Table of Contents

Введение: Закон о балансировке в современном дизайне схем

Спрос на электронные системы, обеспечивающие высокую производительность при потреблении минимальной мощности, никогда не был больше. От носимых мониторов здоровья до удаленных датчиков IoT и сложных аудиоусилителей дизайнеры сталкиваются с постоянной проблемой: как добиться значительного увеличения напряжения без разрядки батареи или генерации избыточного тепла. Обратная связь выступает в качестве одного из самых мощных и универсальных инструментов в арсенале аналогового дизайнера, предлагая путь для согласования этих противоречивых требований. Благодаря интеллектуальной маршрутизации части выходного сигнала обратно на вход, обратная связь преобразует поведение усилителей, позволяя получать уровни, которые намного превышают сырые возможности отдельных транзисторов, одновременно стабилизируя производительность и уменьшая потери мощности. В этой статье исследуется тонкая роль обратной связи в достижении высоковольтного усиления с низким энергопотреблением, подробно описываются основные принципы, практические методы проектирования и реальные приложения, которые делают обратную связь незаменимой в современной электронике.

Основы обратной связи в электронных схемах

По своей сути обратная связь представляет собой процесс, в котором часть выходного сигнала схемы отбирается и возвращается на вход. Этот возвращенный сигнал сочетается с внешним входом, либо добавляя к нему (положительная обратная связь), либо вычитая из него (отрицательная обратная связь). Поведение всей системы замкнутого цикла принципиально отличается от поведения только усилителя открытого цикла. Понимание этого различия имеет решающее значение для использования обратной связи для достижения целей усиления и мощности.

Отрицательная обратная связь против положительной

Отрицательная обратная связь — доминирующая техника, используемая в линейном усилении и обработке сигналов.Вычитая часть выхода из входа, схема автоматически корректирует отклонения, приводя к уменьшению искажений, более широкой полосе пропускания и десенсибилизации до допусков компонентов. Положительная обратная связь, напротив, усиливает входной сигнал и обычно используется в осцилляторах, компараторах и регенеративных схемах.Для усиления стабилизации и эффективности отрицательная обратная связь является методом выбора.

Концепт обратной связи

Контур обратной связи состоит из трех существенных частей: стадии переднего усиления (обычно операционного усилителя или дискретной стадии транзистора), сети обратной связи (обычно резистивного делителя) и суммарного соединения, где сигнал обратной связи сочетается с входом. Прирост замкнутого цикла выражается как A OL / (1 + бета * A OL), где A OL является коэффициентом усиления открытого цикла, а бета - фактором обратной связи. Термин (1 + бета * A OL) известен как усиление контура, и его величина диктует, насколько изменяется поведение цепи. На практике высокий коэффициент усиления контура означает, что производительность замкнутого цикла почти полностью зависит от сети обратной связи, которая может быть построена из пассивных компонентов с отличной точностью и температурной стабильностью.

Как обратная связь обеспечивает высокую прибыль

Одним из наиболее нелогичных аспектов обратной связи является то, что она может фактически увеличить полезное усиление схемы за пределами того, что могут обеспечить только активные устройства.В то время как необработанный прирост открытого цикла транзисторной стадии может быть ограничен несколькими сотнями, обратная связь позволяет разработчикам достигать стабильного усиления в тысячи или более с помощью многоступенчатых топологий.

Улучшение через обратную связь

В хорошо спроектированной системе обратной связи усиление замкнутого цикла устанавливается почти полностью сетью обратной связи. Например, неинвертирующий усилитель с отношением резистора обратной связи 100 обеспечивает усиление замкнутого цикла 101, независимо от того, является ли усиление открытого цикла операционного усилителя 10 000 или 100 000. Эта десенсибилизация означает, что дизайнер может использовать внутренние стадии с высокой долей мощности и низкой мощностью, полагаясь на обратную связь, чтобы точно установить общий выигрыш. Прирост открытого цикла должен быть достаточно высоким, чтобы сделать увеличение контура большим, поэтому современные операционные усилители достигают усиления открытого цикла порядка 100 дБ или более, потребляя только микроамперы покоящегося тока.

Стабильность и снижение искажений

Искажение в усилителях возникает из-за нелинейности в активных устройствах. Обратная связь уменьшает гармоническое искажение фактором, равным коэффициенту усиления петли. Например, если общее гармоническое искажение с открытым контуром составляет 1 процент, а усиление петли составляет 100, искажение с замкнутым контуром падает до 0,01 процента. Это резкое улучшение позволяет проектировщикам работать с транзисторами в более низких мощностях, более нелинейных областях (например, вблизи отсечки) и все еще достигать чистого усиления. Результатом является схема, которая может обеспечить высокий прирост при уменьшенном потреблении энергии по сравнению с линеаризованной конструкцией с открытым контуром, которая потребует более высоких токов смещения.

Расширение полосы пропускания

Обратная связь также расширяет полезную полосу пропускания усилителя. Продукт усиления-ширины примерно постоянен для многих топологий усилителя. Если обратная связь уменьшает усиление в 10 раз, пропускная способность увеличивается в 10 раз. Это свойство позволяет переходить на маломощные, умеренно-широкие ступени усиления в широкополосные блоки усиления. Для приложений, требующих как высокого усиления, так и широкой полосы пропускания, таких как усиление видео или высокоскоростное получение данных, обратная связь незаменима.

Для более глубокого погружения в компромиссы между коэффициентами усиления и пропускной способности обратитесь к этой технической статье из Analog Devices об отрицательной обратной связи в операционных усилителях .

Достижение низкого энергопотребления с обратной связью

В энергопотреблении усилителей преобладает ток смещения, протекающий через выходную стадию, и покойный ток активных устройств. Механизмы обратной связи могут значительно уменьшить оба, обеспечивая высокий прирост без пропорционального увеличения потребляемой мощности.

Пределы текущей оптимизации

В усилителе класса А ток смещения должен быть установлен достаточно высоко, чтобы приспособить ожидаемый качание сигнала при сохранении выходного устройства в его линейной области. Без обратной связи конструктор должен установить предвзятость консервативно, чтобы учесть изменения компонентов и температурный дрейф. Обратная связь ослабляет это требование, непрерывно регулируя рабочую точку для компенсации изменений. Это позволяет установить смещения ближе к теоретическому минимуму, снижая энергопотребление. Такие методы, как дегенерация излучателя в биполярных транзисторах или дегенерация источника в FET, которые являются формами локальной обратной связи, дополнительно линеаризуют стадию, не требуя дополнительного тока смещения.

Класс АВ и эффективность обратной связи

Выходные ступени класса-AB, широко используемые в аудиоусилителях и драйверах наушников, по своей сути предлагают более высокую эффективность, чем класс-А, но страдают от перекрёстного искажения. Обратная связь используется для подавления этого искажения, позволяя выходной стадии работать при более низких покоящихся токах. Контур обратной связи корректирует нелинейность в точке нулевого скрещивания, позволяя усилителю обеспечивать высокий прирост при значительно сниженном рассеивании мощности. Это классический компромисс: контур обратной связи потребляет некоторую мощность сам по себе, но чистая экономия на выходной стадии существенна.

Адаптивное предубеждение с обратной связью

Современные интегральные схемы используют адаптивные схемы смещения, где ток смещения динамически регулируется на основе уровня сигнала. Контур обратной связи контролирует выходной сигнал и увеличивает смещенность только при наличии больших колебаний сигнала. На низких уровнях сигнала смещенность сводится к минимуму, сохраняя мощность. Эти методы, известные как работа класса G или класса H, полностью полагаются на обратную связь для регулирования напряжения питания или тока смещения в реальном времени.

Ключевые соображения дизайна для схем обратной связи

Проектирование схем обратной связи для высокой прибыли и низкой мощности требует тщательного внимания к выбору компонентов, выбору топологии и компенсации стабильности.Сверхуглядность этих факторов может привести к колебаниям, плохой переходной реакции или чрезмерному потреблению энергии в самой сети обратной связи.

Выбор правильной топологии обратной связи

Существуют четыре базовые топологии обратной связи: серия напряжений, серия напряжений и серия токов. Каждая из них оказывает различное влияние на входное и выходное импедансы, которые, в свою очередь, влияют на энергопотребление. Для приложений усиления напряжения обратная связь серии напряжений наиболее распространена, поскольку обеспечивает высокое входное импедансное напряжение и низкое выходное импеданс. Отзывы о напряжённости предлагают более низкое входное импедансное напряжение, которое может быть полезным для преобразователей тока в напряжение, но может загружать источник и увеличивать мощность. Выбор топологии должен соответствовать требованиям к источнику и нагрузке, чтобы минимизировать ненужные потери мощности.

Выбор компонентов и толерантность

Сама сеть обратной связи потребляет мощность, особенно если для снижения шума используются значения низкого сопротивления. В конструкциях с малой мощностью резисторы обратной связи должны выбираться достаточно высокими, чтобы минимизировать статический ток через делитель, но не настолько высокими, чтобы шум или паразитная емкость ухудшали производительность. При установлении коэффициентов усиления важно точное соответствие резисторов, поскольку несоответствия непосредственно снижают точность усиления. Для конструкций с ультранизким энергопотреблением могут использоваться тонкопленочные резисторы или методы переключаемого резистора.

Полезная ссылка на выбор компонентов в сетях обратной связи доступна из примечания приложения Texas Instruments о выборе резисторов обратной связи для маломощных операционных усилителей .

Анализ стабильности и компенсация

Замыкания обратной связи могут колебаться, если сдвиг фазы вокруг петли приближается к 180 градусам на частотах, где коэффициент усиления больше единицы. Методы компенсации устойчивости, такие как компенсация доминирующего полюса или компенсация Миллера, намеренно уменьшают коэффициент усиления открытого цикла на высоких частотах, чтобы обеспечить достаточный запас фазы. Компенсационная сеть часто потребляет дополнительную мощность, но тщательная конструкция может минимизировать эти накладные расходы. В конструкциях с низким энергопотреблением значения конденсатора должны быть малыми, чтобы избежать больших токов зарядки, и схема компенсации должна быть адаптирована к конкретным условиям усиления и нагрузки.

Передовые методы обратной связи для получения прибыли и эффективности

Помимо основных топологий, были разработаны несколько передовых методов обратной связи, чтобы раздвинуть границы прибыли и энергоэффективности.

Обратная связь серии Voltage в деталях

Отзывы серии напряжения являются рабочей лошадкой конструкции усилителя с высокой мощностью. В этой конфигурации сеть обратной связи подключается от выхода к инвертирующим входам, а входной сигнал подается на неинвертирующий вход. Прирост замкнутого цикла составляет (1 + R f/R g), предлагая отличную точность. Поскольку сеть обратной связи извлекает ток из выхода, тщательная конструкция гарантирует, что этот ток не добавляет чрезмерной нагрузки. Для усиления 1000, используя R f = 1 MΩ и R g = 1 kΩ, ток обратной связи на выходе 1 V составляет всего 1 μA, что незначительно во многих приложениях. Эта топология также обеспечивает отличный отказ от питания, уменьшая потребность в регулируемых источниках, которые отнимают энергию.

Текущие усилители обратной связи

Усилители обратной связи тока (УСВ) используют другую архитектуру, где сигнал обратной связи является током, а не напряжением. Это обеспечивает значительное преимущество в скорости разряда и пропускной способности, поскольку внутренние узлы не нуждаются в зарядке больших емкостей. УСВ могут обеспечивать высокий коэффициент усиления при более низком токе покоя, чем обычные оп-ампы обратной связи напряжения на очень высоких частотах. Однако сеть обратной связи должна быть спроектирована с осторожностью, поскольку коэффициент усиления устанавливается соотношением резистора обратной связи к входному резистору, а резистор обратной связи должен поддерживаться в определенном диапазоне для поддержания стабильности. Для высокоскоростных, маломощных приложений часто оптимальным выбором являются КФА.

Активная обратная связь и Feedforward

В некоторых высокоточных конструкциях пассивные сети обратной связи заменяются активными элементами, такими как дополнительные усилители или стадии транспроводимости. Активная обратная связь может обеспечить очень высокий коэффициент усиления без теплового шума больших резисторов, что позволяет еще меньше потреблять мощность. Компенсация в виде подачи вперед, когда небольшая часть входа отправляется непосредственно на выходной путь, может улучшить стабильность без ущерба для усиления. Эти передовые методы распространены в высокопроизводительных аудио- и приборных усилителях, где одновременно должны быть оптимизированы как коэффициент усиления, так и искажение.

Для всестороннего обзора текущей конструкции усилителя обратной связи статья EDN о текущих усилителях обратной связи предлагает практическое руководство.

Практическое применение в современной электронике

Принципы обратной связи для высокой прибыли и низкой мощности проявляются в широком спектре реальных продуктов.

Портативные аудио усилители

Усилители наушников в смартфонах и портативных DAC должны обеспечивать высокий коэффициент усиления для привода наушников с низким сопротивлением при извлечении менее нескольких миллиамперов из батареи. Обратная связь используется для точного определения коэффициента усиления, снижения искажения до уровня ниже 0,001 процента и поддержания плоской частотной реакции. Усилители наушников класса AB с отрицательной обратной связью достигают этого баланса, работая на выходной стадии при минимальном токе смещения и полагаясь на цикл для коррекции нелинейности. Некоторые конструкции используют несколько циклов обратной связи, один для общего усиления, а другой для управления смещением постоянного тока, без значительного увеличения энергопотребления.

Схемы интерфейса сенсора

В IoT-датчиках, таких как термопарные усилители или фотодиодные усилители трансимпеданса, сигнал от датчика часто очень мал (микровольты до милливольт) и требует высокого усиления перед аналого-цифровым преобразованием. Усилители обратной связи используются для повышения сигнала до полезного уровня при отказе от шума и потреблении минимальной мощности. Многие из этих схем работают от одного источника 1,8 В или 3,3 В и вытягивают всего несколько микроампер. Сеть обратной связи обычно построена из высокоценных резисторов для ограничения покоящегося тока. Точность имеет решающее значение, так как соотношение обратной связи непосредственно определяет точность измерения.

Биомедицинские приборы

Усилители электрокардиограммы (ЭКГ) и электроэнцефалограммы (ЭЭГ) требуют чрезвычайно высокого усиления (часто 60-100 дБ) и очень низкого шума при работе от батареи для безопасности пациента. Обратная связь необходима для установки усиления, фильтрации смещение постоянного тока от потенциалов электродов и поддержания высокого отклонения в общем режиме. Усилители, стабилизированные на вертолете, используют обратную связь для снятия напряжения смещения, позволяя фронтальной стадии работать при очень низких токах смещения. Расход мощности типичного фронтального усилителя ЭКГ составляет порядка 100 мкВт, что было бы невозможно без передовых методов обратной связи.

Новые тенденции в дизайне с улучшенной обратной связью с низким энергопотреблением

По мере развития технологий и приложений продолжают появляться новые стратегии обратной связи.

Адаптивная и цифровая обратная связь

Цифровые петли обратной связи, реализованные с помощью микроконтроллеров малой мощности или выделенных цифровых сигнальных процессоров, могут динамически регулировать сеть обратной связи в реальном времени. Например, цифровой потенциометр в пути обратной связи позволяет изменять коэффициент усиления на основе уровня сигнала или условий окружающей среды, динамически оптимизируя энергопотребление. Адаптивные схемы смещения, использующие обратную связь для мониторинга качения выходного сигнала и регулировки тока смещения, становятся обычными в аудио и сенсорных интерфейсах. Эти системы могут снижать среднюю мощность на порядок по сравнению с конструкциями с фиксированными отклонениями.

Низковольтный дизайн с низким энергопотреблением

При напряжении питания, опускающемся ниже 1 В в продвинутых процессах CMOS, поддержание высокого коэффициента усиления становится сложной задачей, поскольку имеющийся запасной план ограничивает количество ступеней усилителя, которые могут быть сложены. Методы обратной связи адаптируются для работы при поставках под-1 В. Усилители с регулировкой на ширину, транзисторы с плавающими воротами и работа подпорогов все полагаются на обратную связь для линеаризации ответа и достижения полезного усиления. Компромисс между коэффициентом усиления и потреблением энергии особенно сложен в этих режимах, и обратная связь является основным инструментом для управления ею.

Для дальнейшего чтения о конструкции усилителя обратной связи низкого напряжения см. этот ScienceDirect обзор методов усилителя низкого напряжения .

Заключение

Обратная связь — это гораздо больше, чем простой корректирующий механизм в электронных схемах. Это основополагающий принцип проектирования, который позволяет инженерам преодолевать присущие им ограничения активных устройств, достигая высоковольтного усиления с удивительно низким энергопотреблением. Тщательно выбирая топологию обратной связи, значения компонентов и стратегию компенсации, дизайнеры могут создавать усилители, которые являются точными, стабильными и эффективными. Приложения охватывают от повседневной потребительской электроники до критических медицинских и промышленных систем, где сильный сигнал должен быть извлечен из слабого источника, не истощая энергетический бюджет. По мере того, как продолжается толчок для еще более низкой мощности и более высокой производительности, методы обратной связи будут развиваться, включая цифровой контроль и адаптивные алгоритмы, чтобы раздвинуть границы того, что возможно. Освоение искусства обратной связи имеет важное значение для любого инженера, сосредоточенного на создании следующего поколения энергоэффективных высокопроизводительных электронных систем.