Pytanie:
Czemu płacić więcej za mniej?
Odpowiedź:
Konstrukcja klasycznego dyskretnego wzmacniacza różnicowego jest dość prosta. Co może być skomplikowanego w przypadku wzmacniacza operacyjnego i obwodu z czterema rezystorami?
Jednakże, wydajność tego obwodu może nie być taka duża jak chcieliby projektanci. W oparciu o rzeczywiste projekty, w tym artykule przedstawiono niektóre wady pojawiające się w przypadku rezystorów dyskretnych, włączając w to dokładność wzmocnienia, dryft wzmocnienia, tłumienie sygnału współbieżnego (CMR) i dryft składowej stałej.
Klasyczny 4-rezystorowy wzmacniacz różnicowy został przedstawiony na Rysunku 1.
Rysunek 1. Klasyczny dyskretny wzmacniacz różnicowy
Transmitancja tego wzmacniacza to:
Kiedy R1=R3 i R2=R4, powyższe równanie upraszcza się do
Uproszczenie to może być szybkim sposobem na aproksymację oczekiwanego sygnału, ale rezystory te nigdy nie są sobie równe. Ponadto rezystory zwykle mają niską dokładność i wysoki współczynnik temperaturowy, co powoduje znaczące błędy w obwodzie.
Na przykład, przy użyciu dobrych wzmacniaczy i standardowych oporników 1%, 100 ppm/°C, początkowy błąd wzmocnienia może wynosić do 2% i może się wahać nawet do 200 ppm/°C. Jednym z rozwiązań tego problemu może być zastosowanie monolitycznych układów rezystorowych do precyzyjnego ustawienia wzmocnienia, ale one są z kolei nieporęczne i drogie. Poza niską dokładnością i znacznym dryftem temperaturowym, większość obwodów dyskretnego różnicowego wzmacniacza operacyjnego ma kiepski współczynnik CRM i zakres napięcia wejściowego niższy niż napięcie zasilania. Monolityczne wzmacniacze instrumentalne będą miały również dryft wzmocnienia, ponieważ wewnętrzny układ rezystorów przedwzmacniaczy nie pasuje do zewnętrznego rezystora podłączonego do wyprowadzenia RG.
Najlepszym rozwiązaniem wszystkich tych problemów jest użycie wzmacniacza różnicowego z wewnętrznymi rezystorami ustalającymi wzmocnienie, takiego jak AD8271. Zazwyczaj produkty te składają się z precyzyjnego wzmacniacza operacyjnego o niskich zniekształceniach i kilku rezystorów. Rezystory te mogą zostać połączone w celu stworzenia szerokiej gamy konfiguracji wzmacniaczy, w tym konfiguracji różnicowej, nieodwracającej i odwracającej. Rezystory znajdujące się na chipie mogą zostać połączone równolegle, co poszerza zakres opcji. Zastosowanie takich układu zapewnia projektantowi kilka zalet w porównaniu z konstrukcją dyskretną.
Większość parametrów stałoprądowych wzmacniacza operacyjnego zależy od dokładności otaczających rezystorów. Rezystory wewnętrzne są ściśle dopasowane, laserowo docinane i testowane pod kątem dokładności dopasowania. Dzięki temu mamy gwarancję wysokiej dokładności parametrów, takich jak dryft wzmocnienia, tłumienie sygnału współbieżnego i błędu wzmocnienia. Po zintegrowaniu obwód z rysunku 1 może zapewnić dokładność wzmocnienia 0,1% przy dryfcie mniejszym niż 10 ppm/°C, jak to pokazano na rysunku 2.
Rysunek 2. Porównanie błędu wzmocnienia i temperatury – AD8271 vs. rozwiązanie dyskretne
Parametry AC
Wymiary obwodu są znacznie mniejsze w układzie scalonym niż na płytce drukowanej (PCB), więc odpowiadające czynniki pasożytnicze również są mniejsze i dlatego poprawiają parametry dla prądu przemiennego. Na przykład dodatnie i ujemne zaciski wejściowe wzmacniacza operacyjnego AD8271 celowo nie są przypięte do wyprowadzeń układu. Bez podłączenia ich do ścieżek na PCB, pojemność pozostaje niska, co skutkuje zarówno poprawą stabilności pętli sprzężenia zwrotnego, jak i tłumienia sygnału współbieżnego w funkcji częstotliwości. W celu porównania parametrów zobacz rysunek 3.
Rysunek 3. Porównanie CMRR i częstotliwości – AD8271 vs. rozwiązanie dyskretne CMRR
Ważną funkcją wzmacniacza różnicowego jest tłumienie sygnałów, które są wspólne dla obu wejść. Nawiązując do rysunku 1, jeśli rezystory nie są idealnie dopasowane (lub jeśli R1 z R2 i R3 z R4 nie są dopasowane stosunkowo, gdy wzmocnienie jest większe niż 1), wzmacniacz różnicowy wzmocni część napięcia sygnału wspólnego i efekt pojawi się na wyjściu VOUT jako sygnał różnicowy pomiędzy V1 i V2, którego nie można odróżnić od rzeczywistego sygnału. Zdolność wzmacniacza różnicowego do tłumienia nazywana jest tłumieniem sygnału współbieżnego. Można to wyrazić jako współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego (ang. common-mode rejection ratio [CMRR]), często przeliczany na decybele (dB). W rozwiązaniu dyskretnym rezystory nie są tak dobrze dopasowane jak te laserowo przycięte w rozwiązaniu zintegrowanym, co widać na wykresie napięcia wyjściowego w funkcji napięcia współbieżnego na rysunku 4.
Rysunek 4. Napięcie wyjściowe vs. napięcie sygnału wspólnego – AD8271 vs. rozwiązanie dyskretne
CMRR, przy założeniu, że to idealny wzmacniacz operacyjny, wynosi:
gdzie Ad to wzmocnienie wzmacniacza różnicowego a t to tolerancja rezystora. Tak więc, przy wzmocnieniu jednostkowym i rezystorach rzędu 1%, CMRR wynosi 50 V/V lub około 34 dB; natomiast przy rezystorach 0.1% CMRR wzrasta do 54 dB. Nawet przy idealnym wzmacniaczu operacyjnym z nieskończonym tłumieniem w trybie wspólnym, tolerancja rezystora ogranicza całkowity CMRR. Niektóre tanie wzmacniacze operacyjne mają minimalny CMRR rzędu jedynie 60-70 dB, co tylko powoduje większe błędy.
Rezystory o niskiej tolerancji
Podczas, gdy wzmacniacze zazwyczaj działają prawidłowo w określonym zakresie temperatur, należy wziąć pod uwagę współczynnik temperaturowy zewnętrznych rezystorów dyskretnych. W przypadku wzmacniacza z wbudowanymi rezystorami, rezystory mogą być przycinane i dopasowywane. Rezystory w układzie są zwykle blisko siebie, zmniejszając w ten sposób dryft temperaturowy. W przypadku dyskretnym rezystory są rozłożone na PCB i nie są tak dobrze dopasowane, jak w przypadku zintegrowanego układu. Daje to większy dryft temperaturowy, jak pokazano to na rysunku 5.
Rysunek 5. Offset systemu vs. temperatura— AD8271 vs. rozwiązanie dyskretne
4-rezystorowy wzmacniacz różnicowy – zarówno dyskretny, jak i monolityczny – to układ bardzo szeroko stosowany. Zamiast kilku elementów dyskretnych umieszczonych na płytce PCB, dzięki jednemu układowi scalonemu, płytka może być zbudowana szybciej, wydajniej i przy znacznych oszczędnościach w przestrzeni.
Aby uzyskać solidną, wartą produkcji konstrukcję, należy zwrócić uwagę na wzmocnienie szumu, zakres napięcia wejściowego oraz CMR rzędu 80 dB bądź lepszy. Rezystory te są również wytwarzane z tego samego cienkowarstwowego materiału o niskim dryfcie, więc ich dopasowanie w funkcji temperatury jest bardzo dobre.
Wnioski
Łatwo zauważyć różnicę pomiędzy wzmacniaczami z wewnętrznymi rezystorami ustalającymi wzmocnienie, a dyskretnymi wzmacniaczami różnicowymi.
