Wzmacniacz operacyjny ze sprzężeniem zwrotnym

Reprezentatywny schemat wzmacniacza operacyjnego lub wzmacniacza z prądowym sprzężeniem zwrotnym.

Wzmacniacz operacyjny ze sprzężeniem zwrotnym prądu ( CFOA lub CFA ) to rodzaj wzmacniacza elektronicznego , którego wejście odwracające jest wrażliwe na prąd , a nie na napięcie , jak w konwencjonalnym wzmacniaczu operacyjnym ze sprzężeniem zwrotnym napięcia (VFA). CFA został wynaleziony przez Davida Nelsona w Comlinear Corporation i po raz pierwszy sprzedany w 1982 roku jako wzmacniacz hybrydowy, CLC103. Wczesnym patentem obejmującym CFA jest patent USA 4,502,020 , David Nelson i Kenneth Saller (złożony w 1983 r.). Układy scalone CFA zostały wprowadzone w 1987 roku zarówno przez Comlinear, jak i Elantec (projektant Bill Gross). Zwykle są produkowane z takimi samymi układami pinów jak VFA, co pozwala na wymianę obu typów bez zmiany okablowania, gdy pozwala na to konstrukcja obwodu. W prostych konfiguracjach, takich jak wzmacniacze liniowe, CFA może być używany zamiast VFA bez modyfikacji obwodu, ale w innych przypadkach, takich jak integratory, wymagany jest inny projekt obwodu. Klasyczna konfiguracja czterorezystorowego wzmacniacza różnicowego działa również z CFA, ale współczynnik tłumienia w trybie wspólnym jest gorszy niż w przypadku VFA.

Operacja

Odnosząc się do pokazanego schematu, sekcja zaznaczona na czerwono tworzy stopień wejściowy i wzmacniacz błędu. Wejście odwracające (węzeł, w którym podłączone są emitery Q1 i Q2) ma niską impedancję, a zatem jest wrażliwe na zmiany prądu. Rezystory R1–R4 ustalają spoczynkowe warunki polaryzacji i są dobrane tak, aby prądy kolektora Q1 i Q2 były takie same. W większości projektów aktywny obwód polaryzujący jest używany zamiast pasywnego polaryzacji rezystancyjnej, a wejście nieodwracające można również zmodyfikować, aby uzyskać niską impedancję, podobnie jak wejście odwracające, aby zminimalizować przesunięcia.

Bez przyłożonego sygnału, ze względu na obecne zwierciadła Q3/Q4 i Q5/Q6, prądy kolektora Q4 i Q6 będą równe co do wielkości, jeśli prądy kolektora Q1 i Q2 są również równe co do wielkości. Tym samym na wejście bufora nie popłynie żaden prąd (odpowiednik napięcia na wejściu bufora). W praktyce na skutek niedopasowania urządzeń prądy kolektorów są nierówne, co skutkuje różnicą wpływającą na wejście bufora i przesunięciem na jego wyjściu. Jest to korygowane przez dostosowanie polaryzacji wejściowej lub dodanie obwodów zerujących przesunięcie.

Sekcja zaznaczona na niebiesko (Q3 – Q6) tworzy konwerter I-do-V. Jakakolwiek zmiana prądów kolektora Q1 i Q2 (w wyniku sygnału na wejściu nieodwracającym) pojawia się jako równoważna zmiana napięcia na styku kolektorów Q4 i Q6. C s jest kondensatorem stabilności zapewniającym stabilność obwodu we wszystkich warunkach pracy. Ze względu na szerokie pasmo otwartej pętli CFA istnieje duże ryzyko, że obwód wpadnie w oscylacje. C s zapewnia tłumienie częstotliwości, w których mogą wystąpić oscylacje, zwłaszcza podczas pracy z niskim wzmocnieniem w pętli zamkniętej.

Stopień wyjściowy (w kolorze magenta) jest buforem zapewniającym wzmocnienie prądowe. Ma wzmocnienie napięciowe równe jedności (+1 na schemacie).

Porównanie wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym

Wewnętrznie skompensowana szerokość pasma VFA jest zdominowana przez wewnętrzny kondensator kompensacji dominującego bieguna, co skutkuje stałym ograniczeniem wzmocnienia/szerokości pasma. CFA mają również dominujący kondensator kompensacji biegunów, ale ze względu na użycie sprzężenia zwrotnego prądu zamiast sprzężenia zwrotnego napięcia, wynikowa odpowiedź w otwartej pętli jest inna. Stabilność VFA zależy od stosunku wzmocnienia pętli otwartej do wzmocnienia sprzężenia zwrotnego; Stabilność CFA zależy od stosunku transimpedancji pętli otwartej do rezystancji sprzężenia zwrotnego. VFA mają zależność wzmocnienia/przepustowości; CFA mają zależność transimpedancji / rezystancji sprzężenia zwrotnego.

W VFA wydajność dynamiczna jest ograniczona przez iloczyn wzmocnienia i przepustowości oraz szybkość narastania. CFA wykorzystują topologię obwodu, która kładzie nacisk na pracę w trybie prądowym, która jest z natury znacznie szybsza niż praca w trybie napięciowym, ponieważ jest mniej podatna na wpływ pojemności błądzących węzłów. W przypadku wytwarzania przy użyciu szybkich komplementarnych procesów bipolarnych CFA mogą być o rząd wielkości szybsze niż VFA. Wynika to głównie z tego, że większość VFA jest kompensowana za stabilność przy wzmocnieniu jedności. Zdekompensowane VFA mogą być tak samo szybkie jak CFA. Dzięki CFA wzmocnienie wzmacniacza może być kontrolowane niezależnie od szerokości pasma. Stanowi to główną przewagę CFA nad konwencjonalnymi topologiami VFA.

Wady CFA obejmują gorsze wejściowe napięcie przesunięcia i charakterystykę wejściowego prądu polaryzacji. Dodatkowo, wzmocnienia pętli DC są generalnie mniejsze o około trzy dziesiętne rzędy wielkości. CFA mają znacznie wyższy szum prądu wejściowego odwracającego. Obwody CFA muszą wykorzystywać określoną wartość rezystancji sprzężenia zwrotnego, aby osiągnąć maksymalną wydajność. Niższa wartość rezystancji sprzężenia zwrotnego może powodować oscylacje wzmacniacza. Obwody CFA nigdy nie mogą zawierać bezpośredniej pojemności między wyjściem a odwracającymi pinami wejściowymi, ponieważ często prowadzi to do oscylacji. CFA idealnie nadają się do zastosowań o bardzo dużej szybkości i umiarkowanych wymaganiach dotyczących dokładności.

Rozwój szybszych VFA jest w toku, a VFA są dostępne z produktami o zwiększonej przepustowości w niskim zakresie UHF w momencie pisania tego tekstu. Jednak CFA są dostępne z produktami o wzmocnieniu pasma o ponad oktawę wyższymi niż ich kuzyni VFA, a także mogą działać jako wzmacniacze bardzo zbliżone do produktów o wzmocnieniu pasma.

Zobacz też

Wzmacniacz operacyjny ze sprzężeniem zwrotnym jest rodzajem źródła napięcia sterowanego prądem (CCVS).

Dalsza lektura

  •   „Aktualne sprzężenie zwrotne wzmacniaczy operacyjnych i ich zastosowań”, Raj Senani, DR Bhaskar, VK Singh i AK Singh, Springer Science+ Business Media, Nowy Jork, 2013 ISBN 978-1-4614-5187-7 https://www.springer.com /gp/book/9781461451877
  • „Zastosowanie wzmacniacza operacyjnego z prądowym sprzężeniem zwrotnym” autorstwa prof. Ahmeda M. Solimana https://www.researchgate.net/publication/227165604_Applications_of_the_Current_Feedback_Operational_Amplifiers
  • „Realizacja klasy obwodów przetwarzania sygnału analogowego / generowania sygnału: nowe konfiguracje z wykorzystaniem wzmacniaczy operacyjnych z bieżącym sprzężeniem zwrotnym”, prof. Raj Senani, Frequenz: Journal of Telecommunications (Niemcy), tom. 52, nr. 9/10, s. 196–206, 1998. https://www.researchgate.net/publication/260854255_Realization_of_a_Class_of_Analog_Signal_Processing_Signal_Generation_Circuits_Novel_Configurations_Using_Current_Feedback_Op-Amps
  • „Wzmacniacz operacyjny i aplikacje ze sprzężeniem zwrotnym” FJ Lidgey i Khaled Hayatleh, Electronics and Communication Engineering Journal, 9 (4), s. 176–182, wrzesień 1997 r. https://www.researchgate.net/publication/3364493_Current-feedback_operational_amplifiers_and_applications
Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Current-feedback_operational_amplifier&oldid=1111408766 ”