Diferenciální zesilovač z diskrétních součástek vs. integrované řešení.

autor článku: Jordyn Ansari, Chau Tran, Analog Devices

Otázka: Proč platit více za méně?

RAQ 165

 

Odpověď: Klasická konstrukce diferenciálního zesilovače je docela jednoduchá. Co může být složitého na jednom OZ a odporové síti ze čtveřice odporů?

Vlastnosti takového obvodu však nemusí být tak skvělé, jako by si konstruktéři přáli. Na základě reálných konstrukcí tento článek ukazuje některé nevýhody, s nimiž se lze setkat při použití diskrétních odporů z hlediska přesnosti a driftu zesílení, potlačení souhlasného módu pro střídavé signály (CMR) a driftu ofsetu.

Klasický diferenciální zesilovač z diskrétních součástek je vidět na obr.1.

RAQ 165 fig 01

 Obr. 1.  Klasický diferenciální zesilovač z diskrétních součástek

 

 Pro napěťový přenos tohoto zesilovače platí:

RAQ 165 eq 01

Při R1=R3 a R2=R4 se rovnice zjednoduší na:

RAQ 165 eq 02

Toto zjednodušení může být rychlou cestou k aproximaci očekávaného signálu, ale tyto odpory nejsou nikdy totožné. K tomu navíc mají nízkou přesnost a vysoký teplotní součinitel odporu, a způsobují tak v obvodu značné chyby.

Například při použití dobrého OZ a odporů 1%, 100 ppm/°C, může být počáteční chyba zesílení až 2 %, s možnou změnou až 200 ppm/°C. Jedním řešením tohoto problému může být využití monolitických odporových sítí pro přesné nastavení zesílení, ale tyto sítě jsou objemné a drahé. Kromě toho má většina diskrétních diferenciálních obvodů s OZ vedle nízké přesnosti a značného teplotního driftu nízké CMR a vstupní rozsah je nižší než napájecí napětí. Také monolitické přístrojové zesilovače budou vykazovat drift zesílení, jelikož vnitřní odporová síť předzesilovačů není spárovaná s vnějším odporem pro nastavení zesílení, který se připojuje k vývodu RG.

Nejlepším řešením všech těchto nedostatků je použití diferenciálního zesilovače s vnitřními odpory pro nastavení zesílení, takového jako je AD8271. Tyto výrobky se obvykle skládají z vysoce přesného OZ s nízkým zkreslením a několika trimovaných odporů. Tyto odpory je možné zapojit různými způsoby a vytvořit nejrůznější konfigurace zesilovače, včetně diferenciální, neinvertující a invertující. Odpory na čipu lze zapojit i paralelně a získat tak ještě širší nabídku možností. Využití odporů na čipu nabízí konstruktérům několik výhod oproti konstrukci z diskrétních součástek.

Většina stejnosměrných parametrů obvodů s operačními zesilovači závisí na přesnosti okolních odporů. Tyto vnitřní odpory jsou upraveny tak, aby byly dobře přizpůsobeny, laserem trimovány a zkoušeny na přesnost přizpůsobení. Díky tomuto opatření je zaručena vysoká přesnost parametrů, jako jsou drift zesílení, potlačení souhlasného módu a chyba zesílení. V integrovaném stavu může obvod na obr. 1 poskytnout přesnost zesílení 0,1 %, s driftem zesílení nižším než 10 ppm/°C, jak je vidět na obr. 2.

RAQ 165 fig 02

Obr. 2.  Porovnání chyby zesílení – AD8271 vs. řešení z diskrétních součástek v závislosti na teplotě

 
Střídavé parametry

Velikost obvodu v integrované formě je mnohem menší než na DPS a odpovídající parazitní činitele jsou také menší, což pomáhá zlepšit střídavé parametry. Např. vývody invertujícího a neinvertujícího vstupu OZ uvnitř AD8271 úmyslně nejsou vyvedeny. Tím, že tyto uzly nejsou připojeny na spojové linie DPS, kapacita zůstává nízká, což zlepšuje zpětnovazební stabilitu a potlačení souhlasného módu v závislosti na kmitočtu – viz obr. 3, kde jsou parametry porovnány.

RAQ 165 fig 03

Obr. 3.  CMRR v závislosti na kmitočtu – AD8271 vs. řešení z diskrétních součástek

 Důležitou funkcí diferenciálního zesilovače je potlačení signálů, které jsou společné oběma vstupům. Pokud odpory R1 až R4 nejsou zcela totožné, nebo pokud poměry R1, R2 a R3, R4 nejsou zcela totožné, přičemž zesílení je větší než 1, část souhlasného napětí bude zesílena diferenciálním zesilovačem a projeví se v Uvýst jako platná rozdílová hodnota mezi U1 a U2, kterou nelze odlišit od skutečného signálu. Schopnost diferenciálního zesilovače toto potlačit se nazývá potlačení souhlasného módu a parametr lze vyjádřit buď jako prostý poměr (CMRR) nebo v decibelech (dB). U řešení z diskrétních součástek nejsou odpory tak dobře vzájemně přizpůsobeny jako laserem trimované odpory v řešení integrovaném, jak je patrné ze závislosti výstupního napětí na velikosti souhlasného napětí na obr. 4.

RAQ 165 fig 04

Obr. 4.  Výstupní napětí v závislosti na souhlasném napětí – AD8271 vs. řešení z diskrétních součástek

 

Pro potlačení souhlasného módu ideálního OZ platí:

RAQ 165 eq 03

kde Ad je zesílení diferenciálního zesilovače a t tolerance odporů. Tedy při jednotkovém zesílení a toleranci odporů 1% je hodnota CMRR 50 V/V, nebo přibližně 34 dB; při toleranci odporů 0,1 % se CMRR zvýší na 54 dB. I v případě ideálního OZ s nekonečným potlačením souhlasného módu je celková hodnota CMRR omezena mírou přizpůsobení odporů. Některé levné OZ mají minimální hodnotu CMRR v rozsahu 60 až 70 dB, což tyto chyby zhoršuje.

 

Nízkotoleranční odpory

Zatímco zesilovače obvykle fungují dobře v jejich definovaném rozsahu provozních teplot, teplotní koeficient vnějších diskrétních odporů je třeba vzít v úvahu. V případě zesilovače s integrovanými odpory, mohou být odpory trimovány s ohledem na drift a spárovány. V návrhu rozložení jsou obvykle odpory umístěny blízko sebe, takže všechny odpory „ujíždějí“ s teplotou současně, a tím snižují jejich teplotní koeficient ofsetu. V případě řešení z diskrétních součástek jsou odpory na DPS rozloženy dále od sebe a nejsou tak dobře spárovány jako u integrovaného zesilovače, a v důsledku toho vykazují horší teplotní koeficient ofsetu, jak je patrné na obr. 5.

RAQ 165 fig 05

Obr. 5.  Systémový ofset v závislosti na teplotě – AD8271 vs. řešení z diskrétních součástek

Diferenciální zesilovač se čtyřmi odpory, ať už diskrétní nebo monolitický, se používá velmi často. Při použití jediné součástky namísto několika diskrétních součástek rozmístěných na DPS lze desku vyrobit rychleji, efektivněji a také úsporněji z hlediska osazované plochy.

Abyste dosáhli slušné konstrukce, kterou stojí za to vyrábět, dobře zvažte zesílení šumu, rozsah vstupního napětí a CMR minimálně 80 dB, nebo lepší. Tyto odpory se také vyrábějí ze stejného tenkovrstvého materiálu s nízkým driftem, takže přizpůsobení jejich poměrů s teplotou je vynikající.

Závěr:

Je jasně vidět rozdíl mezi zesilovači s vnitřními odpory pro nastavení zesílení a diferenciálními zesilovači z diskrétních součástek.