Компенсационная обратная связь уменьшает искажения операционного усилителя

В новых операционных усилителях, оптимизированных для высококачественных аудио- и ультразвуковых приложений, чрезвычайно низкие общие гармонические искажения плюс шум (THD+N), достигающие –130 дБ, сочетаются с большими выходными напряжениями при тяжелых нагрузках 600 Ом. Можно было бы подумать, что эти усилители являются универсальными строительными блоками.

LED-драйверы MEAN WELL – выбор больше, стоимость ниже

В реальной жизни все немного сложнее. Например, входная емкость операционного усилителя нелинейно зависит от входного напряжения. Соответствующий входной ток создаст нелинейное падение напряжения на внутреннем импедансе источника сигнала [1]. Возьмем спектр искажений буфера с единичным усилением на основе микросхемы LME49710 (Рисунок 1, кривая а). Источником сигнала является генератор синусоидального сигнала с выходным напряжением 5 В с.к.з. и выходным сопротивлением 1 МОм.

Эти спектры выходного сигнала повторителя с единичным усилением на основе LME49710
Рисунок 1. Эти спектры выходного сигнала повторителя с единичным усилением на основе LME49710
иллюстрируют искажения при отсутствии обратной связи, входном сигнале 5 В с.к.з. и
выходном сопротивлении источника сигнала, равном 1 МОм (а), а также искажения в схеме
на Рисунке 2 при таком же входном сигнале (б) и остаточный шум генератора синусоидального
сигнала (в). Для удобства восприятия каждый последующий спектр смещен на +200 Гц и –10 дБ.
Более высокие уровни шума для кривых (а) и (б) обусловлены тепловым шумом
сопротивления источника 1 МОм.

Эти ошибки можно уменьшить различными методами, включая инвертирующий режим работы, смещение по постоянному току, уменьшение размаха сигнала, правильный выбор операционного усилителя и компенсацию входного импеданса [1]. Согласование полных импедансов со стороны инвертирующего и неинвертирующего входов операционного усилителя обеспечивает одинаковые искажения на обоих входах, в результате чего искажения компенсируются.

Однако для некоторых приложений обработки сигналов требуется входной интерфейс, поведение которого не зависит от импеданса источника. Примерами могут служить системы сбора данных, такие как осциллографы, дискретизаторы и другие устройства, которые могут быть подключены к источнику с высоким (более 50 кОм) или неизвестным выходным сопротивлением.

Другое традиционное решение для устранения ошибки, обусловленной импедансом источника, основано на уменьшении входной емкости с помощью компенсационной обратной связи к входам устройства [2], к подложке [3] и/или к шинам питания [4]. Обратная связь, основываясь на своем чувствительном узле, может уменьшить входную емкость, ускорить операционный усилитель и сместить доминирующий полюс в сторону более высоких частот, или же она может позволить работать с более высокими напряжениями.

За счет подключения к выходу дополнительного повторителя U2 двух RC-цепей обратной связи (R3-C9 и R4-C10) к шинам питания операционного усилителя U1, схема на Рисунке 2 обеспечивает высокий входной импеданс и незначительную погрешность, обусловленную импедансом источника. Спектр искажений этой схемы с сопротивлением источника 1 МОм (генератор сигналов, включенный последовательно с R1) и нагрузкой 50 Ом значительно улучшается (Рисунок 1, кривая б). Третья гармоника вносится генератором (Рисунок 1, кривая в). Компоненты C1, C2 и R9 обеспечивают устойчивость петли обратной связи.

Использование схемы, включающей составной буфер с единичным усилением и цепь компенсационной обратной связи к шинам питания значительно улучшает характеристики искажения устройства.
Рисунок 2. Использование схемы, включающей составной буфер с единичным усилением и цепь компенсационной
обратной связи к шинам питания значительно улучшает характеристики искажения устройства.

Кроме того, составной буфер на Рисунке 2 полностью устраняет ошибки, связанные с рассеиванием мощности на входе операционного усилителя [1]. Конденсаторы C9 и C10 можно заменить регулируемыми параллельными стабилизаторами, а резисторы R3 и R4 – источниками тока или повторителями. В этом случае схема будет иметь большое входное сопротивление и на постоянном токе.

На Рисунке 3 показано, как можно изменить схему, чтобы использовать усилитель с коэффициентом усиления больше единицы. Повторитель U2 обеспечивает достаточный ток, необходимый цепи обратной связи R3-R4-C9-C10. Входная емкость усилителя U2 и резистор R7 вносят фазовую задержку в петлю обратной связи.

При небольших изменениях схемы принцип компенсационной обратной связи применим и для усилителя с коэффициентом усиления больше единицы.
Рисунок 3. При небольших изменениях схемы принцип компенсационной обратной связи применим
и для усилителя с коэффициентом усиления больше единицы.
  1. Datasheet Texas Instruments LME49710
  2. Datasheet Texas Instruments LMH6321
  3. Datasheet NXP BAV199

ООО «Мегател», ИНН 3666086782, ОГРН 1033600037020

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 350
сейчас смотрят 17
представлено поставщиков 1570
загружено
позиций
25 067 862