Введение

Активные усилители мощности, построенные с операционными усилителями (op amps), служат краеугольным камнем в современном электронном дизайне, особенно для приложений, которые требуют точного и низкоискательного усиления малых сигналов. Малые приложения сигналов, такие как сенсорные интерфейсы, аудиоусилители, каналы приборов и приемники связи, - схемы спроса, которые могут повысить сигналы милливольтного или микроамперного уровня без введения заметного шума, искажения или нестабильности. Op amps обеспечивают идеальную платформу для этих задач из-за присущего им высокого усиления в открытом цикле, отличного отказа в общем режиме и способности адаптировать производительность через внешние сети обратной связи. Эта статья предоставляет всеобъемлющее руководство по проектированию активных схем усилителя мощности с использованием op amps для небольших требований к сигналу. Она охватывает фундаментальные принципы, ключевые параметры проектирования, архитектуры схем, выбор компонентов и практические задачи реализации, позволяя инженерам и студентам создавать надежные и эффективные усилители.

Основы усиления малых сигналов

Усиление малых сигналов включает в себя усиление низкоуровневых электрических сигналов при сохранении их формы волны и целостности. В отличие от работы с большими сигналами, где транзисторы могут переключаться между областями отсечения и насыщения, небольшие сигнальные цепи работают в линейной области активных устройств. Эта линейность имеет важное значение для поддержания точности сигнала. Искажение, шум и ограничения полосы пропускания становятся критическими, когда входные сигналы имеют пиковый пик всего в несколько милливольт. Оп-амперы превосходят в этом режиме, потому что их дифференциальные входы и высокий коэффициент усиления в открытом цикле позволяют точно управлять обратной связью. Прирост точно устанавливается пассивными компонентами (резисторы и конденсаторы) в петле обратной связи, делая схему предсказуемой и повторяемой. Анализ малых сигналов обычно предполагает, что внутренние параметры усилителя усиления (GBW), скорость разряда и шум ввода определяют границы производительности. Понимание этих границ является первым шагом в создании успешной конструкции усилителя.

Основные соображения дизайна

Получить конфигурацию

Прибыль усилителя на основе операционного усилителя определяется сетью обратной связи. В неинвертирующей конфигурации коэффициент усиления напряжения составляет 1 + (Rf/Rg), где Rf является резистором обратной связи, а Rg является резистором на земле. Инвертирующая конфигурация дает коэффициент усиления -Rf/Rin. Для небольших приложений сигналов часто предпочтительнее неинвертирующая топология, поскольку она обеспечивает высокий входной импеданс и неинвертированный выход. Однако тщательный выбор значений резистора необходим для предотвращения эффектов нагрузки и поддержания стабильности. Практические значения для Rf и Rg обычно варьируются от 1 кОм до 100 кОм; чрезвычайно высокие сопротивления увеличивают шум, в то время как очень низкие сопротивления отнимают энергию и могут перегружать выходную стадию операционного усилителя.

Стадия обработки и вывода энергии

Стандартные операционные усилители могут доставлять только ограниченный выходной ток (обычно 10-50 мА) и однополярный качание напряжения вблизи рельсов питания. Для приложений, требующих более нескольких миллиампер или большего качения напряжения, необходимо добавить внешнюю энергетическую стадию. Общие подходы включают один транзистор в конфигурации общего коллектора (последователя эмиттера) для увеличения тока или комплементарную пару толкателя (класс B или класс AB) для обработки токов положительной и отрицательной нагрузки с более высокой эффективностью. Сцена мощности должна быть смещена для устранения искажений кроссовера, особенно в небольших сигнальных цепях, где усиливается любая нелинейность. Например, сеть смещения класса AB с диодами или множитель Vbe устанавливает небольшой похолодание тока через оба выходных транзистора, поддерживая линейность на низких уровнях сигнала. Правильное погружение в тепло является обязательным, когда выходной ток превышает несколько сотен миллиамперов.

Совпадение импеданса

Максимальная передача мощности и минимальная потеря сигнала происходят, когда импеданс источника, импеданс входа усилителя и импеданс нагрузки соответствующим образом совпадают. Входные данные Op amp неинвертирующие имеют очень высокое импеданс (мегомы), что делает их идеальными для взаимодействия с источниками сигнала высокого давления, такими как пьезоэлектрические датчики или электронно-высотные микрофоны. И наоборот, выходное импеданс топологии op amp с последующим напряжением очень низкое (фракции ом), что позволяет прямому приводу нагрузок низкого давления. Когда используется внешняя стадия мощности, общее выходное импеданс немного повышается, но все еще остается достаточно низким для большинства применений. Для высокочастотных схем сопоставление импеданса также включает в себя управление эффектами линии передачи, что может потребовать вставки последовательного резистора на выходе для демпфирования отражений.

Bandwidth и Slew Rate

Малая полоса пропускания сигнала в первую очередь ограничена продуктом усиления-ширины полосы пропускания op amp (GBW). Для данного усиления с замкнутым контуром полоса пропускания -3 дБ примерно GBW разделена на усиление шума. Скорость передачи slew определяет максимальную скорость изменения выходного напряжения; недостаточная скорость передачи slew вызывает искажение slew на быстрых краях. Для небольших сигналов частота передачи slew редко является ограничением, если усилитель не должен обрабатывать колебания большой амплитуды на высоких частотах. Тем не менее, эмпирическое правило состоит в том, чтобы выбрать усилитель с GBW, по крайней мере, в десять раз превышающей наибольшую частоту сигнала, и частота передачи slew, которая удовлетворяет > 2π × f max × V peak. Многие универсальные усилители op (например, NE5532, TL072) обеспечивают адекватную производительность для малых звуковых сигналов, в то время как более высокоскоростные устройства, такие как AD8065 или OPA627,

Стабильность и компенсация

Активные усилители мощности должны оставаться стабильными при всех условиях работы - особенно при движении емкостных нагрузок (например, длинных кабелей) или когда сеть обратной связи вводит фазовое отставание. Большинство современных операционных усилителей внутренне компенсируются стабильностью с увеличением единицы, но внешняя компенсация может потребоваться, когда коэффициент усиления замкнутого цикла низкий или при движении тяжелых емкостных нагрузок. Методы включают добавление небольшого резистора последовательно с выходом перед нагрузкой (изоляционный резистор) или размещение конденсатора через резистор обратной связи (компенсация свинца). Для схем, которые включают внешний силовой транзистор, дополнительная задержка через транзистор может уменьшить запас фаз; общее средство заключается в вставке небольшого конденсатора (например, 100 pF) между выходом усилителя опции и его инвертирующим входом для отката усиления на высоких частотах и предотвращения колебаний.

Выбор правильного операционного усилителя

Ключевые параметры

Выбор правильного усилителя оптического действия имеет решающее значение для эффективности усилителя малой мощности сигнала. Следует оценить следующие параметры:

  • Gain-Bandwidth Product (GBW): Определяет максимальную полосу пропускания замкнутого цикла при заданном коэффициенте усиления. Для аудиомалых сигналов типично значение GBW 1-10 МГц; для ультразвуковых или видеоприложений может потребоваться 100 МГц или более.
  • Скорость потока: Для расчета полосы пропускания полной мощности убедитесь, что скорость потока может обрабатывать ожидаемое максимальное напряжение выходного напряжения на самой высокой частоте.
  • Шум входного напряжения: Амперы с низким уровнем шума (например, LME49720, OPA1611) имеют плотность шума ниже 1 нВ/Гц и необходимы для сигналов милливольтного уровня от датчиков или микрофонов.
  • Выходная мощность тока: Если не используется внешняя энергетическая ступень, усилитель оптики должен обеспечивать полный ток нагрузки. Многие усилители аудиоопса могут обеспечивать 20–50 мА, но для более высоких токов необходима ступень бустера.
  • Диапазон напряжения питания: Напряжение питания усилителя оптики должно соответствовать желаемому качению выходного сигнала. Поставки сплита (например, ±15 В) являются общими в небольших сигнальных цепях для обработки биполярных сигналов без смещения dc.
  • Напряжение впускного сдвига и ток смещения: Низкое смещение и низкий уклон имеют решающее значение для точного усиления. Для источников с высоким сопротивлением (например, фотодиодов) предпочтительны FET-входные операционные усилители с токами пикоампа.

Многие производители предоставляют исчерпывающие руководства по выбору и примечания к приложениям. Например, примечание Texas Instruments «Op Amps for Everyone» (ссылка [1]) и приложение Analog Devices «Small Signal Amplifier Design» [2] являются отличными ресурсами.

Практические архитектуры окружности

Напряжение последователя с увеличенным выходом

Простейшим активным усилителем мощности для малых сигналов является усилитель напряжения (буфер), обеспечивающий усиление единства, но высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс. Для увеличения токового привода на выходе усилителя NPN (Q1) размещается в конфигурации общего коллектора. Выход усилителя op приводит в действие основание Q1, а излучатель доставляет ток нагрузки. Резистор от излучателя к земле задает покоящийся ток. Для двунаправленных сигналов (как положительных, так и отрицательных) используется дополнительная пара толкателей (NPN и PNP). Эта топология широко используется в усилителях аудионаушников и драйверах датчиков, где требуется минимальное искажение.

Неинвертирующий усилитель с Push-Pull Stage

Для получения большей, чем единица, конфигурации неинвертирующего усилителя оперирования, сочетайте выходной сигнал с выходным сигналом отжима класса AB. Выходной сигнал усилителя оперирования смещает основания комплементарной пары через два смещающихся диода (или множителя Vbe). Общий коэффициент усиления замкнутого цикла остается определяемым сетью обратной связи усилителя оперирования, в то время как этап отжима отжима обеспечивает высокий ток. Эта архитектура обеспечивает отличную линейность, поскольку высокий коэффициент усиления усилителя оперирования корректирует любые нелинейности, введенные парой транзисторов. Типичная реализация использует один конденсатор 100 pF через резистор обратной связи для обеспечения стабильности, и выходной резистор 10 Ω для изоляции. Конструкция проста и может быть найдена во многих примечаниях приложения усилителя звука [3].

Дифференциальный вход для сбалансированных сигналов

Многие небольшие источники сигнала по своей природе сбалансированы (например, микрофоны XLR, датчики скрученной пары). Дифференциальный усилитель с использованием усилителя op обеспечивает отторжение в обычном режиме, отбрасывая шум, подхваченный на обеих линиях. Прирост устанавливается соотношением резистора обратной связи к входному резистору (для каждой половины). Необходимо точное соответствие резистора; Выбранный усилитель op должен иметь высокое отношение отторжения в обычном режиме (CMRR) и низкое смещение входного сигнала. Для приложений, требующих очень высокого импеданса ввода, усилитель приборов (например, AD620) может быть построен из трех усилителей op, или может использоваться один чип.

Передовые методы проектирования

Сетевой дизайн обратной связи

Помимо простой резистивной обратной связи, сеть обратной связи может включать в себя конденсаторы для формирования частотной реакции или для реализации активных фильтров. Для небольших усилителей сигнала небольшой конденсатор параллельно с резистором обратной связи создает фильтр низкого прохода, который ослабляет высокочастотный шум. Частота отсечения f c = 1/(2π Rf C). Следует соблюдать осторожность, чтобы избежать уменьшения полосы пропускания ниже диапазона сигнала. Аналогично, сеть последовательного RC от выхода к земле может компенсировать емкостную нагрузку, обеспечивая высокочастотный обходной путь.

Термический менеджмент

Даже небольшие усилители сигнала могут перегреваться, если выходная стадия рассеивает значительную мощность. Квиксентное смещение в работе класса AB производит постоянное потребление энергии, что в сочетании с мощностью нагрузки повышает температуры перехода. Тепловики должны быть размером, чтобы температура перехода выходного транзистора была ниже рейтинга производителя (обычно 150°C). Тепловые сквозняки ПХБ могут помочь передавать тепло в медные плоскости. Использование инструмента теплового моделирования или следование рекомендациям из таблицы данных транзистора обеспечивает надежность. Для подробной методологии теплового проектирования обратитесь к примечаниям приложений от поставщиков компонентов.

Охранные цепи

Усилители малых сигналов уязвимы к перегрузке, перенапряжению и электростатическому разряду (ESD). Простые защиты включают резисторы вывода серии (ограниченный ток), зажимные диоды к рельсам питания (переходные потоки) и диоды Зенера для ограничения напряжения на чувствительных входах усилителя оптики. В конструкциях, где нагрузка может быть короткозамкнутой, резистор ограничения тока или выделенная схема ограничения тока с использованием транзистора может предотвратить разрушение. Многие высокопроизводительные усилители опции включают встроенную защиту короткого замыкания, но внешняя схема по-прежнему рекомендуется для прочности.

Тестирование и оптимизация

Тестирование малых сигналов

Перед подключением силовой нагрузки протестируйте усилитель с низкоуровневой синусоидальной волной от генератора сигнала. Используйте осциллограф для наблюдения выходной формы волны; ищите признаки искажения (клиппинг, кроссоверные артефакты) и измерьте коэффициент усиления. Проверьте, что полоса пропускания соответствует расчетным расчетам, проведя расчет входной частоты. Анализатор спектра может обнаружить гармоническое искажение; суммарное гармоническое искажение (ТГД) должно быть значительно ниже 0,1% для большинства небольших приложений сигнала. Если появляется искажение, отрегулируйте ток смещения на выходной стадии или увеличьте компенсацию конденсатора обратной связи.

Испытание нагрузки

После проверки линейности с малыми сигналами подключите намеченную нагрузку (например, динамик 8 Ом или кабель 50 Ом). Проведите мониторинг качения напряжения и тока. Измерьте температуру выходных транзисторов с помощью тепловой камеры или термопары. Если устройство перегревается, уменьшите похолодание или увеличьте погружение тепла. Также проверьте на колебания: небольшой конденсатор (100 пФ) от выхода к земле или ферритовая бусина на выходном проводе может подавлять высокочастотное звонение.

Измерение шума

Усилители малых сигналов часто работают в шумных средах. Для измерения выходного шумового пола, короткого входа в землю (через резистор, равный импедансу источника) и измерения выходного напряжения RMS с помощью вольтметра или осциллографа. Сравните результат с предполагаемым шумом из таблицы данных усилителя op. Если шум чрезмерный, рассмотрите возможность добавления фильтра низкого прохода на входе или переключения на усилитель с более низким шумом. Правильное экранирование корпуса и тщательная компоновка печатной платы - включая твердую плоскость земли, отдельные аналоговые и силовые основания и разъединение конденсаторов вблизи штифтов усилителя op - необходимы для минимизации внешних помех.

Заключение

Проектирование активных схем усилителя мощности с операционными усилителями для приложений с малым сигналом является полезным процессом, который сочетает в себе фундаментальную аналоговую теорию с практической инженерией. Тщательно выбирая усилитель оптики, настраивая сеть обратной связи, добавляя соответствующую стадию вывода и устраняя требования к стабильности, тепловой и защите, инженеры могут создавать усилители, которые обеспечивают чистое, низкое искажение усиления для широкого спектра систем. Принципы, изложенные в этой статье - конфигурация усиления, соответствие импедансу, управление полосой пропускания и тестирование - обеспечивают прочную основу как для образовательных проектов, так и для профессиональных проектов. При правильном подходе активный усилитель мощности на основе оп-ампера может удовлетворить самые требовательные требования к малому сигналу.

-

Ссылки

  1. Texas Instruments, «Op Amps for Everyone», 4-е издание, 2018. https://www.ti.com/lit/an/slod006b/slod006b.pdf
  2. Аналоговые устройства, «Конструкция усилителя малых сигналов», примечание приложения AN-1020. https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/AN-1020.pdf
  3. ON Semiconductor, “A Simple Audio Amplifier Using Op Amps and Transistors”, Application Note AND8023. https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8023-D.PDF