Инструкция;pdf

Малогабаритные усилители для
200-мВт нагрузки
Марк Райзигер (Mark Reisiger)
А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы »
Введение
1
В ряде приложений требуются усилители, способные управлять нагрузкой достаточно большой мощности и
при этом обеспечивать малую погрешность. Прецизионные операционные усилители (ОУ) могут работать на
нагрузку не более 50 мВт. Составные
усилители (прецизионный усилитель с
мощным выходным каскадом на дискретных компонентах) целесообразно использовать, когда речь идет о
нагрузках мощностью несколько ватт.
Для мощностей, лежащих между этими
значениями, отсутствуют приемлемые
решения — ОУ не способен напрямую
управлять такими нагрузками, а дополнительная схема избыточно сложна и
неэкономична.
Подобные задачи возникают, например, при использовании моста
Уинстона. Поскольку от прикладываемого к мосту напряжения напрямую
зависит смещение и шкала выходного
сигнала, драйвер моста должен обеспечить высокую точность — в ряде
случаев разброс напряжения от требуемого значения не должен превышать
1 мВ. При работе с напряжением питания –7…–15 В схема с единичным усилением должна генерировать напряжение управления мостом в диапазоне
0,1–5,0 В.
Еще одна сложность заключается в
различном сопротивлении резисторов
моста. Например, стандартное сопротивление компонентов тензометрического моста находится в пределах
120–350 Ом. Таким образом, при сопротивлении моста 120 Ом ток драйвера
Рис. 1. Многопетлевая ОС
моста с выходным напряжением 5 В
должен составить 42 мА. К тому же,
драйвер должен работать на емкостную
нагрузку до 10 нФ — такова может быть
суммарная емкость кабеля и емкость
развязывающего конденсатора моста.
Выбор усилителя
Первый шаг в разработке принципиальной схемы заключается в выборе усилителя, способного обеспечить
требуемый ток нагрузки. Необходимо
также выбрать усилитель, у которого
падение напряжения VOH на выходном каскаде не слишком велико.
Например, при напряжении питания
7 В и максимальном токе нагрузки
выходной сигнал должен быть не менее
5 В. Примем запас 250 мВ и получим
VDD – VOUT = 1,75 В. Таково должно быть
максимальное падение напряжение
на выходном каскаде усилителя при
выходном токе 42 мА.
Этим требованиям отвечает прецизионный сдвоенный ОУ от Analog
Devices. Размах сигнала по входу и
выходу этого ОУ равен размаху напряжения питания (rail-to-rail). При выходном токе 40 мА падение напряжения
составляет 900 мА, что с запасом отвечает требованиям (1,75 В).
Помимо проверки на максимальный
выходной сигнал необходимо удостовериться в способности ОУ рассеивать требуемую мощность. ADA4661-2
выпускается в двух вариантах корпусов: MSOP и LFCSP. Первый из них
удобнее для создания прототипов, но
хуже рассеивает тепло — его тепловое
сопротивление θJA = 142 Вт/°С, тогда
как тепловое сопротивление корпуса
LFCSP составляет θJA = 83,5 Вт/°С.
Максимальная мощность рассеивания на ОУ вычисляется при максимальном напряжении питания 15 В и выходном токе 42 мА. При выходном сигнале
5 В падение напряжение на выходном
каскаде ОУ составит 10 В, а рассеиваемая мощность: 10 В ∙ 42 мА = 420 мВт.
Умножая рассеиваемую мощность на
тепловое сопротивление, получим
перегрев ОУ. Для корпуса MSOP он
составит 60°С, а для LFCSP — 35°С. При
этом максимальная температура окружающей среды для MSOP ограничена
величиной 65°С, а для LFCSP — 90°С.
Вывод из этих простых расчетов очевиден — если имеется возможность,
следует использовать корпус LFCSP для
режимов с повышенной рассеиваемой
мощностью.
В пользу применения ADA4661-2
можно привести еще один довод. Этот
прецизионный ОУ специально предназначен для работы с повышенной
выходной мощностью. В нем не происходит рассогласования транзисторов
выходного каскада из-за нагрева, как
это, к сожалению, бывает в некоторых
прецизионных ОУ, где при нагреве
выходных транзисторов происходит их
рассогласование, из-за чего характеристики усилителя ухудшаются.
Стабилизация обратной связи
Поскольку большинство ОУ не
может работать на емкостную нагрузку 10 нФ, как это требуется в рассматриваемом случае, для стабилизации
ОУ применяется внешняя компенсация. Одним из классических методов
является многопетлевая обратная
связь (ОС). Ее пример показан на
рисунке 1. В этом случае резистор RISO
«изолирует» выход ОУ от емкостной
нагрузки CLOAD. Точностные параметры
обеспечиваются благодаря резистору
обратной связи RF. За устойчивость ОУ
«отвечает» конденсатор C+. Величина
резистора RISO должна быть достаточно
велика, чтобы при единичном коэффициенте усиления в импедансе превалировала активная составляющая.
Однако это не всегда возможно, т.к.
при увеличении сопротивления резистора растет и падение напряжения на
нем, а значит, уменьшается величина
выходного напряжения.
В рассмотренном выше примере
для ADA4661-2 при питании 7 В, запасе 250 мВ и падении напряжения на
выходном каскаде ОУ 900 мВ падение напряжения на резисторе RISO не
должно превышать 7 В – 250 мВ –
– 900 мВ = 5850 мВ. При токе 42 мА
величина резистора должна составлять 20 Ом. При емкости нагрузки 2 нФ
полюс характеристики находится на
частоте 4 МГц единичного усиления
ОУ. Следовательно, этот метод не подходит 1, т.к. схема должна работать на
емкостную нагрузку 10 нФ.
1 Прим. пер. В принципе, указанный метод может использоваться и для данного случая, но при этом уменьшается полоса пропускания схемы.
www.elcomdesign.ru
Рис. 2. Гибридная следящая ОС
Рис. 3. Схема драйвера моста
При разработке топологии печатной платы драйвера следует обратить
внимание на сопротивление проводников, по которым протекает ток
моста. Например, сопротивление проводника 7 мОм при токе 42 мА вызовет
на нем падение напряжения 300 мкВ,
что равно напряжению смещения ОУ.
Следовательно, необходимо использовать 4-проводную схему Кельвина, в
которой по двум «силовым» проводникам течет ток 42 мА, а по двум другим
«измерительным» проводникам передается напряжение ОС. Длина последних должна быть как можно меньше, и
они должны быть как можно ближе расположены к нагрузке. Между силовыми
и измерительными проводниками не
должно быть других проводников.
Бюджет погрешности
Бюджет статической погрешности
показан в таблице 1. Наибольший вклад
в погрешность вносят напряжение смещения и дрейф напряжения смещения.
В таблице приведены значения для наихудшего случая. Как следует из представленных данных, следует иметь в
виду, что ошибка может достигать 1 мВ.
Рассеиваемая мощность — одна из
причин погрешности, т.к. она вызывает
рост температуры кристалла, что приводит к увеличению напряжения смещения и к его температурному дрейфу.
Ниже приведен расчет приведен для
худшего случая.
VPDISS = VDROPILOADθJATCVOS,
где TCVOS — температурный дрейф
напряжения смещения.
Подставляя значения, получаем:
VPDISS = [15 В – 5 В ×
× (1 + 20 Ом/120 Ом)][5 В/120 Ом] ×
× [142°С/Вт][3,1 мкВ/°С] = 168 мкВ.
Результаты измерения
погрешности статических
параметров
Погрешность напряжения моста
зависит от входного VIN и выходного
VOUT напряжения ОУ. На рисунке 4 показаны результаты измерения погрешности на макетном образце как функции
выходного напряжения при различных напряжениях питания. Основным
источником погрешности служит
напряжение смещения и дрейф напряжения смещения. Дополнительную
погрешность может вносить нагрев
кристалла из-за рассеиваемой мощности. При напряжении питания 7 В
рассеиваемая мощность минимальна
и равна 50 мВт. Невелик и перегрев
ОУ — всего 7°С; соответственно, невелика и погрешность. При увеличении
напряжения питания до 10 и 15 В увеличивается рассеиваемая мощность до
175 и 385 мВт и перегрев до 25 и 55°С,
соответственно; следовательно, воз-
Таблица 1. Составляющие погрешности
Параметр, вызывающий
погрешность
Напряжение смещения
Дрейф напряжения смещения
Рассеиваемая мощность
Ошибка коэффициента усиления
Подавление нестабильности питания
Общая погрешность
Условия
0 В < ВCM < 5 В; 6,75 В < ВDD < 15 В
0 В < ВCM < 5 В; 6,75 В < ВDD < 15 В;
–40°C < T < 70°C
ВDD = 15 В; 0 В < ВCM < 5 В
0 В < ВCM < 5 В; –40°C < T < 125°C
5 В < ВDD < 15 В
Вычисленное
значение
Погрешность
300 мкВ
300 мкВ/°C ∙ 110°C
341 мкВ
Соотношение (1)
5 В ∙ 1/(105 дБ + 1)
8,25 В/120 dB
168 мкВ
27 мкВ
8 мкВ
844 мкВ
электронные компоненты №7 2014
А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы »
Другой возможный метод состоит
в использовании гибридной следящей
ОС (см. рис. 2). Устойчивость схемы
обеспечивается отрицательной ОС за
счет сдвига фазы. Работу этой схемы
легко понять, если воспользоваться суперпозицией: выходной сигнал
представляется как сумма двух сигналов — инвертирующего усилителя
с коэффициентом усиления –RF/RS и
неинвертирующего усилителя с коэффициентом (1 + RF/RS). Таким образом,
общий коэффициент усиления равен 1,
а коэффициент усиления шума равен
(RS + RF)/RS. Возможность отдельного
управления коэффициентом усиления
сигнала и коэффициентом усиления ОС
и обеспечивает устойчивость в широком диапазоне нагрузок.
Однако этот метод не свободен от
недостатков. Первый из них — довольно высокий коэффициент усиления
шума приводит к увеличению напряжения смещения на выходе, т.к. входное напряжение смещения VOS умножается на коэффициент усиления шума.
Второй недостаток состоит в том, что
для корректной реализации данного
метода требуется знать некоторые
подробности внутренней схемотехники ОУ. Рассматриваемый ОУ имеет
трехкаскадную архитектуру с компенсацией эффекта Миллера. Выходной
каскад может иметь собственную
внутреннюю ОС. В итоге может возникнуть ситуация, когда внешняя ОС
устойчива, а внутренний выходной
контур нестабилен.
Недостатки двух рассмотренных
выше схем можно преодолеть, объединив эти схемы в одну, как показано на
рисунке 3. Многопетлевая ОС позволяет разделить контуры ОС, работающие
на низких и высоких частотах. Петля
низкочастотной ОС через резистор RF
возвращает на вход напряжение моста.
Петля высокочастотной ОС возвращает на вход выходное напряжение ОУ
через конденсатор CF; ее усиление
определяется соотношением (CS + CF)/
CF. Поскольку усиление шума на низких
частотах равно 1, статические параметры ОУ в схеме не ухудшаются. На высоких частотах эта схема ведет себя как
схема с гибридной следящей ОС (см.
рис. 2).
2
А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы »
3
Рис. 4. Погрешность напряжения моста как функция выходного напряжения
Рис. 5. Погрешность напряжения моста как функция напряжения питания
ERROR VOLTAGE — погрешность напряжения, мкВ
ERROR VOLTAGE — погрешность напряжения, мкВ
Рис. 6. Погрешность напряжения моста как функция температуры перегрева
Рис. 7. Переходный процесс при малой нагрузке
TEMPERATURE (°C) — температура, °С; ERROR VOLTAGE — погрешность напряжения, мкВ
BRIDGE VOLTAGE (V) — напряжение моста, В; TIME — время, мкс
растает и погрешность. Погрешность,
вызванная перегревом, имеет параболическую зависимость. Ее максимум
наблюдается при VOUT = 0,5VDD.
Строго говоря, при определении
погрешности с учетом изменения
напряжения питания следует принять
во внимание и величину ослабления
ОУ нестабильности источника питания
PSR. На рисунке 5 показано, как изменяется погрешность при изменении входного напряжения при разных нагрузках
и фиксированном значении выходного
напряжения. Наибольший PSR наблюдается при минимальной нагрузке —
118 дБ и погрешности напряжения
10 мкВ. При увеличении нагрузки до
350 и 120 Ом PSR уменьшается до 110 и
103 дБ, соответственно.
Как уже говорилось, значительный
вклад в бюджет погрешности вносит
температурный дрейф напряжения
смещения. Из-за разогрева выходного
каскада кристалла возникает температурный градиент на его поверхности,
что приводит к частичному наруше-
www.elcomdesign.ru
нию баланса каскадов. Возникновение
температурного градиента может
привести к значительному увеличению напряжения смещения VOS, а его
величина превысит значение, указанное в справочной документации. ОУ
ADA4661-2 создан с учетом этого обстоятельства и предназначен для работы
при значительной величине рассеиваемой мощности.
На рисунке 6 приведены результаты измерения погрешности в функции изменения температуры. Кривая,
выделенная черным цветом, получена
при напряжении питания 7 В и очень
малой нагрузке; она соответствует
техническим данным, специфицируемым производителем. При увеличении
нагрузки до 120 Ом и напряжении питания 7 В происходит незначительный
разогрев кристалла на 6,4°С, и погрешность так же незначительно изменяется. Но при увеличении напряжения
питании до 15 В рассеваемая мощность
достигает 385 мВт, а перегрев составляет уже 55°С. При этом значительно
изменяется погрешность напряжения. Максимальная допустимая температура кристалла составляет 125°С.
Следовательно, если ОУ рассеивает
столь значительную мощность, температура окружающей среды не должна
превышать 70°С.
Измерение параметров
в переходных процессах
Самым простым способом проверки устойчивости схемы с ОС является подача ступеньки напряжения на
вход схемы. На рисунке 7 приведен
график переходного процесса при
малой нагрузке и ее разных емкостях.
На рисунке 8 представлен аналогичный график, но при большой нагрузке.
Как видно, переходный процесс носит
колебательный характер и быстро затухает. Подробное объяснение приведено в [1].
Заключение
Рассмотренная схема обеспечивает выходное напряжение разма-
хом 5 В на резистивной нагрузке с
сопротивлением не менее 120 Ом
при общей ошибке по напряжению
менее чем 1 мВ. Эта схема стабильна
при работе с суммарной выходной
емкостью до 10 нФ. Схема сохраняет
все параметры в широком диапазоне
питающих напряжений 7–15 В, рассеивая при этом до 400 мВт. Базовую
схему можно расширить для управления нагрузкой как положительным,
так и отрицательным напряжением
путем использования биполярного
питания ±7 В.
Литература
1. Sergio Franco. Demystifying pole-zero
doublets//www.edn.com.
Рис. 8. Переходный процесс при большой нагрузке
BRIDGE VOLTAGE (V) — напряжение моста, В; TIME — время, мкс
А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы »
4
электронные компоненты №7 2014