Чарльз Китчин

Проблемы обеспечения устойчивости операционных усилителей в устройствах с питанием от однополярного источника

Однополярный или двуполярный источник питания?

Хотя схемы с операционными усилителями выгодно применять при питании от симметричного двуполярного источника, существует множество практических приложений, в которых, по соображениям экономичности или другим, необходима или желательна работа от источника питания с одной полярностью. Например, батарейная система питания автомобильного или судового оборудования обеспечивает только одну полярность. Даже такое оборудование с сетевым питанием, как компьютеры, может иметь только однополярный источник питания, формирующий для системы постоянное напряжение 5 или 12 В. При обработке аналоговых сигналов характерной чертой схемотехники с однополярным питанием оказывается необходимость применения дополнительных компонентов в каждом каскаде для формирования соответствующего смещения напряжения сигнала. Если это тщательно не продумать и не реализовать, возможно возникновение неустойчивости и других проблем.

Типичные проблемы при формировании смещения резисторами

Устройствам на операционных усилителях с однополярным питанием свойственны проблемы, обычно не встречающиеся в схемах с симметричным питанием. Главная из них заключается в том, что если необходимо обеспечить возможность смещения сигнала, как в положительную, так и в отрицательную сторону относительно напряжения некоторой общей шины, то уровень этого напряжения должен быть установлен между потенциалами шин питания. Основное преимущество использования двух источников питания состоит в том, что их общая точка является стабильной, низкоимпедансной шиной с нулевым потенциалом. Напряжения питания обеих полярностей обычно равны и противоположны по знаку, но эти условия не являются обязательными. При однополярном питании средняя точка источника должна быть создана искусственно введением дополнительных цепей смещения для поддержания постоянной составляющей сигнала на целесообразном уровне половины напряжения питания.

Поскольку при больших уровнях выходного сигнала обычно желательна симметричность ограничения, смещение как правило устанавливается в середине номинального диапазона выходного напряжения усилителя или, для простоты, на уровне половины напряжения питания. Наиболее эффективным способом достижения этого является применение стабилизатора, однако чаще используется деление напряжения питания двумя резисторами. Очевидная простота этого способа не исключает его недостатки.

Поясним некоторые конструктивные недостатки схемы неинвертирующего усилителя переменного тока на рис. 1. Сигнал поступает на вход и снимается с выхода через конденсаторы. Постоянная составляющая на входе с емкостной развязкой смещена до уровня V_S/2 делителем R_A - R_B, а коэффициент усиления в полосе пропускания составляет G = 1 + R2/R1. "Шумовое усиление" по постоянному току снижено до единичного конденсаторной развязкой цепи обратной связи от общей шины, тогда нуль АЧХ устанавливается элементами R1 и C1, а постоянная составляющая выходного напряжения равна напряжению смещения. Это устраняет искажения, вызванные ненужным усилением постоянной составляющей дифференциального входного напряжения усилителя. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью снижается от (1 + R2/R1) на высокой частоте до единичного на постоянном токе, значения частот среза составляют f = 1/2R1C1 и f = 1/2(R1+R2)C1, дополнительный сдвиг по фазе суммируется со сдвигами, возникающими во входных и выходных цепях.

Рисунок 1. Схема потенциально неустойчивого операционного усилителя с однополярным питанием

Эта простая схема имеет также другие серьёзные ограничения. Во-первых, свойство операционного усилителя подавлять изменения питающего напряжения оказывается бесполезным, поскольку любое отклонение напряжения питания непосредственно влияет на напряжение смещения V_S/2, установленное резистивным делителем. Хотя это не создаёт проблем на постоянном токе, любой синфазный шум, присутствующий на выводах источника питания, будет усилен вместе с входным сигналом (кроме самых низких частот). При коэффициенте усиления 100 фоновая пульсация в 20 мВ на 60 Гц будет усилена до уровня 1 В на выходе.

Хуже того, в схемах, где операционный усилитель должен отдавать большие выходные токи в нагрузку, может возникнуть неустойчивость. Если источник питания не будет хорошо стабилизирован (и блокирован конденсаторами), на шине питания могут появиться значительные напряжения наводок от сигнала. Поскольку имеется цепь связи неинвертирующего входа операционного усилителя и шины питания, то эти наводки поступят снова на вход усилителя, зачастую с таким сдвигом фазы, который вызовет низкочастотную генерацию типа "моторный шум" или самовозбуждение другого вида.

Вместо чрезвычайно тщательной компоновки платы, блокирования большим количеством конденсаторов выводов источника питания, звездообразной разводки проводников заземления и корректной разводки проводников питания на печатной плате, что снизит наводки и обеспечит устойчивость схемы, целесообразнее внести изменения в схему для улучшения подавления наводок от источника питания. Несколько таких способов предложено здесь.

Развязка цепи формирования смещения от питания

Одним из возможных решений будет блокировка конденсатором делителя напряжения смещения и использование дополнительного резистора, что приведёт к изменению схемы, как показано на рис. 2. Для восстановления подавления переменной наводки от источника питания средняя точка делителя напряжения теперь блокирована для сигнала переменного тока конденсатором C2. Резистор R_BX, заменяющий R_A/2 в качестве входного сопротивления для переменного сигнала, кроме того служит для прохождения входного тока неинвертирующего входа.

Рисунок 2. Цепь формирования смещения операционного усилителя с однополярным питанием и развязкой

Номиналы R_A и R_B, конечно, должны быть возможно меньшими; выбор значений 100 кОм обусловлен стремлением минимизировать потребляемый ток, что может оказаться желательным в устройствах с батарейным питанием. Величину блокирующего конденсатора также следует выбирать осмотрительно. При номиналах делителя напряжения R_A = R_B = 100 кОм и значении ёмкости C2 0,1 мкФ или около того, ширина полосы пропускания этой цепи по уровню -3 дБ, определяемая параллельным соединением R_A, R_B и С2, окажется равной 1/2p(R_A/2)C2 = 32 Гц. Несмотря на лучшие характеристики, чем в схеме на рис. 1, подавление синфазной помехи на частотах ниже 32 Гц снижается, что может вызвать существенную обратную связь через источник питания на низких частотах. В результате необходим конденсатор большего номинала во избежание самовозбуждения с генерацией типа "моторный шум" и других проявлений неустойчивости.

Практический подход состоит в увеличении номинала конденсатора C2 настолько, чтобы он эффективно блокировал делитель напряжения на всех частотах в пределах полосы пропускания схемы. Согласно хорошему эмпирическому правилу, соответствующий полюс АЧХ следует располагать в 10 раз ниже частоты среза входного сигнала по уровню -3 дБ, которая определяется постоянными времени R_BXC_BX и R1C1.

Коэффициент усиления по постоянному току по-прежнему составляет единицу. Даже в этом случае следует учитывать входные токи операционного усилителя. Резистор R_BX вместе с делителем напряжения R_A/R_B вносит значительное сопротивление, последовательно включенное с выводом неинвертирующего входа операционного усилителя. Чтобы сохранить потенциал выхода операционного усилителя близким к половине напряжения питания при использовании обычных операционных усилителей с обратной связью по напряжению, имеющих симметричные входы, необходимо сбалансировать схему выбором величины R2.

В зависимости от напряжения питания, типовые значения, составляющие разумный компромисс между повышенным потреблением тока и повышенной восприимчивостью к входному току усилителя, составят от 100 кОм при однополярном питании 15 или 12 В, до 42 кОм при питании 5 В и 27 кОм для 3,3 В.

Для усилителей, предназначенных для высокочастотных устройств (особенно для усилителей с обратной связью по току), следует использовать малые сопротивления на входе и в цепи обратной связи, чтобы обеспечить нужную полосу пропускания в присутствии паразитных емкостей. Операционный усилитель типа AD811, который был разработан для быстродействующих видеоустройств, будет в общем случае иметь оптимальные характеристики при использовании резистора R2 = 1 кОм. Поэтому в устройствах таких типов следует использовать значительно меньшие номиналы резисторов в делителе напряжения R_A/R_B (и большие блокировочные ёмкости) для снижения влияния входного тока на смещение и во избежание неустойчивости на низких частотах.

В устройствах на современных операционных усилителях с полевыми транзисторами на входе, благодаря их малому входному току, потребность в симметрии резисторов входов не столь велика, если только схема не предназначена для работы в очень широком диапазоне температур. В таких случаях симметризация сопротивлений во входных цепях усилителей по-прежнему остаётся разумной мерой предосторожности.

Рис. 3 показывает одну из возможных реализаций цепей смещения и блокировки в схеме инвертирующего усилителя.

Рисунок 3. Схема усилителя с однополярным питанием и развязкой цепи смещения

Методика формирования смещения резистивным делителем дешева и обеспечивает равенство постоянного выходного напряжения операционного усилителя значению V_S/2, но подавление операционным усилителем синфазных помех по-прежнему зависит от постоянной времени RC-цепи, образованной R_A и конденсатором C2. Использование номинала C2, обеспечивающего по крайней мере 10-кратное превышение значения постоянной времени входной RC-цепи (R1/C1 и R_BX/C_BX), поможет обеспечить разумный коэффициент подавления синфазных помех. Для резисторов R_A и R_B по 100 кОм реальные значения C2 могут оставаться довольно малыми, если полоса среза цепи не слишком низка.

Формирование смещения стабилитроном

Более эффективный способ создания необходимого смещения V_S/2 при работе с однополярным питанием состоит в использовании стабилизатора на стабилитроне, как изображено на рис. 4. Здесь ток через стабилитрон определяет резистор R_Z. Конденсатор C_N препятствует проникновению шума стабилитрона на вход операционного усилителя.

Рисунок 4. Неинвертирующий усилитель с однополярным питанием с формированием смещения стабилитроном

Следует выбирать стабилитрон с рабочим напряжением, близким к V_S/2. Резистор R_Z должен быть выбран так, чтобы создать достаточно большой ток для работы стабилитрона при устойчивом номинальном напряжении и обеспечить низкий выходной шум стабилитрона. Кроме того, также важно снизить потребляемую мощность (и нагрев), и избегать повреждения стабилитрона. Поскольку от источника опорного напряжения вход операционного усилителя потребляет небольшой ток, желательно выбирать маломощный диод. Лучше использовать прибор с номинальной мощностью 250 мВт, но также приемлемы шире распространённые разновидности на 500 мВт. Оптимальный ток стабилитрона различен у разных изготовителей, но практические значения I_Z от 500 мкА (для устройства 250 мВт) и до 5 мА (для устройства 500 мВт) обычно считаются хорошим компромиссом для такого применения.

В пределах рабочего диапазона стабилитрона, схема на рис. 4 по существу обеспечивает низкое значение внутреннего сопротивления источника опорного напряжения, которое позволяет использовать подавление синфазных помех источника питания операционным усилителем. Выгоды существенны, но за это приходится платить: большее потребление мощности, постоянное выходное напряжение операционного усилителя определяются напряжением стабилитрона, а не V_S/2. В случае существенного снижения напряжения источника питания, при больших амплитудах может происходить асимметричное ограничение. Кроме того, по-прежнему следует учитывать влияние входных токов. Резисторы R_BX и R2 должны быть близки к тем же самым значениям, чтобы исключить возникновение существенной ошибки напряжения смещения из-за входных токов.

На рис. 5 показана схема инвертирующего усилителя с использованием того же самого способа смещения стабилитроном.

Рисунок 5. Инвертирующий усилитель с однополярным питанием с формированием смещения стабилитроном

В таблице приведены параметры некоторых стабилитронов, которые могут быть выбраны для создания напряжения смещения, приблизительно равного половине напряжения питания при различных уровнях напряжения питания. Для удобства номиналы R_Z подобраны так, чтобы обеспечить токи диодов 5 и 0,5 мА на схемах 4 и 5. Для снижения шума схемы, оптимальный ток стабилитрона может быть подобран по рекомендациям изготовителя.

Таблица 1. Предлагаемые наименования стабилитронов (номенклатура Motorola) и номиналы RZ для применения в сх. по рис. 4 и 5

Формирование смещения операционного усилителя с использованием линейного стабилизатора напряжения

Для схем с операционными усилителями, работающих при стандартном напряжении 3,3 В, необходимо напряжение смещения 1,65 В. Обычно доступны стабилитроны только свыше 2,4 В, хотя аналогично стабилитронам могут использоваться параллельные стабилизаторы с выходным напряжением, пропорциональным ширине запрещённой зоны (bandgap), на 1,225 В типа AD589 и AD1580, чтобы сформировать фиксированное, но не половинное относительно питания напряжение с низким выходным сопротивлением. Простейшим способом формирования произвольных значений напряжения смещения с низким выходным сопротивлением (например V_S/2) будет применение линейного регулятора напряжения, например, ADM663A или ADM666A, как изображено на рис. 6. Его выходное напряжение может быть установлено от 1,3 до 16 В, что даёт возможность формировать напряжения смещения с низким выходным сопротивлением для однополярного питания от 2 до 16,5 В.

Рисунок 6. Схема формирования смещения операционного усилителя с однополярным питанием с использованием линейного регулятора напряжения

Схемы усилителей постоянного тока с однополярным питанием

До сих пор обсуждались только схемы операционных усилителей переменного тока. При применении входных и выходных конденсаторов подходящих больших номиналов схема переменного тока может работать на частотах значительно ниже 1 Гц, однако в некоторых устройствах требуются усилители постоянного тока. Формирующие постоянные напряжения с низким выходным сопротивлением схемы, например, обсуждаемые выше стабилитроны и регуляторы, могут использоваться для формирования напряжения "виртуальной земли".

В качестве альтернативы, резисторы смещения до V_S/2 на рис. 1 - 3 могут быть буферизованы операционным усилителем для формирования цепи "виртуального заземления" с низким выходным сопротивлением, как изображено на рис. 7. Если источником питания является низковольтная батарея, к примеру 3,3 В, то необходим операционный усилитель типа rail-to-rail, имеющий допустимый размах входных и выходных сигналов, близкий к уровням питания, который способен эффективно работать во всём диапазоне питающих напряжений. Операционный усилитель также должен быть способен создавать положительный или отрицательный выходной ток, достаточно большой для выполнения требований обеспечения тока в нагрузке основной схемы. Конденсатор C2 шунтирует делитель напряжения, чтобы снизить шум резисторов. В этой схеме не требуется подавление синфазных наводок из напряжения питания, поскольку общий вывод в ней ("виртуальная земля") всегда имеет потенциал половины напряжения питания.

Рисунок 7. Использование операционного усилителя в схеме формирования "виртуальной земли" для батарейных устройств, работающих с сигналами постоянного тока

Проблемы, связанные с переходными процессамипри включении схем

В заключение следует рассмотреть вопросы оценки времени переходных процессов при включении схем. Ориентировочно время переходного процесса будет зависеть от постоянной времени RC-цепочки используемого фильтра с самой низкой частотой среза.

Во всех отображённых здесь схемах с пассивным смещением следует обеспечить превышение постоянной времени цепи делителя напряжения R_AIIR?_B-C2 в 10 и более раз относительно постоянных времени цепей входа или выхода. Это должно упростить расчёт схем (так как на полосу пропускания по входу влияют до трёх полюсов разных RC-фильтров). Эта наибольшая постоянная времени также обеспечивает "включение" цепи смещения после входных и выходных цепей операционного усилителя, позволяя таким образом постепенное нарастание выходного напряжения операционного усилителя от нуля до V_S/2, без выброса к напряжению шины положительного питания. Требуемая частота среза по уровню -3 дБ составляет 1/10 часть таковой для R1/C1 и R_НАГР/C_ВЫХ. Например, на рис. 2 при полосе пропускания цепи 10 Гц и коэффициенте усиления 10, C2 номиналом 3 мкФ обеспечит частоту среза по уровню -3 дБ в 1 Гц.

При R_AIIR_B = 50000 Ом, конденсатор 3 мкФ обеспечивает постоянную времени RC-цепи в 0,15 секунды. Поэтому на выходе операционного усилителя потребуется приблизительно от 0,2 до 0,3 с для установления напряжения достаточно близко к V_S/2. Тем временем, входные и выходные RC-цепи перезарядятся в десять раз быстрее.

В устройствах, где время переходных процессов схемы может оказаться чрезмерно большим, лучшим выбором может оказаться способ формирования смещения стабилитроном или активный способ.

Перевод сделан при содействии фирмы AUTEX Ltd. (АВТЭКС)