Русская Википедия:Операционный усилитель с токовой обратной связью

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Операцио́нный усили́тель с то́ковой обра́тной свя́зью (ОУ с ТОСШаблон:Sfn, ОУ ТОС), реже трансимпедансный усилитель — электронный усилитель с двумя входами, инвертирующий вход которого, обычно используемый для отрицательной обратной связи, имеет низкое входное сопротивление и управляется током, а не напряжением, как это принято в классических операционных усилителях (ОУ) с дифференциальным входом.

Основное преимущество ОУ ТОС перед классическими ОУ с отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению — высокое быстродействие, а именно: высокая скорость нарастания выходного напряжения (до 9 В/нс в серийных интегральных схемахШаблон:Sfn), малое время установления и большая полоса пропускания. Частота среза серийного ОУ ТОС в схеме с ООС составляет от 100 МГц до 2 ГГц — она зависит только от величины сопротивления цепи ООС и встроенной корректирующей ёмкости и практически не зависит от заданного коэффициента усиленияШаблон:Sfn. Шаблон:Comment ОУ ТОС обычно совпадает с его частотой среза для малого сигнала и превосходит аналогичный показатель классического ОУ. Нелинейные искажения ОУ ТОС на высоких частотах ниже, чем у классического ОУШаблон:Sfn.

Высокие показатели быстродействия достигаются асимметрией и схемотехнической простотой входного каскада и, как следствие, низкой точностьюШаблон:Sfn. ОУ ТОС применяются преимущественно для усиления и фильтрации сигналов в широкополосных устройствах на частотах выше 100 МГцШаблон:SfnШаблон:Sfn: в радиолокации, видеотехнике, в системах кабельной и оптоволоконной связи и цифровой обработки высокочастотных сигналов. Популярность ОУ ТОС ограничивают некоторая сложность применения и недостаточная точностьШаблон:Sfn. Основные схемы включения ОУ ТОС топологически совпадают со схемами включения классического ОУ, реализация других типовых схем затруднена или вовсе невозможна. Возможно, что дальнейшее развитие схемотехники классических ОУ ещё более сузит область применения ОУ ТОСШаблон:Sfn.

Принцип действия

Шаблон:Кратное изображение

В большинстве аналоговых электронных устройств носителем информации, или аналоговым сигналом, выступает электрическое напряжение, а основным структурным узлом обработки сигнала — электронный усилитель напряженияШаблон:Sfn. Вплоть до середины 1990-х годов в аналоговой электронике доминировали операционные усилители, управляемые напряжением — универсальные усилители напряжения, способные реализовать практически все необходимые функции обработки аналогового сигналаШаблон:Sfn.

Быстродействие любого усилителя напряжения ограничено временем перезарядки ёмкостей аналогового тракта — прежде всего, миллеровских ёмкостей транзисторов, и во вторую очередь, паразитных ёмкостей иных компонентов и проводников схемыШаблон:SfnШаблон:Sfn. Быстродействие классического ОУ дополнительно ограничивает корректирующая ёмкость, намеренно встроенная в схему для обеспечения устойчивости на высоких частотахШаблон:Sfn. Паразитные индуктивности проводников ограничивают скорость нарастания токов и также снижают быстродействие, но в реальных интегральных схемах (ИС) влияние индуктивностей намного меньше влияния ёмкостейШаблон:Sfn. По этой причине усилители тока всегда опережают в быстродействии усилители напряжения, построенные на сопоставимой элементной базеШаблон:SfnШаблон:Sfn. В идеальном усилителе тока перезарядка ёмкостей не происходит вообще, так как напряжения на элементах схемы остаются неизменнымиШаблон:Sfn[1]. Если же входными и выходными сигналами усилителя тока должны служить напряжения, то на входе и выходе размещаются согласующие двухтактные эмиттерные повторители, способные быстро заряжать и разряжать паразитные ёмкостиШаблон:Sfn.

Именно по такой схеме (входной повторитель напряжения → токовое зеркало → преобразователь тока в напряжение → выходной повторитель напряжения) строятся операционные усилители с токовой обратной связью. Будучи некоторым аналогом классических ОУ с обратной связью по напряжению, ОУ ТОС отличаются от них двумя особенностями архитектурыШаблон:Sfn:

  • Входным каскадом ОУ ТОС служит не дифференциальный усилитель, а повторитель напряжения, высокоомный вход которого является неинвертирующим входом ОУ ТОС, а низкоомный выход — инвертирующим входом ОУ ТОС. Таким образом, даже при разомкнутой цепи ООС напряжение на инвертирующем входе всегда повторяет напряжение на неинвертирующем входе. Сигналом ошибки служит не дифференциальное входное напряжение, а протекающий через инвертирующий вход ток <math>I_{err}</math>Шаблон:Sfn.
  • Усиление напряжения в ОУ ТОС реализовано не на каскаде с общим эмиттером, а на преобразователе тока инвертирующего входа в напряжениеШаблон:Sfn, который здесь фактически представляет собой усилительный каскад с общей базой. Выходное напряжение <math>V_o</math> идеального ОУ ТОС определяется не дифференциальным входным напряжением, а исключительно током инвертирующего входа:
<math>V_o=ZI_{err}</math>, где <math>Z</math> — частотно-зависимый коэффициент преобразования входного тока в выходное напряжение (трансимпеданс)Шаблон:Sfn.

В альтернативном представлении ОУ ТОС представляет собой неинвертирующий токовый конвейер второго поколения (CCII+), нагруженный на трансимпеданс <math>Z</math> и согласованный с внешней нагрузкой выходным повторителем напряженияШаблон:Sfn. Трактовка ОУ ТОС в терминах теории токовых конвейеров бытует в академической среде, тогда как сами производители эти термины не используютШаблон:SfnШаблон:Ref+. Трансимпеданс серийных ОУ ТОС велик настолько, что они, как и классические ОУ, применяются исключительно в схемах с глубокой ООСШаблон:Sfn.

История разработки

Современные токовые аналоговые ИС восходят к двум фундаментальным идеям: изобретённому в 1968—1970 годы Шаблон:Нп5 и Шаблон:Нп5 токовому конвейеру и предложенному в 1975 году Барри Гилбертом принципу транслинейностиШаблон:Sfn. Базовая схема ОУ ТОС, дополняющая токовый конвейер второго поколения транслинейным выходным повторителемШаблон:Sfn, была разработана в начале 1980-х годов группой инженеров Hewlett-Packard во главе с Дэвидом Нельсоном[2]. В 1983 году Нельсон подал патентную заявку на изобретение, занял у родственников 50 тысяч долларов и основал независимую компанию Comlinear[3]. Первые выпущенные ею ОУ ТОС использовались в выходных каскадах измерительных генераторов Hewlett-Packard[2].

Вскоре усилители Нельсона, выгодно отличавшиеся от предшественников простотой интеграции в существующие схемы и широчайшей для своего времени полосой пропускания (от постоянного тока до сотен МГцШаблон:Ref+), прочно вошли в арсенал конструкторов телевещательной и радиолокационной техники[2][3]. Это были громоздкие, по современным меркам, гибридные сборки в металлических корпусах промышленного типа[2]. Реализовать схему Нельсона в монолитной полупроводниковой ИС в те годы было невозможно — технологии начала 1980-х годов не позволяли формировать на кристалле высокочастотные pnp-транзисторы, а медленные боковые pnp-транзисторы, доступные разработчикам 1970-х и начала 1980-х годов, были совершенно непригодны для построения ОУ ТОС[2]Шаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:Sfn. Лишь в 1987 году компания Elantec вывела на рынок первый монолитный ОУ ТОС EL2020. В 1988 году за ней последовали монолитные ИС Comlinear CLC400, Analog Devices AD846Шаблон:Sfn и AD811 — один из самых коммерчески успешных ОУ ТОС[2]. Тогда же произошло разделение серийных ОУ ТОС на два неравных класса: со встроенной корректирующей ёмкостью (абсолютное большинство изделий) и с возможностью внешней коррекции (Z-выход) — AD844, OPA660 и их аналогиШаблон:SfnШаблон:Sfn.

В начале XXI века массовая область применения ОУ ТОС — усилители широкополосного сигнала DSL и систем связи по ЛЭП[2], где выходным усилителем типичного DSL-модема служит сдвоенный ОУ ТОС[2]. Все серийные ОУ ТОС начала XXI века изготовляются по дорогим, сложным в производствеШаблон:Sfn биполярным техпроцессам кремний на изоляторе, которые позволяют формировать на кристалле быстрые pnp- и npn-транзисторы с хорошо согласованными параметрамиШаблон:Sfn. Неустранимый недостаток этих технологий — плохой отвод тепла от транзисторов — порождает заметные тепловые искажения сигнала на низких частотах, но в типичных применениях ОУ ТОС они не критичныШаблон:Sfn[4]. Существуют альтернативные токовые топологии на МОП-структурах, но ни одна из них не сумела потеснить в производстве биполярные ОУ ТОСШаблон:Sfn.

Вопросы терминологии

В литературе по электронике понятие «обратной связи по току» или «токовой обратной связи» (Шаблон:Lang-en) традиционно применялось и продолжает применяться к усилителям, сигнал ООС которых пропорционален току через нагрузку, а понятие «обратной связи по напряжению» — к усилителям, сигнал ООС которых пропорционален напряжению на нагрузке[5][6]. Для обеих конфигураций цепи ООС сам усилитель, как правило, управляется напряжением. Первым исключением из этого правила стали прямые предшественники ОУ ТОС — ламповые «усилители с токовой обратной связью», в которых ток (а не напряжение) обратной связи подавался в низкоомную цепь катода входной лампыШаблон:Sfn. Понятие усилителя с токовой обратной связью использовалось в этом, альтернативном, смысле уже в 1930-е годы, например в обзорной работе Фредерика Термана 1937 годаШаблон:Sfn, — сам же принцип был известен со времён работ Ли де Фореста и Эдвина Армстронга 1920-х годов[7]. В англоязычной литературе 1970—1990-х годов понятие «усилителя с токовой обратной связью» применялось к интегральным токоразностным усилителям Нортона[8].

Усилители по схеме Нельсона поначалу именовались в англоязычной литературе «усилителями Comlinear» (Шаблон:Lang-en[9]), затем верх взял термин «усилители с токовой обратной связью» (Шаблон:Lang-en, сокращённо CF amplifier, CFA, CFB). Ещё в 1990 году его заключали в кавычки, чтоб отличать от традиционного понятияШаблон:Sfn (в русскоязычных статьях кавычки применяются и в XXI веке[10]). Затем новая трактовка закрепилась в литературе, несмотря на нежелательную двусмысленность — с традиционной точки зрения ОУ ТОС охвачены обратной связью по напряжениюШаблон:Sfn. Альтернативный термин — трансимпедансный усилитель — используется реже и не вполне корректенШаблон:Sfn. Трансимпедансный усилитель (источник напряжения, управляемый током) может быть реализован на ОУ любого типа, тогда как понятие ОУ ТОС подразумевает, в том числе, особую схемотехнику входного каскада, принципиально отличную от схемотехники классических ОУШаблон:SfnШаблон:Sfn.

На рынке существуют микросхемы, совмещающие свойства и «чистых» ОУ ТОС, и классических ОУ. Быстродействующие ИС, в которых между инвертирующим входом и ядром, выполненным по схеме ОУ ТОС, встроен дополнительный буферный каскад (LM7171 и аналоги) позиционируются производителями не как ОУ ТОС, а как ОУ с обратной связью по напряжению[11]. Микромощные ИС с особо низким выходным сопротивлением, в которых входной повторитель ОУ ТОС охвачен глубокой обратной связью по напряжению (линейка «CFB plus» Burr-Brown и Texas Instruments), позиционируются как подкласс ОУ ТОС[12]. Немногочисленный подкласс ОУ ТОС с возможностью внешней коррекции (Burr-Brown OPA660, Analog Devices AD846 и другие) особого названия не получил, в научной литературе они обычно рассматриваются не как ОУ, а как токовые конвейеры.

В документации Burr-Brown 1990-х годов входной токовый конвейер OPA660 получил название diamond transistor (в русском переводе «бриллиантовый транзистор»), а выходной повторитель — diamond buffer («бриллиантовый» буфер). Смысл первого из этих названий был в том, что токовый конвейер второго поколения рассматривался как идеальный трёхвыводной усилитель тока, своего рода «транзистор» (его «эмиттером» служил выход повторителя, а «коллектором» — выход токовых зеркал)[13][14]. Предложенные термины не прижились, но словосочетание diamond transistor («бриллиантовый транзистор») иногда применяется для обозначения двухтактного эмиттерного повторителяШаблон:Sfn[15]. В отечественной практике конструкторов усилителей мощности звуковых частот похожая базовая схема получила в 1980-х годах название «параллельный» усилитель[16].

Схемотехника

Шаблон:Кратное изображение

Входной каскад ОУ ТОС выполняется по схеме двухтактного эмиттерного повторителя. Обычно используется четырёхтранзисторная транслинейная конфигурация параллельного усилителя (Шаблон:Lang-en, mixed translinear cell, MTC-IIШаблон:Sfn), реже — двухтактный повторитель с диодным смещением (Шаблон:Lang-enШаблон:Sfn). Коэффициент передачи повторителя, работающего в чистом режиме А, близок к единице настолько, что его отклонениями от идеала обычно пренебрегаютШаблон:Sfn[9]. Вход повторителя является неинвертирующим (потенциальным) входом ОУ ТОС, выход повторителя — инвертирующим (токовым) входом ОУ ТОС. В отличие от симметричного дифференциального каскада на входе классического ОУ, входы ОУ ТОС принципиально асимметричны, поэтому он практически никогда не применяется в схемах, чувствительных к асимметрии входов, например, в дифференциальных усилителях-вычитателяхШаблон:Sfn.

Выходное сопротивление повторителя <math>R_0</math> — важный показатель, ограничивающий точность устройств на ОУ ТОСШаблон:Sfn. В серийных ОУ ТОС оно не превышает 50 ОмШаблон:Sfn. В теории <math>R_0</math> пропорционально абсолютной температуре и обратно пропорционально току покоя повторителя[17][18], в реальных ИС это нестабильный, плохо предсказуемый показательШаблон:Sfn. Из-за неизбежного рассогласования пар pnp- и npn-транзисторов его значения для втекающих и вытекающих токов могут заметно различатьсяШаблон:Sfn, на высоких частотах <math>R_0</math> плавно возрастает, что незначительно улучшает стабильность усилителяШаблон:Sfn. На практике этими явлениями пренебрегают и проектируют цепи обратной связи так, чтобы обеспечить устойчивость при любых возможных значениях <math>R_0</math> во всём рабочем диапазоне частотШаблон:Sfn.

В верхнее и нижнее плечи питания входного повторителя включены два токовых зеркала, образующие совместно с повторителем неинвертирующий токовый конвейер второго поколения (CCII+). Генерируемый зеркалами разностный ток <math>{I_{m}}</math>, равный или прямо пропорциональный выходному току повторителя <math>{I_{err}}</math>, замыкается на условную «землю»[комм. 1] через частотно-зависимую цепь утечки с полным сопротивлением <math>{Z}</math>. Его активная составляющая <math>R_Z</math> (от сотен кОм до нескольких МОм) задаёт коэффициент усиления ОУ ТОС в области низких частот, а совместно с емкостной составляющей <math>C_Z</math> (доли пФ или несколько пФ) — частоту среза ОУ ТОС при разомкнутой петле ООС: <math>f_{co} = 1 / ( 2 \pi R_z C_z )</math>, порядка нескольких сотен кГцШаблон:SfnШаблон:Sfn. Токовые зеркала и цепь утечки образуют управляемый током источник тока c подключённым к нему трансимпедансом <math>{Z}</math>. Получаемое при этом напряжение <math>V_Z</math> равно произведению <math>ZI_{err}</math>.

Выходной эмиттерный повторитель передаёт это напряжение на выход ОУ ТОС. Конечное выходное сопротивление ОУ ТОС может влиять на его поведение при работе на низкоомную или емкостную нагрузку, но в расчётах им обычно пренебрегаютШаблон:Sfn. Выходные каскады ОУ ТОС проектируются для работы на нагрузки сопротивлением 100 Ом и менее (против типичной нагрузки 600 Ом у классического ОУ)Шаблон:Sfn. Частотные ограничения выходного каскада кремниевого ОУ ТОС, по данным 2006 года, начинают сказываться на частотах выше 1,3 ГГц, а у перспективных ИС на гетероструктурах SiGe — на частотах выше 20 ГГц[10]Шаблон:Sfn.

Динамические показатели

Шаблон:Кратное изображение

Коэффициент усиления

В неинвертирующем включении усиливаемое напряжение подаётся на неинвертирующий вход ОУ ТОС, а его инвертирующий вход подключается к средней точке делителя <math>{R_1}{R_2}</math>, включенного между выходом ОУ и общим проводом. В соответствии с первым законом Кирхгофа алгебраическая сумма токов, втекающих в среднюю точку делителя и вытекающих из неё, равна нулю:

<math>\frac{{V_o} - {V_{in-}}}{R_1} - \frac{V_{in-}}{R_2} + \frac{V_o}{Z} = 0 EducationBot (обсуждение)(1)</math>

В первом приближении <math>{R_0}=0</math>, поэтому <math>{V_{in-}}={V_{in+}}={V_{in}}</math>. Уравнение (1) преобразуется в формулу для коэффициента усиления <math>{K_y}</math>:

<math>K_y = \frac {V_o} {V_{in}} = \left ( { 1 + \frac {R_1} {R_2} } \right ) \left ( { \frac {1} {1 + \frac {1} {G} } } \right ) EducationBot (обсуждение)(2)</math>,

где <math>G</math> — частотнозависимый коэффициент петлевого усиления <math>G = \frac {Z(f)} {R_1} EducationBot (обсуждение)(3)</math>

В области низких частот при больших, чисто активных значениях <math>G</math> формула (2) вырождается в базовую формулу для неинвертирующего включения классического ОУ: <math>K_y = 1 + \frac {R_1}{R_2}</math>Шаблон:Sfn.

Частота среза для малого сигнала

В области высоких частот ОУ ТОС в схеме с ООС ведёт себя принципиально отлично от классического ОУ со встроенной корректирующей ёмкостью. У последнего частота среза в неинвертирующем включении <math>f_c</math> обратно пропорциональна коэффициенту усиления в области низких частот, заданному отношением <math>R_1</math> и <math>R_2</math>, то есть произведение частоты среза на коэффициент усиления постоянно и равно частоте единичного усиления[комм. 2]. Частота среза ОУ ТОС в первом приближении зависит только от величин <math>{R_1}</math> и корректирующей ёмкости <math>C_Z</math>, определяющей импеданс <math>Z</math> на высоких частотах, и не зависит от коэффициента усиления в области низких частотШаблон:Sfn:

<math>f_c \approx \frac {1} { 2 \pi {R_1} {C_Z} } EducationBot (обсуждение)(4)</math>Шаблон:Sfn

Изменение <math>{R_2}</math> изменяет коэффициент усиления, но полоса пропускания остаётся неизменной — что особенно удобно в радиочастотных схемах с цифровым программированием усиленияШаблон:SfnШаблон:Sfn. Независимость частоты среза от коэффициента усиления — характерное свойство токовых схем, впервые описанное Терманом в 1937 годуШаблон:Sfn.

Более точный анализ, учитывающий влияние <math>{R_0}</math>, показывает, что с ростом коэффициента усиления частота среза всё же снижается, но незначительно — намного медленнее, чем в схеме с обычным ОУШаблон:SfnШаблон:Sfn. Наиболее подвержены этому эффекту микромощные ИС с высокими значениями <math>{R_0}</math>[12]. При <math>K_y=1</math> грамотно спроектированный усилитель на базе ОУ ТОС устойчив, имеет максимально возможную частоту среза, но вблизи неё наблюдаются выбросы АЧХ и фазовые искаженияШаблон:Sfn. В устройствах, критичных к фазовым искажениям, предпочтительно включение с <math>K_y=2</math>, не столь быстродействующее, но менее склонное к выбросам АЧХШаблон:Sfn. При <math>K_y>10</math> сужение полосы пропускания становится очевиднымШаблон:Sfn, примерно на уровне <math>K_y > 50</math> зависимость <math>f_c(K_y)</math> приближается к обратно-пропорциональнойШаблон:Sfn. На практике столь высокие коэффициенты усиления не используются, а показатели ОУ ТОС в таких режимах не нормируются.

Паспортные частоты среза ОУ ТОС по данным обзора 2006 года составляют от 10 МГц (для микромощных серий) до 1,65 ГГц (для наиболее быстрых)Шаблон:Sfn. Токи покоя и полосы пропускания различных ОУ ТОС, созданных на сопоставимой технологической базе, связаны примерно линейной зависимостью. Типичный ОУ ТОС разработки начала 2000-х годов в покое потребляет примерно 1 мА на каждые 100 МГц предельной частоты срезаШаблон:Sfn.

Сопротивление обратной связи

Из формул (3) и (4) следует, что для расширения полосы пропускания следует уменьшать, насколько это возможно, величину <math>{R_1}</math>. При её снижении ниже допустимого предела (порядка нескольких сотен Ом) расчётная частота среза сдвигается в область полюсов второго и выше порядков, сдвиг фаз достигает величины в 180°, усилитель самовозбуждается. Тем более нельзя замыкать выход ОУ ТОС непосредственно на его инвертирующий вход, как это делается в повторителях на классических ОУ, или подключать к инвертирующему входу интегрирующую или корректирующую ёмкостьШаблон:Sfn[19]. При необходимости сузить полосу пропускания или подавить выбросы АЧХ корректирующая ёмкость подключается не к инвертирующему входу, а между неинвертирующим входом и общим проводом[19]. Модуль полного сопротивления цепи, включенной между выходом ОУ ТОС и его инвертирующим входом, никогда не должен опускаться ниже минимального значения <math>{R_1}</math>, указанного производителем для используемой комбинации коэффициента усиления, напряжения питания и сопротивления нагрузки. Исключение из этого правила — шунтирование <math>{R_1}</math> тщательно подобранной корректирующей ёмкостью для устойчивости ОУ ТОС в инвертирующем включении, когда к инвертирующему входу подключён источник со значительной выходной ёмкостью, например, ЦАП с токовым выходомШаблон:SfnШаблон:Ref+.

Как правило, производители указывают для каждой серии быстрых ОУ ТОС два набора минимально допустимых <math>{R_1}</math>, установленных опытным путём при характеризации прототипа ИСШаблон:Sfn. Более высокие значения гарантируют достаточный запас устойчивости и гладкую АЧХ в области частоты среза, меньшие обеспечивают лучшую полосу пропускания при минимальном запасе устойчивости и заметных выбросах АЧХ. Например, для выпущенного в 2002 году ОУ ТОС гигагерцового диапазона THS3202 первое значение составляет 750 Ом для любых допустимых <math>K_y</math>, второе — от 200 Ом для <math>K_y</math>=10 до 619 Ом для <math>K_y</math>=1[20]. Производитель отмечает, что низкое сопротивление цепи ООС, с одной стороны, снижает шумы усилителя, а с другой — представляет собой значительную нагрузку для его выходного каскада, и может быть причиной недопустимо высоких нелинейных искажений[20].

Все требования к <math>{R_1}</math> справедливы и для инвертирующего включения ОУ ТОС. Низкое входное сопротивление инвертирующего входа отлично подходит для этого режима — даже без ООС входной каскад поддерживает напряжение инвертирующего входа близким к напряжению «земли»[21]. Однако для усиления напряжения с большими <math>K_y</math> инвертирующее включение применяется редко из-за крайне низкого входного сопротивления схемы (<math>R_{in}=R_1/K_y</math>). Оно не только представляет сложную нагрузку для источника сигнала, но и ухудшает устойчивость усилителя на высоких частотах из-за влияния реактивности <math>{R_0}</math>Шаблон:Sfn. В быстрых преобразователях тока в напряжение инвертирующее включение, напротив, предпочтительно: чем ниже входное сопротивление, тем слабее влияние входной ёмкости на быстродействие преобразователяШаблон:Sfn. В схемах на классических ОУ полюс АЧХ, порождённый входной ёмкостью, компенсируется включением в цепь ООС внешней корректирующей ёмкости; в схемах на ОУ ТОС этот полюс обычно располагается на столь высоких частотах, что его компенсация не требуетсяШаблон:Sfn. Кроме того, благодаря низкому входному сопротивлению преобразователи на ОУ ТОС не нуждаются в диодах, Шаблон:Comment, которые неизбежно увеличивают входную ёмкость и ухудшают быстродействие преобразователя в целомШаблон:Sfn.

Скорость нарастания и частота сигнала полной мощности

Скорость переключения тока повторителями и, как следствие, скорости нарастания и спада выходного напряжения ОУ ТОС при чисто активной нагрузке велики настолько, что не влияют на частоту сигнала полной мощности, которая обычно совпадает с частотой среза для малого сигналаШаблон:SfnШаблон:Sfn. В классических ОУ, напротив, малая скорость нарастания выходного напряжения — основной фактор снижения частоты сигнала полной мощности и появления характерных искажений, которые не устраняются введением ООСШаблон:Sfn. Для повышения скорости нарастания такого ОУ можно, например, увеличить ток покоя каскадов усиления напряжения, но достичь значений, типичных для ОУ ТОС, при приемлемых токах покоя в классической топологии невозможноШаблон:Sfn.

В ОУ ТОС расчётная скорость нарастания также пропорциональна току покоя входного каскада и ограничена сверху величиной <math>S_R = \beta I_q / C_Z</math>, где <math>\beta</math> — коэффициент усиления по току выходных транзисторов, <math>I_q</math> — ток покоя входных транзисторов повторителяШаблон:Sfn. Для быстрых ОУ ТОС начала 2000-х годов предельная фактическая скорость нарастания напряжения составляла от 0,8 до 4 В/нсШаблон:Sfn; у выпущенного в конце 2005 года сверхбыстрого ОУ THS3201-EP скорость нарастания напряжения достигает +9,8 В/нс, а скорость спада — −6,7 В/нс[22]. Асимметрия предельных значений — следствие рассогласования динамических параметров более быстрых npn- и не столь быстрых pnp-транзисторов. Кроме того, на всех этапах развития технологий кремний на изоляторе коэффициент усиления pnp-транзисторов отставал от аналогичного показателя npn-транзисторов, причём с течением времени этот разрыв усилилсяШаблон:Sfn.

В большинстве случаев скорость нарастания и спада определяется исключительно величинами <math>R_1</math> и <math>C_Z</math> и не достигает предельных значений. В первом приближении токовые зеркала заряжают корректирующую ёмкость экспоненциально с постоянной времени

<math>\tau = R_1 C_Z EducationBot (обсуждение)(5)</math>Шаблон:Nbsp[9],

при этом расчётное время нарастания выходного напряжения до 90 % установившегося значения составляет 2,3·<math>\tau</math>, а время установления до 99 % — 4,6·<math>\tau</math> как для малых, так и для больших сигналов[9].

Максимальное выходное напряжение

Развитие комплементарных биполярных технологий в 1980-е — 1990-е годыШаблон:Sfn[23]
Показатель 1986
Шаблон:Comment		 1986
Шаблон:Comment		 1987
Шаблон:Comment		 1988
Шаблон:Comment		 1994
Шаблон:Comment		 2000
Шаблон:Comment
Граничная частота npn-транзистора, ГГц 0,4 4,0 0,6 0,8 3,0 9,0
Граничная частота pnp-транзистора, ГГц 0,2 2,5 0,7 0,5 1,6 8,0
Допустимый размах напряжений питания, В 36 10 36 36 32 12
Основа техпроцесса Шаблон:Comment Шаблон:Comment Шаблон:Comment Шаблон:Comment Шаблон:Comment Шаблон:Comment

Технологические процессы, применявшиеся в производстве ОУ ТОС в 1980-е годы, гарантировали допустимое напряжение пробоя транзисторов в 32…36 В при граничной частоте передачи тока в несколько сотен МГцШаблон:Sfn. К 2000 году граничная частота усиления кремниевыхШаблон:Ref+ транзисторов достигла 8…9 ГГц, а расплатой за быстродействие стало снижение напряжения пробоя до 12 ВШаблон:Sfn. Поэтому абсолютное большинство современных ОУ ТОС — низковольтные приборы с допустимым размахом напряжений питания не более 10 или 12 В; лишь немногие, относительно медленные модели, допускают работу при привычных для классических ОУ 30…36 ВШаблон:Sfn.

ОУ ТОС плохо подходят для схем с однополярным питанием и для схем, требующих предельно большого размаха выходного напряжения (режим rail-to-rail)Шаблон:Sfn[21]. Максимальный размах выходного напряжения ОУ ТОС заметно меньше, чем у современных классических ОУ при тех же напряжениях питания, и в особенности меньше, чем у специализированных ОУ класса rail-to-railШаблон:Sfn. Это неустранимый недостаток применяемых в ОУ ТОС двухтактных эмиттерных повторителейШаблон:Sfn[21]. Альтернативные конфигурации выходных каскадов, пригодные для режима rail-to-rail, используют схему с общим эмиттером (ОЭ), и потому слишком медленны для применения в ОУ ТОСШаблон:Sfn[21]. Кроме того, каскады ОЭ проигрывают эмиттерным повторителям в выходном сопротивлении, а их предельный размах напряжения достигается только на высокоомных нагрузках, тогда как типичная нагрузка ОУ ТОС имеет сопротивление всего в 75 или даже 50 ОмШаблон:Sfn[21].

Влияние паразитных ёмкостей

Файл:Current feedback op amp capacitances.png
Паразитные ёмкости (выделены красным) ОУ ТОС в неинвертирующем включении. Выделенное штриховкой Rp — добавочное сопротивление, развязывающее выход ОУ ТОС от ёмкости нагрузки Сн

ОУ ТОС, как и все усилители высоких и сверхвысоких частот, чувствительны к качеству трассировки печатной платы, качеству фильтрации питающих напряжений и особенно к паразитным ёмкостям сигнального тракта. Наиболее вероятные источники самовозбуждения и выбросов АЧХ — паразитные ёмкости между выходом и инвертирующим входом ОУ ТОС (<math>C_1</math>) и между инвертирующим входом и общим проводом (<math>C_2</math>). Анализ схемы типичного ОУ ТОС первого поколения с паспортной частотой среза 300 МГц в схеме с Шаблон:Comment с минимально допустимым сопротивлением <math>R_1</math>, показывает, что внесение в схему <math>C_1</math> Шаблон:Comment порождает выброс АЧХ в +4 дБ и расширяет полосу пропускания на 10 МГцШаблон:Sfn; <math>C_2</math> той же величины порождает выброс АЧХ в +3 дБ и расширяет полосу пропускания на 18 МГцШаблон:Sfn. Теоретически влияние паразитных ёмкостей может быть полностью нейтрализовано подбором одной из них таким образом, чтобы выполнялось равенство <math>R_1 C_1 = R_0 C_2</math>[24]Шаблон:Sfn. На практике этот приём применяется, когда к инвертирующему входу подключается источник с большой выходной ёмкостью, многократно увеличивающей <math>C_2</math>. Полностью нейтрализовать влияние <math>C_2</math> невозможно, конструкторы подбирают добавочное значение <math>C_1</math> таким образом, чтобы гарантировать устойчивость усилителя при любых возможных значениях <math>R_0</math> ценой сужения полосы пропусканияШаблон:SfnШаблон:Sfn[24]. Теоретически влияние паразитных ёмкостей можно нейтрализовать и введением в схему паразитных индуктивностей, но в реальных схемах их «вклад» лишь усугубляет положениеШаблон:Sfn.

Ёмкость нагрузки, включённая между выходом ОУ ТОС и общим проводом, увеличивает фазовый сдвиг выходного напряжения и также может быть причиной самовозбуждения[21]. Подавить влияние выходной ёмкости можно либо увеличением <math>R_1</math> сверх рекомендованного производителем, либо включением между выходом ОУ и ёмкостной нагрузкой развязывающего сопротивления номиналом в десятки или единицы Ом (<math>R_P</math>)[21]. И тот, и другой способ сужают полосу пропускания и снижают скорость нарастания напряжения на нагрузке; оптимальное решение можно выбрать только опытным путём[21].

Показатели точности

Шум ОУ ТОС

Справочные данные классического ОУ, оптимизированного для воспроизведения звука, как правило, включают не только значения спектральной плотности шума для некоторых частот, но и график спектральной плотности шумаШаблон:Sfn. Граница раздела между низкочастотной областью, в которой преобладает фликкер-шум, и областью средних частот, в которой преобладает белый шум, обычно лежит в пределах звукового диапазона частотШаблон:Sfn. Справочные данные ОУ ТОС, предназначенных для работы на частотах в десятки и сотни МГц, ограничиваются лишь значениями спектральной плотности шума:

  • Приведённый ко входу шумовой ток инвертирующего входа ОУ ТОС существенно выше, чем шумовой ток классического ОУШаблон:Ref+, его спектральная плотность составляет примерно 20—30 пА/Шаблон:Sqrt, при этом (в отличие от аналогичного показателя классических ОУ) её невозможно рассчитать или оценить по простым формуламШаблон:Sfn. Шумовой ток, протекающий через сопротивление обратной связи <math>R_1</math>, порождает пропорциональное этому сопротивлению выходное напряжение шума порядка 15 нВ/Шаблон:SqrtШаблон:Ref+. При малых <math>K_y</math> в выходном шуме доминирует токовая составляющая[21]Шаблон:Sfn.
  • Приведённое ко входу шумовое напряжение ОУ ТОС обычно ниже, чем у классического ОУШаблон:Ref+, его спектральная плотность обычно не превышает 2 нВ/Шаблон:Sqrt. На выходе ОУ ТОС этот шум усиливается в <math>K_y</math> раз и при больших <math>K_y</math> может стать основным источником шума[21]Шаблон:SfnШаблон:Sfn.

Значения спектральной плотности шума на выходе ОУ ТОС от обеих составляющих невелики, но с учётом большой полосы пропускания выходное напряжение шума может быть значительным. При указанных выше значениях спектральной плотности и полосе 1 ГГц расчётное среднеквадратичное напряжение шума на выходе при единичном усилении составляет 0,5 мВ, при <math>K_y=10</math> оно увеличивается до 0,8 мВШаблон:Ref+. У специализированных звуковых ОУ ТОС приведённое ко входу среднеквадратичное напряжение шума в полосе 20 Гц…20 кГц составляет примерно 0,5 мкВ[25].

Прохождение синфазного сигнала

Файл:Current-fedback opamp CMRR explanation RUS.svg
Графическое объяснение механизма прохождения синфазного сигнала в ОУ ТОС. Из-за эффекта Эрли токи выходных транзисторов совпадают только в одной точке — в идеале, при нулевом синфазном напряжении. Ненулевой разностный ток Ierr (выделен цветом) порождает ненулевое выходное напряжение

ОУ ТОС отличаются от классических ОУ непривычно низким коэффициентом ослабления синфазного сигнала. «Виновник» прохождения синфазного сигнала на выход схемы — нескомпенсированный эффект Эрли выходных транзисторов входного эмиттерного повторителяШаблон:Sfn. Подача на входы схемы положительного синфазного напряжения <math>\Delta U</math> уменьшает напряжение коллектор-эмиттер <math>U_{CE}</math> верхнего (npn) и увеличивает <math>U_{CE}</math> нижнего (pnp) транзистораШаблон:Sfn. Так как их напряжения база-эмиттер <math>U_{BE}</math> жёстко зафиксированы входными транзисторами, то из-за эффекта Эрли ток коллектора верхнего транзистора уменьшается, нижнего возрастаетШаблон:Sfn. Разностный ток компенсируется источником входного напряжения, а на выходе ОУ ТОС возникает отрицательное напряжение ошибкиШаблон:Sfn. В первом приближении, когда напряжения Эрли npn- и pnp-транзисторов совпадают и намного превосходят напряжения питания ОУ, коэффициент усиления синфазного напряжения составляет

<math>K_{ycc}=-2 Z \frac {I_q} {V_A}</math>,

а коэффициент ослабления синфазного напряжения

<math>K_{occ}=\frac {K_y } {K_{ycc}} = \frac {V_A} {2v_t}</math>Шаблон:Sfn,

где <math>I_q</math> — ток покоя выходных транзисторов повторителя, <math>V_{A}</math> — напряжение Эрли, <math>v_t</math> — температурный потенциал, пропорциональный абсолютной температуре pn-переходов, для кремния равный примерно 26 мВ при 300 КШаблон:Sfn. Из формулы следует, что <math>K_{occ}</math> зависит только от температуры и технологических параметров. Для техпроцессов 2000-х годов <math>V_{A}</math> составляет примерно 100…120 ВШаблон:Sfn, а расчётный (идеальный) <math>K_{occ}</math> равен 64…66 дБ. В реальных ИС более типичны величины около 50 дБ, что для многих задач неприемлемо низкоШаблон:Sfn, однако в специализированных звуковых ОУ ТОС <math>K_{occ}</math> составляет 88…90 дБ[25][26]. Приёмы, позволившие столь значительно улучшить показатель, производители не раскрывают. В перспективных разработках прохождение синфазного сигнала может быть эффективно подавлено каскодным включением транзисторов повторителяШаблон:Sfn.

Искажения на высоких частотах

На высоких частотах ОУ ТОС демонстрируют лучшие, по сравнению с классическими ОУ, показатели искажений. Нелинейные искажения ОУ ТОС и с разомкнутой, и с замкнутой цепью ООС ниже, чем у классического ОУ, благодаря высокой линейности двухтактных эмиттерных повторителей, особенно работающих в режиме АШаблон:Sfn. Для выходного повторителя с фиксированным током покоя заметный уровень нелинейных искажений проявляется лишь при переходе из режима А в режим AB, порог неискажённой передачи сигнала обычно проводят на уровне <math>-I_q < I_0 < I_q</math>[17]Шаблон:Ref+ {v_t} \right)</math>Шаблон:Nbsp[17]Шаблон:Sfn

Спектр нелинейных искажений такого повторителя можно оценить, разложив гиперболический синус в ряд Тейлора:

<math>I_0 = 2 I_q \left ( \frac {V_{io}} {v_t} + \frac {1} {6} \frac {V_{io}^3} {v_t^3} + \frac {1} {120} \frac {V_{io}^5} {v_t^5} + \ldots \right )</math>Шаблон:Nbsp[17]

.|"комм."}}. В большинстве серийных ОУ ТОС переход в режим АВ происходит при существенно бо́льших выходных токах благодаря динамическому управлению выходным повторителемШаблон:Sfn — та же система токовых зеркал, что управляет преобразователем тока в напряжение, модулирует токи входной пары транзисторов повторителя. Это уменьшает нелинейные искажения на больших выходных токах при неизменно малом токе покояШаблон:Sfn. Нелинейных искажений из-за ограниченной скорости нарастания выходного напряжения в ОУ ТОС не возникает в принципеШаблон:Sfn.

Другая особенность токовой архитектуры — стабильность фазовой характеристикиШаблон:Sfn. У всех ОУ ТОС фазовый сдвиг выходного сигнала относительно входного не превышает ±1 % в пределах, как минимум, половины полосы пропусканияШаблон:Sfn, что существенно ниже, чем у классических ОУ сопоставимого уровняШаблон:Sfn. Групповая задержка выходного сигнала также постоянна — как следствие, ОУ ТОС корректно воспроизводит форму высокочастотного сигналаШаблон:Sfn.

Искажения на постоянном токе и низких частотах

На постоянном токе и на низких частотах ОУ ТОС, напротив, проигрывают классическим ОУ. Приведённое ко входу напряжение смещения современных ОУ ТОС составляет от 0,5 до 5 мВШаблон:Sfn, что меньше, чем у классических ОУ на КМОП-приборах, сопоставимо с быстродействующими классическими биполярными ОУ, но намного больше, чем у специализированных прецизионных ОУ. Основная причина этого — асимметрия верхних (npn) и нижних (pnp) плеч эмиттерных повторителейШаблон:Sfn. Разница напряжений база-эмиттер <math>U_{be}</math> смещает выходное напряжение повторителя относительно его входа; разница коэффициентов усиления по току <math>\beta</math> порождает стабильно ненулевой ток смещения неинвертирующего входа, который в реальных схемах также смещает выходное напряжениеШаблон:Sfn. Точность и стабильность задания коэффициента усиления ОУ ТОС по постоянному току также намного ниже, чем в классическом ОУ. Погрешность определяется соотношением <math>R_z</math>, <math>R_1</math> и <math>R_0</math>; при типичных для серийных ИС сопротивлениях ошибка не опускается ниже 0,1 %Шаблон:Sfn.

Для ОУ ТОС характерны и не встречающиеся в классических ОУ тепловые искажения («тепловые хвосты», Шаблон:Lang-en). На практике они проявляются в затягивании реакции на скачок входного сигнала: ОУ ТОС отрабатывает 99,9 % выходной ступеньки с паспортной скоростью, но последние 0,1 % могут занимать непредсказуемое время и потому не нормируются[4]. Искажения этого рода существенны лишь при частоте следования импульсов порядка нескольких кГц и ниже в задачах, критичных к качеству передачи формы импульса — например, при обработке видеосигналов[4]. Наименее подвержены «тепловым хвостам» ОУ ТОС в инвертирующем включении, так как на входы усилителя подаётся постоянное (нулевое) синфазное напряжение[4]. Причина этого явления — в тепловой изоляции транзисторов друг от друга и от общей подложки, свойственной всем техпроцессам кремний на изолятореШаблон:Sfn. Саморазогрев транзисторов происходит быстрее, нежели в ИС с изоляцией pn-переходом, а разница температур между холодными и горячими транзисторами достигает величин, которыми уже нельзя пренебрегать. На малом сигнале сужается полоса пропускания схемыШаблон:Sfn; на большом сигнале перестаёт действовать принцип транслинейности, что проявляется в тепловой нелинейности и дрейфе смещения (рабочей точки)Шаблон:Sfn. Наиболее чувствительны к этим явлениям токовые зеркала, бандгапы, транслинейные эмиттерные повторители и их комбинации — в том числе ОУ ТОСШаблон:Sfn.

Совокупная оценка

Из-за нестабильности коэффициента усиления и «тепловых хвостов» ОУ ТОС проигрывают по совокупному уровню искажений на низких частотах как прецизионным, так и быстродействующим ОУ с обратной связью по напряжению[27], и практически непригодны для целей усиления постоянного токаШаблон:Sfn. Исключения из общего правила — специализированные ОУ TOC со сверхнизкими искажениями на низких частотах, например, «звуковой» ОУ LME49871[25]. На частотах свыше 100 МГц ОУ ТОС практически не имеют альтернативы; на высоких частотах, на которых быстродействующие классические ОУ ещё способны эффективно усиливать сигнал, выбор между ними и ОУ ТОС зависит от требований системы к сигналу:

  • в системах, оперирующих во временной области и потому чувствительных к искажению формы сигнала, лучшие (меньшие) искажения обеспечивают быстродействующие ОУ с обратной связью по напряжению[27]. Например, ОУ ТОС хорошо подходят для усиления промежуточной частоты в GSM-приёмниках, но совершенно непригодны для задач сглаживания и восстановления формы GSM-сигналаШаблон:Sfn.
  • в активных фильтрах предпочтительны ОУ с обратной связью по напряжению. ОУ ТОС работоспособны лишь в трёх из множества возможных конфигураций фильтровШаблон:SfnШаблон:Sfn;
  • в системах, оперирующих в частотной области и потому чувствительных к фазовым искажениям, предпочтительны ОУ ТОС[27];
  • шум на выходе ОУ ТОС при единичном усилении, как правило, выше, чем у классического ОУ. При больши́х <math>K_y</math>, напротив, ОУ ТОС может быть менее шумным[21].

Применение

Шаблон:См. также На практике ОУ ТОС работоспособны лишь в ограниченном числе типовых схем, из которых наиболее часто применяется схема неинвертирующего усилителя и построенные на её базе фильтрыШаблон:Sfn.

Широкополосный усилитель

Файл:Current feedback op amp single-input HDSL2 driver.png
Драйвер 135-омной линии HDSL2 на сдвоенном ОУ ТОС. Верхний по схеме ОУ — в неинвертирующем включении с Ку=2, нижний в инвертирующем с Ку=1. Величина сопротивлений обратной связи R1 определяется документацией на ИС[28]

Базовые схемы неинвертирующего и инвертирующего включения ОУ ТОС полностью повторяют аналогичные схемы на классических ОУШаблон:Sfn, но имеют свои особенности:

  • Сопротивление <math>R_1</math>, включенное между инвертирующим входом и выходом ОУ ТОС, должно быть не меньше рекомендованного производителемШаблон:Sfn;
  • В инвертирующем включении входное сопротивление схемы, примерно равное <math>R_1/K_y</math>, может представлять недопустимо сложную нагрузку для источника сигналаШаблон:Sfn;
  • В инвертирующем включении неинвертирующий вход подключается к источнику смещения — общему проводу или виртуальной земле — непосредственно, без резистора, который иногда применяется для компенсации смещения в схемах на классических ОУ[19];
  • В неинвертирующем включении при ёмкостной связи с источником сигнала следует предусмотреть подачу на неинвертирующий вход постоянного напряжения смещенияШаблон:Sfn.

Типичное, массовое применение широкополосных усилителей на ОУ ТОС — выходные усилители (драйверы) устройств xDSL[2]. В схемах с балансным выходом источника сигнала применяется драйвер на двух ОУ в неинвертирующем включении; в схемах с однополюсным выходом источника один (ведущий) ОУ работает в неинвертирующем включении, другой (ведомый) в инвертирующем. Шаблон:-

Дифференциальный усилитель

Шаблон:Кратное изображение

Асимметрия входов ОУ ТОС не препятствует построению на его базе дифференциальных усилителей. Простейшая схема на единственном ОУ и четырёх идентичных резисторах вполне работоспособна; её коэффициент ослабления синфазного сигнала (<math>K_{occ}</math>), так же как и в схеме на классическом ОУ, определяется точностью подбора резисторов[21]. При точности подбора 0,1 % теоретический <math>K_{occ}</math> на низких частотах может достигать 66 дБ[21] (без учёта вклада собственного <math>K_{occ}</math> ОУ). С ростом частоты этот показатель ухудшается из-за асимметрии входных емкостей ОУ ТОС; влияние этих емкостей можно ослабить, уменьшив входные сопротивления <math>R_{2-}</math> и <math>R_{2+}</math> до 100…200 Ом[21]. При тщательном подборе резисторов <math>K_{occ}</math> такой схемы сопоставим на ВЧ с показателем схемы на классическом ОУ (примерно 60 дБ на высоких частотах)[21].

Бо́льшую гибкость и повторяемость обеспечивает схема на двух ОУ ТОС, часто применяемая как входной балансный усилитель в системах проводной связи[19]. В этой схеме сопротивления обратной связи <math>R_{1-}</math> и <math>R_{1+}</math> выбираются по документации производителя[19]. Сопротивление <math>R_{2+}</math> подбирается под желаемый коэффициент усиления, а минимальный <math>K_{occ}</math> устанавливается подбором сопротивления <math>R_{2-}</math>[19].

Шаблон:-

Преобразователь тока в напряжение

Две типичные задачи, в которых используются преобразователи тока в напряжение, или трансимпедансные усилители, на ОУ ТОС — согласование с нагрузкой цифро-аналоговых преобразователей с токовым выходом, и усиление тока фотодиодов и аналогичных оптоэлектронных датчиков. Долгое время конструкторы избегали применять ОУ ТОС в таких устройствах, в первую очередь из-за их значительных входных токов[24]. Усилители фототока строились и продолжают строиться на ОУ с обратной связью по напряжению и входными каскадами на полевых транзисторах — малошумящих, точных, но не всегда достаточно быстрых[24]. В устройствах, требующих лучшего быстродействия и допускающих бо́льший, чем у классических ОУ, уровень шума, предпочтительны ОУ ТОС[24].

И фотодиоды, и ЦАП с токовым выходом отличаются значительной (десятки пФ и более) выходной ёмкостью, которая при подключении к инвертирующему входу ОУ ТОС суммируется с его входной ёмкостью (<math>C_2</math>) и становится причиной самовозбуждения[24]. Влияние этой ёмкости нейтрализуется включением между неинвертирующим входом и выходом ОУ корректирующей ёмкости <math>C_1=C_2 R_0/R_1</math>[24].

Фильтры

Файл:Current feedback op amp notch filter.png
Заграждающий фильтр по схеме двойного Т-моста на ОУ ТОС. Частота настройки <math>F_0=1/(2 \pi R_x C_x)</math>. Добротность задаётся делителем RQ1/RQ2, величина сопротивлений обратной связи R1 определяется документацией на ИСШаблон:Sfn

В научной литературе описаны десятки конфигураций фильтров на ОУ ТОСШаблон:Sfn, но на практике используются только три из них. Во всех трёх цепь ООС, соединяющая выход ОУ ТОС с его инвертирующим входом, чисто активная. Частотно-зависимая цепь обратной связи, если она есть, включается между выходом и неинвертирующим входом. Топологически все три схемы совпадают со схемами одноимённых фильтров на классических ОУ:

  • Фильтр НЧ или ВЧ первого порядка — пассивная RC-цепь, нагруженная на вход ОУ ТОС в неинвертирующем включенииШаблон:Sfn;
  • Фильтр НЧ или ВЧ второго порядка по схеме Саллена — Ки на ОУ ТОС в неинвертирующем включенииШаблон:Sfn. Оптимальный диапазон сопротивлений фильтрующей цепи для типичных высокочастотных устройств на ОУ ТОС — несколько сотен Ом или несколько кОм (при бо́льших значениях высокочастотный шум возрастает до неприемлемых значений), номиналы емкостей фильтра — не менее 100 пФ (при меньших значениях неприемлемой становится нестабильность частоты среза)[29];
  • Фильтр НЧ или ВЧ второго порядка, или заграждающий фильтр по схеме двойного Т-моста на паре ОУ ТОС. ФНЧ и ФВЧ на двойном Т-мосте сложнее и дороже фильтров Саллена — Ки, но намного удобнее в точной настройке АЧХШаблон:Sfn. Заграждающие фильтры такого рода чрезвычайно требовательны к точности подбора всех пассивных компонентов моста, но других способов построить заграждающий фильтр на ОУ ТОС просто не существуетШаблон:Sfn.

Реализация высокодобротного полосового (резонансного) фильтра на ОУ ТОС на практике невозможна; низкодобротные полосовые фильтры на ОУ ТОС строятся на последовательно соединённых ФВЧ и ФНЧ Саллена — КиШаблон:Sfn. Полосовой фильтр Саллена-Ки на единственном ОУ ТОС работоспособен, но его настройка на типичные для ОУ ТОС частоты требует прецизионных резисторов чрезвычайно низких номиналовШаблон:Sfn.

УМЗЧ по схеме ОУ ТОС

В 1985 году А. Агеев опубликовал описание усилителя мощности звуковой частоты на дискретных транзисторах по схеме ОУ ТОС[30]. Полоса частот номинальной мощности 0.02...200 кГц, а коэффициент нелинейных искажений (гармоник) не более 0.15%.

В 1990 году Марк Александер из Analog Devices опубликовал описание усилителя мощности звуковой частоты на дискретных транзисторах по схеме ОУ ТОС[31][32]. Входным повторителем в УМЗЧ Александера служил не эмиттерный повторитель, а специализированный «звуковой» ОУ с обратной связью по напряжению SSM2131 в неинвертирующем включении[31]. Выход ОУ служил инвертирующим входом для подключения глобальной ООС, токовые зеркала управлялись по цепям питания ОУ, а выходной повторитель был построен по традиционной схеме трёхкаскадного эмиттерного повторителя[31]. По утверждению автора, полоса пропускания его УНЧ составляла 1 МГц, а коэффициент нелинейных искажений не превышал 0,009 % на 20 кГц[31].

В последующие десятилетия токовая схемотехника нашла лишь ограниченное применение[33], например, по схеме ОУ ТОС строятся серийные усилители марки Accuphase[34]. Литература по проектированию УМЗЧ обходит ОУ ТОС стороной. В обзорных книгах А. А. Данилова (2008), Боба Корделла (2011) и Дугласа Селфа (2010) тема токовой обратной связи не рассматривается. По мнению Корделла и Селфа единственной топологией качественного УМЗЧ является усовершенствованный «усилитель Лина» (трёхкаскадный ОУ на дискретных транзисторах) с обратной связью по напряжению[33][35], по мнению Данилова — УМЗЧ с параллельным высокочастотным каналом, также с обратной связью по напряжению[36]. Схема ОУ ТОС появляется и кратко обсуждается, без упоминания самого термина, лишь в пятом издании книги Селфа[37]. По мнению звукоинженера Самюэла Гронера, Селф неверно оценил частотный диапазон и уровень искажений базовой схемы, и потому пришёл к заключению о её негодности для высококачественного усиления звука[38].

Комментарии

Шаблон:Примечания

Примечания

Шаблон:Примечания

Источники

Публикации разработчиков

Научные статьи и монографии

Ссылки

Шаблон:Избранная статья

Партнерские ресурсы
Криптовалюты
Магазины
Хостинг
Разное

  1. ↑ Шаблон:Книга
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 Шаблон:Статья
  3. ↑ 3,0 3,1 Шаблон:Книга
  4. ↑ 4,0 4,1 4,2 4,3 Шаблон:Публикация
  5. ↑ Шаблон:Cite web
  6. ↑ Шаблон:Публикация
  7. ↑ Шаблон:Статья
  8. ↑ Шаблон:Книга
  9. ↑ 9,0 9,1 9,2 9,3 Шаблон:Книга
  10. ↑ 10,0 10,1 Шаблон:Статья
  11. ↑ Шаблон:Cite web
  12. ↑ 12,0 12,1 Шаблон:Cite web, p.16
  13. ↑ Шаблон:Статья
  14. ↑ Шаблон:Статья
  15. ↑ Шаблон:Книга
  16. ↑ Шаблон:Cite web
  17. ↑ 17,0 17,1 17,2 17,3 Шаблон:Статья
  18. ↑ Шаблон:Статья
  19. ↑ 19,0 19,1 19,2 19,3 19,4 19,5 Шаблон:Книга
  20. ↑ 20,0 20,1 Шаблон:Cite web, p. 17
  21. ↑ 21,00 21,01 21,02 21,03 21,04 21,05 21,06 21,07 21,08 21,09 21,10 21,11 21,12 21,13 21,14 Шаблон:Публикация
  22. ↑ Шаблон:Cite web, p. 5
  23. ↑ Шаблон:Статья
  24. ↑ 24,0 24,1 24,2 24,3 24,4 24,5 24,6 Шаблон:Статья
  25. ↑ 25,0 25,1 25,2 Шаблон:Cite web
  26. ↑ Шаблон:Cite web
  27. ↑ 27,0 27,1 27,2 Шаблон:Публикация Также издавалось в виде главы в Шаблон:Публикация
  28. ↑ Шаблон:Cite web
  29. ↑ Шаблон:Статья
  30. ↑ Шаблон:Статья
  31. ↑ 31,0 31,1 31,2 31,3 Шаблон:Статья
  32. ↑ Шаблон:Патент США
  33. ↑ 33,0 33,1 Шаблон:Книга
  34. ↑ Шаблон:Cite web
  35. ↑ Шаблон:Книга
  36. ↑ Шаблон:Книга
  37. ↑ Шаблон:Книга
  38. ↑ Шаблон:Статья


Ошибка цитирования Для существующих тегов <ref> группы «комм.» не найдено соответствующего тега <references group="комм."/>

Источник — http://wikihandbk.com/ruwiki/index.php?title=Русская_Википедия:Операционный_усилитель_с_токовой_обратной_связью&oldid=10518163