Önyükleme yoluyla operasyonel amplifikatörlerin operasyonel menzilini genişletin
Özet
Kullanıma hazır operasyonel amplifikatör (op amp) belirli bir uygulama için gereken sinyal salınım aralığını sağlayamadığında, mühendisler iki seçenekle karşı karşıyadır: yüksek voltajlı bir operasyonel amplifikatör kullanmak veya ayrı bir çözüm tasarlamak - her ikisi de maliyetli olabilir. Birçok uygulama için üçüncü seçenek olan önyükleme daha ucuz bir alternatif olabilir. Son derece zorlu dinamik performansa sahip uygulamalar dışında, bootstrap güç kaynağı devresinin tasarımı oldukça basittir.
Okuyuculara, Grayson King ve Tim Watkins tarafından yazılan mükemmel teknik makaleyi okumaları tavsiye edilir - "Wide Voltage Swing Through Operational Amplifier Bootstrapping" (EDN Magazine, May 13, 1999).
Bootstrap'e Giriş
Geleneksel işlemsel yükselteçler, giriş voltajlarının güç raylarının aralığında olmasını gerektirir. Giriş sinyali güç kaynağı rayını aşabilirse, aşırı giriş, bu girişleri güç kaynağı aralığında bir seviyeye düşürmek için dirençle zayıflatılabilir. Bu işlem ideal değildir çünkü giriş empedansını, gürültüyü ve kaymayı olumsuz etkileyecektir. Aynı güç rayı, amplifikatörün çıkışını da sınırlayacaktır ve çıkışı doygunluğa götürmekten kaçınmak için kapalı döngü kazancının boyutunda bir sınır vardır.
Bu nedenle, giriş ve / veya çıkıştaki büyük sinyal sapmalarının üstesinden gelinmesi gerekiyorsa, bu güç rayları üzerinde çalışabilecek geniş güç rayları ve amplifikatörlere ihtiyaç vardır. ADInin 220 V ADHV4702-1'i bu durum için mükemmel bir seçimdir, ancak önyüklemeli düşük voltajlı operasyonel amplifikatörler de uygulama gereksinimlerini karşılayabilir. Önyüklemenin kullanılıp kullanılmayacağı esas olarak dinamik gereksinimlere ve güç tüketimi sınırlamalarına bağlıdır.
Önyükleme, pozitif ve negatif voltajları toprağa değil, bazen uçan ray konfigürasyonu olarak adlandırılan çıkış sinyalinin anlık değerine dayalı uyarlanabilir bir ikili güç kaynağı oluşturur. Bu konfigürasyonda, güç kaynağı işlemsel amplifikatörün çıkış voltajıyla (VOUT) yukarı ve aşağı hareket eder. Bu nedenle, VOUT her zaman orta güç kaynağı voltajındadır ve güç kaynağı voltajı toprağa göre hareket edebilir. Bu tür uyarlanabilir ikili güç kaynağı, bootstrap kullanılarak çok kolay bir şekilde gerçekleştirilebilir.
Aslında, önyükleme, bazıları önemsiz olan ancak hiçbiri özellikle sorunlu olmayan belirli yönergeleri karşılamalıdır. Aşağıdakiler en temel yönergelerdir:
Çıkış yükü çok büyük olmamalıdır.
Yanıt hızı, işlemsel yükselticinin dönüş hızından daha düşük olmamalıdır.
Gerekli voltaj seviyesini ve ilgili güç tüketimini karşılayabilmelidir.
çalışma prensibi
Uçan ray kavramı, pozitif ve negatif güç raylarının sürekli olarak ayarlanmasını ifade eder, böylece voltajları her zaman çıkış voltajına göre simetrik olur. Bu şekilde, çıkış her zaman güç kaynağı aralığı içindedir.
Devre mimarisi, bir çift tamamlayıcı ayrık transistör ve dirençli bir öngerilim ağı içerir. NPN yayıcı (veya N-kanallı MOSFET'in kaynak pini) VCC sağlar ve PNP yayıcı (veya P-kanalı MOSFET'in kaynak pini) VEE olarak hizmet eder. Transistör, gerekli besleme voltajının amplifikatörün + VS ve -VS pinlerinde görünmesi için önyargılıdır.Bu voltajlar, bir direnç bölücü aracılığıyla yüksek voltajlı güç kaynağından elde edilir. Şekil 1, yüksek voltaj takipçisinin basitleştirilmiş bir şematik diyagramını göstermektedir.
Şekil 1. Basitleştirilmiş yüksek voltaj takipçi şeması
Teorik olarak, bootstrap herhangi bir operasyonel amplifikatör için herhangi bir yüksek sinyal uyum voltajı sağlayabilir. Aslında, güç ayarlama oranı ne kadar büyükse, dinamik performans o kadar kötüdür, çünkü işlemsel yükselticinin dönüş hızı, güç kaynağının yanıt hızını dinamik sinyallere sınırlar. Amplifikatör, maksimum nominal besleme voltajında veya yakınında çalışırken, dinamik sinyale ayak uydurmak için güç kaynağı piminin en küçük aralığı geçmesi gerekir. Op amp, maksimum nominal besleme voltajına yakın çalıştırıldığında, diğer hata kaynakları da (gürültü kazancı gibi) azalacaktır (bkz. "Op amp bootstrapping yoluyla geniş voltaj dalgalanması oluşturma", EDN Magazine, 13 Mayıs 1999) .
Uzak (veya çok hızlı) hareket etme gücü gerektirmeyen düşük frekans ve DC uygulamaları, önyükleme için en iyi adaylardır. Bu nedenle, yüksek voltajlı amplifikatörler, özellikle her ikisi de ilgili maksimum çalışma besleme voltajlarına ve aynı sinyal aralığına önyükleme yapıldığında, karşılaştırılabilir dinamik özelliklere sahip düşük voltajlı amplifikatörlerden daha iyi dinamik performans sağlayabilir. Bootstrap ayrıca DC performansını da etkiler, bu nedenle hem DC doğruluğu hem de yüksek voltaj için optimize edilmiş op amp'ler, önyükleme yapılandırmasının elde edebileceği en iyi DC ve AC performansı kombinasyonunu sağlayabilir.
ADHV4702-1 kullanarak menzil genişleticinin tasarım konuları
ADHV4702-1, 220 V'luk hassas bir işlemsel amplifikatördür. Bu cihazla, geleneksel bir düşük voltajlı operasyonel amplifikatörün önyüklenmesine gerek yoktur ve 220 V altındaki sinyal aralıkları için yüksek voltaj tasarımı basitleştirilebilir. Uygulama daha yüksek bir voltaj gerektiriyorsa, devrenin çalışma aralığını iki kattan fazla kolayca artırmak için önyükleme teknolojisi uygulanabilir. Aşağıda, ADHV4702-1'e dayalı bir 500 V amplifikatörün tasarım örneği gösterilmektedir.
voltaj aralığı
Yukarıda bahsedildiği gibi, genişletme devresinin aralığı teorik olarak sınırsızdır, ancak aşağıdaki gibi bazı pratik sınırlamalar vardır:
Güç kaynağı voltajı ve akım değeri
Direnç ve alan etkili transistör (FET) güç tüketimi
FET arıza gerilimi
DC önyargı seviyesi
İlk olarak, amplifikatöre sağlanan güç kaynağı voltajını düşünün. Cihazın nominal besleme voltajı aralığındaki herhangi bir voltaj geçerlidir. Ancak, güç tüketimi, seçilen çalışma voltajına bağlı olarak amplifikatör ve FET arasında bölünür. Belirli bir orijinal güç kaynağı voltajı için, işlemsel amplifikatör güç kaynağı voltajı ne kadar düşükse, FET'teki boşaltma kaynağı voltajı (VDS) o kadar yüksek olur ve güç tüketimi buna göre tahsis edilir. Güç tüketimini cihazlar arasında ısı dağıtımı için en uygun şekilde dağıtmak için uygun işlemsel amplifikatör güç kaynağı voltajı seçilmelidir.
İkinci olarak, orijinal besleme voltajını (VRAW) amplifikatörün istenen besleme voltajına (VAMP) düşürmek için gereken voltaj bölme oranını hesaplamak için aşağıdaki formülü kullanın:
VRAW / VAMP = (RTOP + RBOT) / RBOT
Bunlar arasında, RTOP en üst dirençtir ve RBOT alt dirençtir.
Aşağıdaki örnek için, işlemsel yükselticinin ± 100 V nominal besleme voltajına sahip olduğunu düşünün. ± 250 V salınım aralığı gerektiren uygulamalar için, voltaj bölücü oranını aşağıdaki formüle göre hesaplayın:
Bölücü oranı = 250 V / 100 V = 2,5 veya 2,5: 1
Ardından, bu voltaj bölücü oranını olabildiğince yakın elde etmek için kolayca bulunabilen standart değer dirençleri olan bir direnç bölücü tasarlayın. Lütfen yüksek voltaj nedeniyle direnç güç tüketiminin beklenenden daha yüksek olabileceğini unutmayın.
Statik güç
Seçilen direnç değeri için, karşılık gelen statik güç tüketimini kaldırabilecek bir direnç boyutu seçilmelidir. Aksine, direncin fiziksel boyutu sınırlıysa, ısı dağılımını nominal aralık içinde sınırlamak için uygun bir direnç değeri seçilmelidir.
Bu örnekte, RTOP 150 V'a ve RBOT 100 V'a ulaşır. 1/2 watt nominal güce sahip 2512 direnç kullanan tasarım, her bir direncin güç tüketimini (V2 / R) 0,5 W'tan daha düşük bir değere sınırlamalıdır. Her bir direncin minimum değerini aşağıdaki şekilde hesaplayın:
RTOP = (150 V) 2 / 0.5 W = 45 k (minimum)
RBOT = (100 V) 2 / 0.5 W = 20 k (minimum)
Güç tüketimi için sınırlayıcı faktör olarak daha yüksek bir direnç (45k) alarak, RBOT değeri 2,5: 1 voltaj bölücü oluşturur ve statik güç tüketimi sınırı şu şekilde gözlenir:
RBOT = RTOP / 1.5 = 30 k
Güç tüketimi (100 V) 2/30 k = 0.33 W.
Anlık güç tüketimi
Direncin anlık voltajının amplifikatörün çıkış voltajına ve besleme voltajına bağlı olduğu düşünülürse, bu örnekte her voltaj bölücünün voltajı herhangi bir zamanda 350 V (VCC = 250 V ve VOUT = -100 V) kadar yüksek olabilir. Sinüzoidal çıkış dalga formu, VCC ve VEE voltaj bölücülerinde aynı ortalama güç tüketimini üretir, ancak sıfır olmayan herhangi bir ortalama çıkış, bir voltaj bölücünün güç tüketiminin diğer voltaj bölücünün güç tüketiminden daha yüksek olmasına neden olur. Tam ölçekli DC çıkışı (veya kare dalga) için, anlık güç tüketimi maksimum güç tüketimidir.
Bu örnekte, anlık güç tüketimini 0,5 W'ın altında tutmak için, her bir gerilim bölücüsündeki iki direncin (RSUM) toplamı aşağıdaki değerden az olmamalıdır:
RSUM = (350 V) 2 / 0,5 W = 245 k
Bu nedenle, direnç oranı 1.5: 1 olduğunda (2.5: 1 voltaj bölücü için), her direncin minimum değeri aşağıdaki gibidir:
RTOP = 147 k
RBOT = 98 k
FET seçimi
En kötü durum önyargı koşullarına dayanmak için gereken arıza voltajı, temel olarak FET seçimini belirler; bu, çıkış doyduğunda anlaşılabilir, bir FET'i maksimum VDS'de ve diğer FET'i minimum VDS'de yapar. Önceki örnekte, en yüksek mutlak VDS yaklaşık 300 V'tur, bu toplam orijinal güç kaynağı voltajı (500 V) eksi amplifikatörün toplam güç kaynağı voltajıdır (200 V). Bu nedenle FET, bozulmadan en az 300 V gerilime dayanmalıdır.
En kötü durum VDS ve çalışma akımı için güç tüketimi hesaplanmalı ve bu güç seviyesinde çalışacak şekilde belirlenmiş FET'ler seçilmelidir.
Daha sonra, önyargı direnci ile düşük geçişli bir filtre oluşturduğu için FET'in geçit kapasitansını düşünün. Daha yüksek arıza voltajına sahip FET'ler, daha yüksek kapı kapasitesine sahip olma eğilimindedir ve önyargı direnci genellikle 100 k'dur, bu nedenle devrenin hızı, çok fazla kapı kapasitansı olmadan önemli ölçüde azaltılabilir. Üreticinin veri sayfasından geçit kapasitans değerini alın ve RTOP ile RBOT'un paralel kombinasyonunun oluşturduğu kutup frekansını hesaplayın.
Öngerilim ağının frekans yanıtı her zaman giriş ve çıkış sinyallerinden daha hızlı olmalıdır, aksi takdirde amplifikatörün çıkışı kendi güç kaynağı aralığını aşabilir. Amplifikatörün güç rayından geçici olarak sapma girişi riske atacak ve geçici doygunluk veya sınırlı dönüş çıkış distorsiyonuna neden olacaktır. Her iki durum da geçici olarak olumsuz geribildirim kaybına ve öngörülemeyen geçici davranışa neden olabilir ve hatta bazı işlemsel amplifikatör mimarilerinde fazın tersine çevrilmesi nedeniyle kilitlenebilir.
verim
DC doğrusallığı
Şekil 2, 20'lik bir kazanç ve ± 140 V'luk bir güç kaynağı ile kazanç hatası ile giriş voltajı (DC doğrusallığı) arasındaki ilişkiyi göstermektedir.
Şekil 2. Kazanç hatası ile giriş voltajı arasındaki ilişki
Dönüş oranı
Şekil 3, dönüş hızı eğrisini gösterir, kazanç 20'dir, güç kaynağı ± 140 V'dir ve ölçülen değer 20,22 V / s'dir.
Şekil 3. Dönüş hızı
Daha yüksek hıza ulaşmak için takas
Güç tüketimi
Daha önce belirtildiği gibi, çalışma voltajı daha yüksek olduğunda, FET'in arıza voltajı (ve ilgili kapı kapasitansı) ve direnç değeri de daha yüksek olmalıdır. Daha yüksek direnç ve kapasitans değerleri bant genişliğinde azalmaya neden olur ve mevcut tek ayarlama faktörü direnç değeridir. Direnç değerini azaltmak, bant genişliğini artıracaktır, ancak bu, artan güç tüketimi pahasına olacaktır. Düşük dirençli, yüksek güçlü dirençler boyut olarak daha büyüktür ve daha fazla kart alanı gerektirir. RBOT'a bir kapasitör biçiminde bir miktar kurşun kompanzasyonu eklemek, devrenin frekans yanıtını iyileştirebilir. Bu kapasitör, RBOT ve RTOP dirençleri ile sıfır oluşturur ve FET geçit kapasitansı tarafından oluşturulan kutbu iptal eder. Kutuplar ve sıfırlar iptal edildiğinden, DC güç tüketimini azaltmak için daha yüksek bir direnç seçilebilir.
sonuç olarak
Daha yüksek bir voltajın gerekli olduğu ancak tipik bir yüksek voltajlı op amp kullanmanın ekonomik olmadığı uygulamalarda, geleneksel op amp genellikle önyüklenir. Bootstrap'in avantajları ve dezavantajları vardır. Başka bir seçenek daha var, ADHV4702-1, önyükleme olmadan 220 V'a kadar hassas, yüksek performanslı bir çözüm sağlar. Bununla birlikte, sinyal aralığı 220 V'den daha fazlasını gerektirdiğinde, cihaz, önyükleme düşük voltajlı amplifikatörlerden daha yüksek performans sağlarken, nominal sinyal aralığının iki katından daha fazla voltajları işlemek için önyüklenebilir.
Referanslar
Grayson King ve Tim Watkins. "İşlemsel amplifikatör önyüklemesi yoluyla geniş bir voltaj dalgalanması oluşturmak", EDN Dergisi, 13 Mayıs 1999.
