность коэффициента отбраковки питания (PSRR). Шум подачи появляется симметрично на рельсах, а внутренний отказ от оп-ампа в общем режиме может его ослабить. Хорошо спроектированная система двойного питания может достигать чрезвычайно низких потолков шума, поэтому она является стандартом в профессиональных консолях смешивания и прецизионных измерительных приборах. Компромиссом является потенциал для увеличения наземных контуров и необходимость тщательной компоновки обратных токов от обоих поставок. Заземление звезд и выделенные плоскости мощности для каждого рельса помогают поддерживать целостность сигнала.

Приложения

Оп-ампы двойного питания доминируют в обработке аудио (эквалайзеры, кроссоверы, микрофонные предусилители), аналитической аппаратуре (усилители блокировки, усилители трансимпеданса фотодиода) и активных фильтрах, где требуется симметричное поведение зажима. Они также распространены в высоковольтных пьезодрайверах и аналоговых вычислительных модулях. Возможность обработки сигналов, которые пересекают ноль без конденсаторов связи, упрощает конструкцию осцилляторных схем и детекторов нулевого скрещивания.

Головной зал и динамический диапазон: количественное сравнение

Максимально достижимый динамический диапазон в цепи операционного усилителя напрямую связан с напряжением питания и используемой топологией. Рассмотрим систему, питаемую одним источником 5 В. Выход может качаться от V SAT(L) до VSAT(H), но интересующий сигнал сосредоточен на виртуальной земле 2,5 В. Пик симметричного качения перед обрезкой — VSAT(H) — 2,5 В, или примерно 2,4 ВPP.

Теперь рассмотрим систему с двойным подачей с ± 2,5 V рельс. Общее напряжение на устройстве одинаково при 5 В. Однако симметричное размахивание, доступное вокруг истинной исходной точки, составляет 4,9 ВPP. Система с двойным подачей обеспечивает почти вдвое большую амплитуду используемого сигнала переменного тока для того же общего напряжения питания, потому что нет необходимости резервировать половину динамического диапазона для напряжения смещения постоянного тока.

Эта разница становится критической в системах с высоким динамическим диапазоном. Если приложение требует отношения сигнал-шум (SNR) 90 дБ, однопоставочная система 5 В должна достичь уровня шума ниже 7,75 мкВ RMS. Система с двойным поставкой ± 2,5 В требует уровня шума ниже 15,5 мкВ RMS для достижения того же SNR, эффективно расслабляя требование шума на операционном усилителе в два раза. Для заданной плотности шума система с двойным поставкой может достичь более высокого SNR или, альтернативно, оп-ампер с меньшей мощностью может использоваться для удовлетворения той же спецификации SNR.

Шум, искажение и соображения PSRR

Виртуальный наземный делитель в однопроводной цепи впрыскивает тепловой шум непосредственно в сигнальный путь. Даже с помощью обводного конденсатора шум резистора из разделительной сети может ограничивать шумовое дно, особенно на этапах с высокой долей усиления. Двухконтурные цепи избегают этого дополнительного источника шума, заземляя неинвертирующий вход непосредственно через резистор. Кроме того, однопроводные цепи могут проявлять более высокое искажение, когда выход приближается к рельсам питания, особенно если операционный усилитель не является рельсовым к рельсам и начинает насыщаться асимметрично. Конструкции двойного питания могут быть организованы так, чтобы удерживать рабочую точку от рельсов, используя более линейную область выходной стадии.

Отказ от питания также затрагивается. В системе с двойным подачей часто присутствует общий режим шума на рельсах, который может отклоняться входной стадией усилителя. В системе с одним подачей шум отсылается к земле, и любое отсутствие отказа напрямую связывается с сетью смещения. В обоих случаях необходимо правильное обход и тщательная компоновка ПХБ, но запас погрешности шире в конструкциях с двойным подачей. Общей практикой является использование регулятора с низким уровнем выпадения (LDO) для аналогового питания и отделение пути возврата земли виртуального грунта от высокоточных цифровых возвратов.

Управление питанием и работа батареи

Однократная работа с подачей энергии батареей сияет. Один литий-ионный элемент может питать низковольтный операционный усилитель напрямую, устраняя необходимость в инвертировании зарядного насоса или конвертера обратной связи для генерации отрицательной рельсы. Эта простота уменьшает похолодание тока и шум переключения. Многие маломощные операционные усилители потребляют только микроамперы и могут работать в течение многих лет на монетной ячейке.

Если приложение уже содержит симметричный источник питания по другим причинам, таким как аудиокодек, который использует аналоговые рельсы ±12 В, добавление оп-ампа с двойным поставкой не представляет дополнительной нагрузки на конструкцию мощности. В системах со смешанными сигналами обычно можно увидеть один рельс 3.3 В для цифровых компонентов и биполярный аналоговый источник для сигнальной цепи. Стоимость дополнительного преобразователя DC-DC должна быть взвешена по сравнению с преимуществами производительности.

Сложность дизайна и количество компонентов

Односнабжающие схемы требуют тщательного смещения, конденсаторов связи переменного тока и часто буфера для виртуального заземления, если несколько стадий разделяют его. Базовая неинвертирующая стадия усиления может потребовать трех дополнительных резисторов, двух конденсаторов и, возможно, дополнительного операционного усилителя для среднего эталона подачи. Это добавляет к области ПХД и может ввести режимы отказа, связанные с временем службы электролитических конденсаторов связи. В приложениях с высокой надежностью высыхание электролита с течением времени может изменить частоту угла и увеличить искажение.

Двухпроводные схемы нуждаются в более сложном источнике питания, но могут реализовать ту же стадию усиления с помощью всего двух резисторов и без конденсаторов связи. Для большой объемной потребительской электроники компромисс часто определяется существующей архитектурой мощности. Если устройство уже имеет одну батарею и нет отрицательного напряжения, добавляя зарядный насос, стоит денег и места. В таких случаях дополнительные пассивные устройства для однопоточного смещения являются экономичным выбором. Однако распространение небольших интегрированных инверторов зарядного насоса, таких как TPS60400 , делает генерацию отрицательной рельсы все более компактной и доступной.

Активные фильтры соображения

Активные фильтры, такие как Sallen-Key или множественные топологии обратной связи, очень чувствительны к точке работы операционного усилителя.В системе с двойным подачей инвертирующие и неинвертирующие входы операционного усилителя могут быть непосредственно связаны с землей, упрощая функцию передачи и устраняя необходимость в сетях с уклоном постоянного тока.

В одном активном фильтре для подачи данных все входы в операционный усилитель должны быть смещены до середины подачи. Это усложняет функцию передачи, поскольку напряжение смещения появляется как смещение постоянного тока, которое должно учитываться, и конденсаторы связи переменного тока взаимодействуют с сетью обратной связи фильтра. Проектирование однократного фильтра с очень низкими частотами отключения (например, 0,1 Гц) требует физически больших конденсаторов, что делает подход двойного подачи более практичным для приложений с подчас. Кроме того, конечное сопротивление сети смещения может ввести ошибку усиления в полосе пропускания фильтра, особенно в конструкциях с высоким коэффициентом полезного действия.

Выбираем правильный Op-Amp

При проектировании схемы с одним подводом выберите операционный усилитель с входным диапазоном общего режима, который включает в себя наземный (или немного ниже) и выход, который может качаться близко к земле. Популярны устройства ввода и вывода (]RRIORRIOTLV906x или AD8605. Обратите внимание на искажение входного кроссовера, которое проявляют некоторые этапы ввода рельса-рельса при переходе между дифференциально-парными и комплементарными этапами ввода. Для схем с двойным подводом традиционные операционные усилители с отличными характеристиками переменного тока, такие как LM4562 или OPA1612, могут использоваться без учета ограничений общего режима, поскольку сигналы сосредоточены на земле.

Всегда проверяйте таблицу данных для входного диапазона напряжения общего режима по сравнению с графиком напряжения питания. Многие операционные усилители, которые утверждают, что вход «железнодорожный» может достигать его только на одной рельсе при определенных условиях. Для конструкций с одним источником питания ищите устройства, которые гарантируют работу вплоть до отрицательного рельса (часто -V ] S . Для конструкций с двойным источником входной диапазон менее ограничителен, но качание вывода под нагрузкой должно быть проверено.

Практическое применение: аудиоусилитель

Рассмотрим предусилитель микрофона электрета. Капсула микрофона доставляет небольшой сигнал переменного тока, наложенный на смещение постоянного тока. При однократной конструкции подачи неинвертирующий вход оп-ампа смещен к среднему поставке, а выходной - переменный ток, соединенный со следующей стадией. Это хорошо работает в компактных портативных регистраторах. При двойном поставке предусилитель может быть соединен с постоянным током на протяжении всего, избегая низкочастотного фазового сдвига, который вводят конденсаторы связи. В высокочастотных аудиоинтерфейсах, где важна когерентность фазы до 10 Гц, предпочтителен подход двойного питания, несмотря на добавленную сложность питания. Для сверхнизкой мощности шума выделенный регулятор низкого шума для положительной рельсы и зарядный насос с постфильтром для отрицательной рельсы могут давать шумовое покрытие ниже самошума микрофона.

Практическое применение: сенсорный интерфейс

Мостовой датчик, такой как тензодатчик или датчик давления, часто выдает небольшое дифференциальное напряжение, наложенное на напряжение общего режима. При питании от одного источника питания 5 В выход датчика может находиться в 2,5 В общем режиме. Одноприводный приборный усилитель, такой как INA326 , может непосредственно взаимодействовать с этим датчиком, генерируя выход, ссылающийся на опорный штифт напряжения. Не требуется отрицательного питания. Если датчик ссылался на землю и производил биполярные сигналы милливольта, двойной источник питания в усилителе может усиливать истинный биполярный сигнал без какого-либо смещения постоянного тока, обеспечивая более высокую точность. Для очень низкоуровневых сигналов (например, выходы термопары), двухприводный вертолетный операционный усилитель, такой как ADA4528 может обеспечивать офсетные напряжения ниже 1 мкВ, что трудно достичь в конфигурациях с одним источником питания без тщательной калибровки.

Рамки решений

Выберите Однополосный, когда система работает от батареи, сигнал связан с переменным током, отрицательная рельсовая система недоступна, а стоимость и количество БОМ являются основными драйверами. Выберите Двухполосный режим подачи , когда сигнал соединен с DC и биполярный, требуется максимальный динамический диапазон, требования к шумовому полу чрезвычайно низки, а архитектура источника питания уже включает отрицательный рельс. Для очень высокоточных приложений рассмотрите возможность использования комбинации: двойной интерфейс подачи для чувствительной сигнальной цепи, за которым следует драйвер ADC с одним источником питания.

Внешние ресурсы для глубоких погружений

Инженеры, желающие изучить эти нюансы дизайна, могут проконсультироваться со следующими авторитетными ресурсами:

Заключение

Решение между односнабжением и двухосновыми цепями оп-амперов редко касается того, чтобы одна была универсально лучше другой; речь идет о согласовании архитектуры мощности и требований к сигналу. Односнабжающие конструкции превосходят низковольтное оборудование с батарейным питанием, где генерация отрицательной рельсы будет ненужным бременем. Двухснабжающие конструкции упрощают обработку сигналов, позволяя использовать наземные, соединенные с DC этапы и обеспечивая широкие симметричные колебания выходной мощности. Понимая компромиссы в головном уборе, шуме, сложности и количестве компонентов, инженер может выбрать оптимальную конфигурацию и построить аналоговые системы, которые надежно работают в предполагаемой среде.