|
Про ООС и операционные усилители
|
|
| Symmcat | Дата: Вторник, 17.06.2014, 13:58 | Сообщение # 1 |
|
Jack of all trades
Группа: Администраторы
Сообщений: 61
Статус: Offline
| Введение.
Самый, наверное, сильно волнующий начинающих радиолюбителей вопрос - какие ОУ поставить. Даже не так: "список хороших ОУ" будет точнее. На любом звукотехническом форуме обязательно должна быть такая тема. Попробую на пальцах рассказать что это и с чем его едят.
Оглавление.
1. О чем речь
2. Питание и земля
3. Прочая обвязка
4. Назначение
5. Примеры
Продолжение последует, если будут вопросы.
|
| |
| |
| Symmcat | Дата: Вторник, 17.06.2014, 17:06 | Сообщение # 2 |
|
Jack of all trades
Группа: Администраторы
Сообщений: 61
Статус: Offline
| 1. О чем речь.
Операционный усилитель на пальцах - это некий черный ящик с двумя входами и одним выходом. Причем напряжение на выходе изменяется прямо пропорционально одному из входов ("неинвертирующему") и обратно пропорционально второму ("инвертирующему"). И делает он это до тех пор, пока напряжения на входах не сравняются. Логично, что если связи между выходом и инвертирующим входом нет - то сигнал на выходе будет расти пока не достигнет максимума и/или ОУ не сгорит нафиг. Вот эта связь и называется отрицательной обратной связью, сокращенно ООС. Благодаря ей форма сигнала на выходе повторяет форму разностного сигнала между входами. Отношение уровней сигналов при этом можно в широких пределах регулировать обычным резистивным делителем напряжения в цепи обратной связи.
Самое-же замечательное её свойство, что ООС способна исправлять ошибки охваченных ей каскадов - и тем лучше, чем глубже ООС. В случае ОУ с обратной связью по напряжению глубина её на конкретной частоте обеспечивается избыточным собственным усилением ОУ на этой частоте до охвата петлей ООС (для ОУ с токовой обратной связью тоже, но поскольку связь по току, то аналогичная величина называется проводимость или трансимпеданс). Грубо говоря, именно этой разницей между собственным и внешним усилениями и давятся искажения мощного выходного каскада. Отсюда, в частности, вытекает, что чем больше будет усиление, заданное внешней цепью ООС, тем меньше будет глубина ООС, а значит и выше искажения.
Еще более информативный параметр - произведение усиления на некой частоте на эту частоту (gain bandwidth product, или просто gain bandwidth, GBw), ибо частота сигнала ошибки ООС выше, чем у полезного сигнала. Но с этим связано и неудобство - требование на низкий импеданс шин питания во всей полосе действия ООС. Особенно заметным оно становится, если вспомнить, что многие каскады внутри ОУ охвачены своей местной ООС, которая на порядок а то и два быстрее.
|
| |
| |
| Symmcat | Дата: Среда, 18.06.2014, 09:59 | Сообщение # 3 |
|
Jack of all trades
Группа: Администраторы
Сообщений: 61
Статус: Offline
| 2. Питание и земля.
То, о чем забывает многие юные и не очень радиолюбители, что электрический сигнал всегда течет между двумя точками и потому должен куда-то возвращаться. В случае дифференциального усилителя (FDA) - это второй выход, а в случае классического операционника - земля нагрузки. Дальше ток пойдет двумя путями:
Первый - собственно нагрузка, через блокировочные конденсаторы, источник питания - и терминалы питания ОУ. Фактически, любой операционный усилитель это очень (или не очень) быстрый регулятор напряжения.
Второй - сигнал управления ООС, должен через цепи ООС попадать в один из входов ОУ. Но на его пути не должно быть никаких помех, иначе ООС посчитает их входным сигналом и добросовестно ретранслирует на выход (инвертировав предварительно). Один из способов - просто вытащить сигнальную землю от места подключения нагрузки отдельной дорожкой, в этом случае вся остальная земля внезапно окажется внутри петли ООС и помехи на ней влиять на сигнал не будут.
А теперь грабли:
Конденсаторы в сигнале. Да, действительно, в зависимости от смещения транзисторов выходного каскада ОУ сигнал проходит через блокировочные конденсаторы, об этом не говорил только ленивый. И да, линейность этих конденсаторов чаще всего далека от идеальной и они вносят искажения в сигнал. Но! Это все тот-же сигнал выхода, и он охвачен все той-же петлей ООС, которая эти искажения активно исправляет (собственно, PSRR операционников в большей степени обусловлен ООС и повторяет форму графика петлевого усиления). Другое дело, что на это тратится запас линейности и если совсем расслабиться, его может и не хватить.
Пассивные элементы в шинах питания. Развязывающие резисторы, бусины и индуктивности, в том числе проводников. Включенные последовательно, они пропускают через себя сигнал, который почему-то не пошел через блокировочные конденсаторы. Не пойти он мог только по одной причине - импеданс конденсаторов на этой частоте выше, чем сумма импедансов источника питания и развязок. С резисторами все понятно, они работают в очень широкой полосе и равномерно снижают добротность шины питания. А вот импеданс бусин и индуктивностей нелинеен и повышается на ВЧ. В сочетании с ВЧ конденсаторами индуктивность образует, как в школьном учебнике, колебательный контур. И как только в него заносит сигнал на частоте его резонанса контур начинает колебаться. Все это летит в питание, ООС бросает все силы на подавление этих искажений, на выходе мусор, ничего не работает, все в печали.
С бусинами чуть проще из-за низкой добротности, но верный вариант только один - анализировать получившиеся контуры и либо рассчитывать их на гораздо более высокие частоты, чем полосы всех обратных связей ОУ - то-есть либо минимизировать индуктивность линий питания, либо давить их снабберными цепочками, в роли которых могут выступать как правильно подобранный тантал-электролит (ибо емкость снаббера должна быть более чем на порядок выше) так и все те-же банальные резисторы - последовательные (там, где это позволяет импеданс нагрузки), или параллельные (где энергопотребление не является проблемой).
Активные элементы в шинах питания. Стабилизаторы, они самые.Очень распространенная ошибка современных вполне грамотных инженеров - взять современный стабилизатор, достаточно быстрый для установки на выход керамических конденсаторов (то-есть прибор с ООС, с полосой 1-10МГц примерно), и придвинуть его этими конденсаторами вплотную к хорошо нагруженному ОУ. Рассчет прост. Пусть для прибора с ООС выход - это одновременно и вход (за счет той самой петли ООС), но до мегагерца низкий импеданс обеспечивает стаб, выше - керамика. А если поставить керамику побольше, то вообще всем будет хорошо. Проблем здесь две: на радичастотах обязательно должен быть диссипативный элемент, простая разница импедансов не даст достаточно хорошего подавления, слежение будет срываться. С этим многие сталкивались после выхода серии ADP33xх, которые генерили у каждого второго. Другая - это столкновение двух широкополосных ООС, одна из которых исправляет сигнал, относительно питания, а вторая большую часть этого-же времени исправляет само питание. При большом перекрытии полосы на ВЧ получается куча интермодуляций и глубина ООС на НЧ тает с ростом ширины спектра полезного сигнала. Выходов несколько - использовать стабилизаторы на один-два порядка более медленные или наоборот более быстрые, на порядки снижать импеданс блокировок в области пересечения полос или отвязывать выход стабилизаторов от шин питания ОУ (например резистором, или скоростным буфером/электронным дросселем с малым фазовым набегом). Да, еще можно использовать стабилитроны, если их шум и КПД приемлемы, но с ними без НЧ блокировок точно не обойтись.
|
| |
| |
| Symmcat | Дата: Среда, 18.06.2014, 12:06 | Сообщение # 4 |
|
Jack of all trades
Группа: Администраторы
Сообщений: 61
Статус: Offline
| 3. Прочая обвязка
Цепь ООС в общем случае представляет собой делитель напряжения. Для случая повторителя вырождается в один элемент - резистор или просто проводник. Плюс могут присутствовать цепи коррекции ЧХ и подавления резонансов. И тут у каждого операционника свои требования. Скажем некоторые ОУ работают с сопротивлением в цепи ООС не менее 5кОм, а некоторые другие при таких номиналах срываются в генерацию. Некоторые горят без токоограничивающего резистора на выходе, а некоторым они нужны на каждом входе. ОУ с биполярным входом желательно симметрировать импедансы по входам, а у большинства FET резко падает линейность на синфазном сигнале. Токовая обратная связь накладывает ограничения на минимальный импеданс передаточного звена цепи ООС, поэтому прямо включенных конденсаторов там в общем случае быть не должно.
Коррекция. Самый простой способ сделать из медленного ОУ быстрый - изменить цепи внутренней коррекции, "раскорректировать" (на самом деле, обычно поступают наоборот, но это не важно в данном случае). Из таких пар можно вспомнить SA5532 и SA5533. Отрицательный момент в том, что ОУ становятся нестабильными при работе с усилением ниже некоторого порога. Это нужно иметь в виду.
Интересный момент заключается в работе раскоректированных усилителей - у многих есть выход для подключения внешнего конденсатора Миллеровской коррекции. У известной 5534 - это 8 нога. Так вот, в даташите конденсатор предлагают включать на выход усилителя напряжения (5 нога), но лучше на шестую, чтобы цепь местной ООС охватывала и выходной каскад, благо в данном случае запас по фазе позволяет. В других нужно смотреть по месту.
Из других способов коррекции можно вспомнить емкостную коррекцию в цепи обратной связи, коррекцию по входу конденсатором или R-C цепочкой и их разнообразные сочетания. Они сложнее, но дают очень хорошие результаты там, где важна линейность на синфазном сигнале, и не очень - шум.
Специфические особенности применения обусловленные особенностями построения каскадов конкретного ОУ.
Например в известном SA5534 входной каскад опирается напрямую на отрицательное питание. Поскольку это узел, который формирует ООС, но сам ей не охвачен подавление по отрицательному питанию гораздо ниже. Если вспомнить про то, что у дифкаскада при этом нет вообще никаких мер линеаризации (зато огромная площадь ООС 65МГц при очень низком напряжении шума) отрицательное PSRR не просто ниже положительного, а вообще никакое, особенно на ВЧ. Это нужно учитывать при проектировании цепей на этой микросхеме. Куда опирается входной каскад можно косвенно определить по графику PSRR: если один равномерно хуже - это оно.
Другая особенность связана с питанием усилителя напряжения. В той-же 5534 он завязан на оба питания одновременно, поэтому весь мусор появляющийся между терминалами питания ОУ лезет в сигнал. Усилитель напряжения находится в петле обратной связи, но близко к началу, поэтому действие ООС на него минимально.
Следующий случай - AD8065/8067. Это относительно недорогой операционный усилитель, вход которого должен работать с большим размахом напряжения. Сделать это на [прекрасном] полевом дифкаскаде с истоковыми резисторами нереально, поэтому инженеры "Аналога" просто скотчем прикрутили к нему еще один, биполярный, который вступает в работу тогда, когда не справляется основной. В результате на большом сигнале, где происходит их переключение, искажения внезапно взлетают в сотни раз.
В качестве еще одного примера можно привести ОУ с ТОС и построенные на их базе микросхемы вроде LM6171/7171 и LT1363 (буферизацией входов). Главная причина применения токовой ООС - очень высокое быстродействие, поэтому в них все каскады на большом сигнале работают с отсечкой по току, то-есть в крайне нелинейном режиме (иначе энергопотребление выросло-бы неимоверно). А для того, чтобы малые и медленные сигналы не терялись на фоне искажений - просто повышают ток покоя входного каскада. При этом входной каскад тех-же LM6171 сам по себе очень линеен, но только при скорости нарастания в разы ниже указанной в даташите.
Еще одна особенность той-же 6171 (как и многих других) - очень низкий ток покоя выходного каскада. На линейности это не сказывается, благодаря очень глубокой ООС и большой площади выходных транзисторов, но из-за этого нужно обеспечить очень низкий импеданс питания на ВЧ, иначе все переключательные помехи пойдут по кратчайшему пути - в питание входного каскада. При этом, кстати, для нагруженного по выходу ОУ линейность питания выше единиц процентов не нужна, пульсации тока потребления будут гораздо выше.
|
| |
| |
| Symmcat | Дата: Понедельник, 23.06.2014, 12:47 | Сообщение # 5 |
|
Jack of all trades
Группа: Администраторы
Сообщений: 61
Статус: Offline
| 4. Назначение.
Намеренно вспоминаю об этом только сейчас.
Предположим, что требования по питанию и формальной устойчивости для ОУ выполнены и корректность его функционирования определяется только входным и выходным сигналами. И вот тут нужно понимать, в какое место ставится ОУ. Применительно к аудиотехнике самые распространенные применения:
Преобразователь ток/напряжение на выходе микросхемы ЦАП.
Здесь важна линейная работа в звуковой полосе на большом сигнале, при наличии в спектре широкополосных помех достаточно большой амплитуды. То-есть линейность входного каскада, общая линейность на большом сигнале, запас по фазе на всей частоте выходного сигнала ЦАП (после фильтра, при его наличии). Обычно это ОУ с большими эмиттерными/истоковыми резисторами или параллельными перекошенными дифкаскадами, некоторые буферизованые ОУ с ТОС.
Для некоторых ЦАП (например AD1955, PCM1794, ES9018) важна также нагрузочная способность выхода. Если учесть, что линейный режим у ОУ обычно составляет не более 20% от допустимого тока КЗ, выбор заметно сокращается.
Активный фильтр.
Универсальное требование - большое собственное усиление и/или низкое выходное сопротивление до охвата ООС. Также, в зависимости от схемотехники должен:
Для Sallen-Key - хорошо работать повторителем/неинвертирующим усилителем в рабочей полосе фильтра.
Для MFB - требования как для стандартного инвертирующего усилителя, только рабочая полоса на два-три порядка шире, чем полоса пропускания фильтра (в зависимости от порядка и добротности фильтра/звена).
Вычитатель.
ОУ должен иметь хорошее подавление синфазного сигнала в рабочей полосе. Если вычитатель совмещен с фильтром, то рабочая полоса шире звуковой, но, в зависимости от подавления синфазной помехи первыми ступенями фильтра, CMRR не обязательно должно покрывать её всю.
Драйвер.
Кроме нагрузочной способности выхода, важны выходное сопротивление до охвата ООС и глубина обратной связи в рабочей полосе - в условиях работы выходного каскада в режиме с отсечкой тока потребления, искажения характеризуются именно ими (ну и эффективным импедансом блокировок питания на ВЧ). Естественно, если рабочая полоса шире звуковой (в случае отсутствия адекватного ФНЧ, например) важна линейность также и далеко за пределами 20кГц, иначе полезный сигнал потонет в разностных частотах.
Также в зависимости от включения может быть важно подавление по синфазному сигналу.
В любом случае драйверный каскад должен без проблем работать на умеренную емкостную нагрузку (тут обычно требуется изолирующий резистор/индуктивность и коррекция по входу или выходу) и очень желательно быть нечувствительным к помехам из эфира (лезут они обычно на резонансах кабеля, так-что R или R||L звена и снабберной цепи здесь обычно достаточно). Но линейные ОУ с мощным выходом могут оказаться довольно капризными в этом плане.
Это изолированные каскады, работы в составе композитных схем касаться не буду - лень про них никто не спрашивает.
Ну и все это на фоне общих для аудио требований: высокая линейность в звуковой полосе, низкие напряжение и (при высоких сопротивлениях в ООС) ток шума.
Из менее важных навскидку можно вспомнить низкие смещения.
В общих чертах требования к ОУ описаны. Потом дополню/уточню. В следующей части приведу таки несколько примеров хороших ОУ для некоторых применений и неплохих в целом.
|
| |
| |
| Symmcat | Дата: Вторник, 24.06.2014, 17:01 | Сообщение # 6 |
|
Jack of all trades
Группа: Администраторы
Сообщений: 61
Статус: Offline
| 5. Примеры
В общем и целом ничего особенно оригинального не будет, все это давно известно.
Один из хорошо подходящих ОУ для аудио - NE5534 (SA/SE/JRC/NJM5534, SSM2134, TDA1034) и её сдвоенная версия 5533. Хороший малошумящий усилитель, с отличной линейностью и мощным выходным каскадом. Она-же, но скомпенсированная для единичного усиления - 5532 (опять NE/SA/SE/JRC, NJM2114, еще что-то), проще в применении, хотя и заметно хуже по нагрузочной способности. На практике немного лучше оказываются прямые потомки NE5534 - LME49710 и так далее. Стабильные при единичном усилении при той-же площади ООС и с меньшим входным током , но с большим током шума и худшей линейностью на синфазном сигнале (только не надо смотреть на показатели искажений в даташите - там весьма специфический метод измерения).
Если не перегружать входной каскад ВЧ компонентами, использовать резисторы в ООС порядка килоома и не забывать про особенности применения, работают они прекрасно (что подтверждает добрая половина профессионального студийного оборудования). Использовать их лучше всего в инвертирующем включении, последнюю группу очень удобно применять в недифференциальных фильтрах высоких порядков. Что интересно, даже в преобразователях I/U с большой амплитудой тока 5534 могут оказаться очень неплохи благодаря очень мощному выходу - хоть какие-то изменения в линейности начинают становиться заметны только на большом сигнале и при сопротивлении нагрузки ниже килоома.
Из других ОУ с похожим в целом общим назначением, недостатками и достоинствами можно отметить LT1468/69 и их раскомпенсированные до Av=2 (-1) версии LT1468-2 и LT1469-2.
Для задач, в которых критичен низкий шум есть LT1028 и LT1115, но их имеет смысл применять только с очень малыми резисторами в обвязке, меньше килоома, и соответствующими требованиями к окружению.
LM6171/6172 и LM7171. Группа ОУ с очень хорошей нагрузочной способностью выхода (особенно у одиночных ОУ), очень линейным входным каскадом, но некоторыми особенностями применения. К тому, что уже написано в третьей части можно добавить заметно падающую скорость транзисторов входного каскада при малом напряжении питания (±5 вольт). Что особенно обидно, потому как при ±15 девайс с минимальными изменениями схемы можно успешно затолкать почти в любой аудио узел (даже такой "тяжелый", как послецаповый преобразователь ток/напряжение).
Похож по структуре LT1363 и его версии. Области применения также схожи. Из особенностей - несколько худшая в целом нагрузочная способность выхода, в сочетании с устойчивостью при работе на довольно большую емкостную нагрузку, несколько лучшая работа при низких напряжениях и более высокий первый полюс, что удобно при применении в составе композитных усилителей с глубокой ООС.
Очень хорошие усилители с полевым входом AD8065/66 и AD8067. Кроме уже описанных проблем со входным каскадом можно отметить заметно более слабый выход, чем у 5534 и вообще худшую собственную линейность, при практически такой-же GBW. Что не мешает им при правильном приготовлении показывать великолепные результаты.
Вообще, у ADI много хороших чипов в дешевой AD80хх серии, например AD8055, AD8033.
Как своеобразную противоположность 8065 стоит вcпомнить OP249. У него тоже полевой дифкаскад с приличными истоковыми резисторами, при этом он заметно уступает по собственному усилению, но имеет очень высокую собственную линейность и совершенно беспроблемный, за что заслуженно любим многими.
И сильно нелюбим мной, впрочем исключительно за шизофреническую распиновку SOIC.
Когда заходит речь про усилители с линейным входным каскадом нельзя не назвать КР140УД1101, она-же LM318. Древний усилитель, который выпускается до сих пор (как и 5534), ибо адекватной замены ему так и не придумали. Такого сочетания приличной скорости и площади ООС с низким токовым шумом и устойчивостью к перегрузкам больше пожалуй и нет. Обратная сторона - довольно заметное напряжение шума и определенные требования к квалификации разработчика.
Что интересно, схемотехнически (после входного каскада) он почти идентичен половинке 5532, и многие особенности потому наследует (включая нормальную работу на сопротивления не ниже 2k).
Достаточно мощный драйвер AD811. Быстрый прибор с токовой обратной связью, прекрасно работающий в хвосте композита, при работе в малосигнальном режиме и ограничении полосы на входе аудиочастотами внезапно превращается в очень линейный ОУ, с малым уровнем и коротким спектром искажений. Что неудивительно, ибо при таком применении все его каскады не выходят из "класса А". В отличии от многих других хорошо работает повторителем.
AD8397. Один из немногих мощных ОУ с обратной связью по напряжению. Чуть-ли не лучший монолитный ОУ с такой нагрузочной способностью выхода. В целом достаточно неприхотливый, однако очень критичный к блокировкам, как и все мощные ОУ.
Забавно, что благодаря приличной линейности на ВЧ его вполне можно использовать в сильно нагруженных преобразователях I/U.
Ну и хватит, для начала.
Это были некоторые яркие представители. Может быть дополню позже, если будет желание или вопросы.
|
| |
| |
