Come aumentare la velocità di risposta negli amplificatori operazionali

2 giorni fa p Dr. Sergio Franco Questo articolo è il quarto di una serie sugli amplificatori. Nel primo articolo, abbiamo discusso su come potenziare la capacità di pilotaggio della corrente di uscita di un amplificatore operazionale. Nel secondo, abbiamo discusso su come saperne di più sul metodo dalla Parte 1 simulando il nostro circuito buffer di tensione in PSpice. Nel pezzo precedente, Parte 3 della serie, abbiamo appreso un metodo per ottenere dinamiche op-amp più veloci: espandere la larghezza di banda della frequenza. Ora impareremo un altro metodo per ottenere dinamiche op-amp più veloci: aumentare la velocità di risposta del nostro op-amp.
Le dinamiche veloci (ampia larghezza di banda e velocità di risposta elevata) e le caratteristiche a bassa distorsione degli amplificatori a retroazione di corrente (CFA) li rendono adatti ad applicazioni ad alta velocità. Gli amplificatori a retroazione di tensione (VFA), d'altra parte, offrono migliori caratteristiche CC (bassa tensione di offset in ingresso e correnti di polarizzazione, bassa deriva termica), bassa rumorosità e alto guadagno ad anello, quindi sono più adatti per applicazioni di precisione. La Figura 1 (a) mostra un amplificatore composito che combina il meglio di entrambi.
La Figura 1 (b), nel frattempo, mostra grafici di Bode in linea retta in cui: Il circuito è simile a quello della Figura 1 (a) dell'articolo precedente, mostrato di seguito. Tuttavia, lo spirito del nostro nuovo circuito è abbastanza diverso. OA2 non è più un op-amp dello stesso tipo di OA1, ma piuttosto un dispositivo molto più veloce, la cui frequenza polare f2 è progettata per essere molto al di sopra dei piedi di OA1, quindi non eroderà il margine di fase dell'amplificatore composito .
Come mostrato nella Figura 1 (b), la presenza di OA2 sposta verso l'alto l'intero guadagno ad anello aperto | a | di OA1, per creare il guadagno composito ad anello aperto | ac |. Dato il valore di | 1 / β | come dettato dall'applicazione attuale, come si specifica il valore di A20 rispetto a | 1 / β |? La risposta è imporre \ [A_ {20} \ leq \ left | \ frac {1} {\ beta} \ right | \] (Certamente, non possiamo creare A20> | 1 / β | perché questo posizionerebbe la frequenza di crossover fc sopra ft, dove i poli di frequenza più alta di | ac | destabilizzerebbero il circuito.) Per ottenere una migliore comprensione, considera il circuito PSpice di Figura 2, simulando un amplificatore operazionale 741 e usando un blocco Laplace per simulare un CFA configurato per A20 = 10 V / V (= 20 dB) e f2 = 50 MHz.
In questo esempio, abbiamo applicato l'equazione sopra con il segno “=”. Con riferimento alla Figura 3 (a), troviamo istruttivo che OA1 debba amplificare solo di 0 dB, mentre l'amplificazione di 10 V / V viene effettuata dal CFA. Piccole oscillazioni della tensione di uscita di OA1 dovrebbero migliorare considerevolmente la velocità di risposta (SR).
Abbastanza sicuro, la risposta temporale della Figura 3 (b), ottenuta cambiando la sorgente di ingresso della Figura 2 in un tipo di impulso, conferma le nostre aspettative. In assenza del CFA, il 741 impiegherebbe circa 20 μs per oscillare di 10 V, quindi SR = 10/20 = 0,5 V / μs, in conformità con la scheda tecnica.
Con il CFA in atto, il SR di l'amplificatore composito è un ordine di grandezza più veloce, o circa 5 V / μs. Notiamo anche un aumento dell'ordine di grandezza sia nel guadagno del loop DC che nella larghezza di banda della frequenza di –3 dB dell'amplificatore composito. Ricordiamo l'equazione 1 dell'articolo precedente: Secondo questa equazione, un guadagno di 10 V / V implicherebbe una frequenza di –3 dB di 100 kHz, mentre il valore misurato effettivo è 1.
4 MHz. Questo, grazie all'aiuto fornito dal CFA. Infine, segnaliamo che qualsiasi surriscaldamento dello stadio di uscita del CFA non raggiungerà mai lo stadio di ingresso del VFA, riducendo così significativamente gli effetti della deriva termica di ingresso.
Inoltre, i CFA in genere offrono capacità di azionamento della corrente di uscita molto più elevate rispetto ai VFA, quindi il CFA può essere utilizzato per aumentare non solo l'SR, ma anche la capacità di azionamento della corrente di uscita del VFA, evitando così la necessità di un buffer di uscita. Nel prossimo articolo vedremo come ottenere una maggiore precisione CC e una minore distorsione di fase.