利用創(chuàng)造性補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)小型放大器驅(qū)動(dòng)200 mW負(fù)載

概述

在很多應(yīng)用中，都需要用到能夠?yàn)樨?fù)載提供適當(dāng)功率的放大器;另外還需保持良好的直流精度，而負(fù)載的大小決定了目標(biāo)電路的類型。精密運(yùn)算放大器能驅(qū)動(dòng)功率要求不足50 mW的負(fù)載，而搭配了精密運(yùn)算放大器輸入級(jí)和分立功率晶體管輸出級(jí)的復(fù)合放大器可以用來驅(qū)動(dòng)功率要求為數(shù)W的負(fù)載。 但是，在中等功率范圍內(nèi)卻沒有優(yōu)秀的解決方案。 在這個(gè)范圍內(nèi)，不是運(yùn)算放大器無法驅(qū)動(dòng)負(fù)載，就是電路過于龐雜而昂貴。

最近在設(shè)計(jì)惠斯登電橋驅(qū)動(dòng)器時(shí)，這種兩難處境更為明顯。激勵(lì)電壓直接影響失調(diào)和范圍，因此需要具有直流精度。這種情況下，源極電壓和電橋之間的容差不足1 mV。 若以7 V至15 V電源供電，則電路必須以單位增益將電橋從100 mV驅(qū)動(dòng)至5 V。

使問題變得更為復(fù)雜的是，它能使用各種不同的橋式電阻 例如，應(yīng)變計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)阻抗為120 Ω或350 Ω。若采用120 Ω電橋，則放大器必須提供42 mA電流，才能保持5 V電橋驅(qū)動(dòng)能力。 此外，電路驅(qū)動(dòng)能力必須高達(dá)10 nF。 這是考慮電纜和電橋耦合電容后得到的數(shù)值。

放大器選擇

設(shè)計(jì)該電路的第一步，是選擇可以驅(qū)動(dòng)負(fù)載的放大器。 其壓差(VOH) 在目標(biāo)負(fù)載電流情況下，必須位于電路的可用裕量范圍內(nèi)。 針對(duì)該設(shè)計(jì)的最小電源電壓為7 V，最大輸出為5 V。若裕量為250 mV，則可用裕量(VDD – VOUT)等于1.75 V。目標(biāo)負(fù)載電流為42 mA。

精密、雙通道運(yùn)算放大器 ADA4661-2 具有軌到軌輸入和輸出特性。 該器件的大輸出級(jí)可驅(qū)動(dòng)大量電流。 源電流為40 mA時(shí)，數(shù)據(jù)手冊(cè)中的壓差電壓規(guī)格為900 mV，因此可輕松滿足1.75 V裕量要求。

壓差限制了電路采用低壓電源工作，而功耗則限制了電路采用高壓電源工作。 可計(jì)算芯片升溫，確定最大安全工作溫度。 MSOP封裝簡(jiǎn)化了原型制作，但LFCSP封裝的熱性能更佳，因此如有可能應(yīng)當(dāng)采用LFCSP封裝。 MSOP的熱阻(θJA) 等于142°C/W，LFCSP的熱阻等于83.5°C/W。 最大芯片升溫可通過將熱阻乘以最大功耗計(jì)算得到。 當(dāng)電源為15 V且輸出為5 V時(shí)，裕量為10 V。最大電流為42 mA，因此功耗為420 mW。 最終的芯片升溫(MSOP為60°C，LFCSP為35°C)限制最大環(huán)境溫度為65°C (MSOP)以及90°C (LFCSP)。

為保持精確的電橋激勵(lì)電壓，芯片和封裝的組合熱性能同樣十分重要。 不幸的是，驅(qū)動(dòng)大輸出電流時(shí)，某些運(yùn)算放大器的性能下降明顯。 輸出級(jí)功耗使得芯片上的溫度梯度極大，從而導(dǎo)致匹配晶體管和調(diào)節(jié)電路之間的不平衡。 ADA4661-2設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)大功率，同時(shí)抑制這些溫度梯度。

反饋環(huán)路穩(wěn)定

滿足負(fù)載-電容規(guī)格不容易，因?yàn)榇蟛糠诌\(yùn)算放大器在不使用外部補(bǔ)償?shù)那闆r下無法驅(qū)動(dòng)10 nF的容性負(fù)載。 驅(qū)動(dòng)大容性負(fù)載的一種經(jīng)典技巧，是使用多個(gè)反饋拓?fù)?，如圖1所示。圖中隔離電阻RISO將放大器輸出和負(fù)載電容CLOAD隔離。 將輸出信號(hào) VOUT 通過反饋電阻 RF進(jìn)行回送，便能保持直流精度。 通過電容 CF反饋放大器輸出，可保持環(huán)路穩(wěn)定性。

如需使該電路有效，RISO 必須足夠大，以便總負(fù)載阻抗在放大器的單位增益頻率下表現(xiàn)出純阻性。 這是很困難的，因?yàn)樵撾娮枭蠒?huì)有電壓下降。 通過分配最差情況下的剩余電壓裕量，可確定RISO 的最大值。 6.75 V電源以及5 V輸出允許1.75 V總壓差。 放大器 VOH 占用總壓差的900 mV，因此電阻上的壓降最高允許達(dá)到850 mV。 如此，便可將RISO 的最大值限制為20 Ω。2 nF負(fù)載電容在該放大器的單位增益交越頻率4 MHz處產(chǎn)生一個(gè)極點(diǎn)。 顯然，多反饋無法滿足該要求。

圖1. 多反饋拓?fù)?/p>

另一種穩(wěn)定重載緩沖器的方法是使用混合單位跟隨器拓?fù)?，如圖2所示。這種方法通過降低反饋系數(shù)，強(qiáng)迫反饋環(huán)路在較低頻率處發(fā)生交越，而非嘗試移除負(fù)載-電容形成的極點(diǎn)。 由于存在負(fù)載極點(diǎn)，因此會(huì)產(chǎn)生過多相移;通過強(qiáng)迫環(huán)路在發(fā)生過多相移之前完成交越，便可實(shí)現(xiàn)電路穩(wěn)定性。

T反饋系數(shù)是噪聲增益的倒數(shù)，因此人們可能得出結(jié)論，認(rèn)為這種方法擯棄了采用單位增益信號(hào)的原則。 若電路采用傳統(tǒng)反相或同相配置，那么這種觀點(diǎn)是正確的。但若對(duì)原理圖作深入考察，便會(huì)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)輸入均被驅(qū)動(dòng)。 分析該電路的一種簡(jiǎn)便方法是將 –RF/RS 反相增益與 (1 + RF/RS)同相增益相疊加。 這樣便可得到以+1信號(hào)增益以及 (RS + RF)/RS噪聲增益工作的電路。 針對(duì)反饋系數(shù)和信號(hào)增益的獨(dú)立控制允許該電路穩(wěn)定任何大小的負(fù)載，但代價(jià)是電路帶寬。

然而，混合單位跟隨器電路具有某些缺點(diǎn)。 第一個(gè)問題是，噪聲增益在所有頻率下都很高，因此直流誤差(如失調(diào)電壓，VOS) 通過噪聲增益而放大。 這使得滿足直流規(guī)格的任務(wù)變得尤為艱難。 第二個(gè)缺點(diǎn)需對(duì)放大器的內(nèi)部工作原理有一定了解。 該放大器具有三級(jí)架構(gòu)，采用級(jí)聯(lián)式米勒補(bǔ)償。 輸出級(jí)有自己的固定內(nèi)部反饋。 這使得外部反饋環(huán)路有可能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，同時(shí)使輸出級(jí)反饋環(huán)路變得不穩(wěn)定。

圖2. 混合單位跟隨器拓?fù)?/p>

通過將兩個(gè)電路的工作原理相結(jié)合，便可解決這兩個(gè)缺點(diǎn)，如圖3所示。多反饋分隔低頻和高頻反饋路徑，并加入了足夠多的容性負(fù)載隔離，從而最大程度減少輸出級(jí)的穩(wěn)定性問題。 利用電橋電壓，通過反饋電阻RF驅(qū)動(dòng)低頻反饋。 利用放大器輸出，通過反饋電容 CF驅(qū)動(dòng)高頻反饋。

在高頻時(shí)，電路還表現(xiàn)為混合單位跟隨器。 高頻噪聲增益由電容阻抗確定，數(shù)值等于(CS + CF)/CF。該噪聲增益允許反饋環(huán)路在一個(gè)足夠低的頻率上完成交越，而負(fù)載電容不會(huì)降低該頻率處的穩(wěn)定性。 由于低頻噪聲增益為單位增益，因此可保持電路的直流精度。

圖3. 電橋驅(qū)動(dòng)器原理圖

保持直流精度要求十分留意信號(hào)走線，因?yàn)殡娐分写嬖诖箅娏鳌?從42 mA的最大負(fù)載電流中，僅需7 mΩ 即可產(chǎn)生300 µV壓降;該誤差已相當(dāng)于放大器的失調(diào)電壓。

解決這個(gè)問題的一種典型方法是使用 4線開爾文連接，利用兩個(gè)載流連接(通常稱為強(qiáng)制)驅(qū)動(dòng)負(fù)載電流，另外兩線為電壓測(cè)量連接(通常稱為檢測(cè))。 檢測(cè)連接必須盡可能靠近負(fù)載，以防任何負(fù)載電流流過。

對(duì)于橋式驅(qū)動(dòng)器電路而言，檢測(cè)連接應(yīng)在電橋的頂部和底部直接實(shí)現(xiàn)。 在負(fù)載和檢測(cè)線路之間不應(yīng)共享任何PCB走線或線纜。 GNDSENSE 連接應(yīng)當(dāng)經(jīng)路由后回到電壓源VIN。 例如，假設(shè)激勵(lì)為DAC，則GNDSENSE 應(yīng)當(dāng)連接DAC的REFGND。 電橋的GNDFORCE 連接應(yīng)當(dāng)具有專用的走線并一路連接回到電源，因?yàn)樵试S橋式電流流過接地層將產(chǎn)生不必要的壓降。

誤差預(yù)算

該電路的直流誤差預(yù)算如表1所示，主要由放大器的失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移所決定。 它假定工作條件處于最差情況范圍內(nèi)。 總誤差滿足1 mV要求，并大幅優(yōu)于該要求。

表1. 誤差預(yù)算

表中的第三項(xiàng)表示功耗誤差。 放大器功耗會(huì)增加芯片溫度，因此與環(huán)境溫度下的無負(fù)載電流情況相比，失調(diào)電壓產(chǎn)生漂移。 最差情況下的誤差計(jì)算采用最高電源電壓、最高輸出電壓以及最低阻性負(fù)載，如等式1所示。注意，放大器上的最差情況壓降通過 RISO 電阻得以部分降低。

直流測(cè)量結(jié)果

誤差電壓等于輸入電壓VIN, 和負(fù)載電壓VOUT之差。 圖4顯示原型電路的誤差電壓與負(fù)載電壓的關(guān)系。 橋式驅(qū)動(dòng)器電路中的最大誤差源是失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移。 由于放大器功耗而產(chǎn)生的額外誤差與橋式電壓有關(guān)。 電源電壓對(duì)功耗的影響可從不同顏色的曲線中看出來。 黑色曲線功耗最低(50 mW)，電源電壓最小(7 V)。 芯片僅升溫7°C，因而該曲線代表室溫失調(diào)電壓與該器件共模電壓的關(guān)系。

圖4. 誤差電壓與輸出電壓的關(guān)系

色(10 V)和藍(lán)色(15 V)曲線分別代表175 mW最大功耗和385 mW最大功耗下的性能。 隨著輸出電壓的上升，額外的功耗使芯片升溫25°C至55°C，導(dǎo)致失調(diào)電壓發(fā)生漂移。 該額外熱誤差曲線形狀為拋物線形，因?yàn)楫?dāng)VOUT 為VDD一半時(shí)，具有最大功耗。

電源在很大程度上依賴失調(diào)電壓，這表示應(yīng)當(dāng)考慮該電路的電源抑制。 圖5顯示掃描電源電壓并固定輸出電壓時(shí)的誤差電壓。 黑色曲線表示輕載情況，此時(shí)放大器電源抑制(PSR)起主要作用。 就該器件而言，10 µV變化表示118 dB PSR。 紅色和藍(lán)色曲線顯示輸出消耗額外功耗(由于負(fù)載為350 Ω和120 Ω典型橋式電阻)的結(jié)果。紅色和藍(lán)色曲線的有效PSR分別為110 dB和103 dB。

圖5. 誤差電壓與電源電壓的關(guān)系

該電路性能顯然取決于失調(diào)漂移與溫度的關(guān)系。目前為止，在所有與溫度有關(guān)的誤差計(jì)算中均采用了TCVOS 規(guī)格。 需要為該假設(shè)找到合理的解釋，因?yàn)樾酒瑴囟扔捎诜糯笃鞴呐c環(huán)境溫度的改變有所不同而上升。 前者在芯片表面形成較大的溫度梯度，影響放大器的微妙平衡。 這些梯度會(huì)使失調(diào)電壓漂移相比數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格而言要差得多。 ADA4661-2經(jīng)特殊設(shè)計(jì)，其功耗極大且不影響失調(diào)漂移性能。

圖6顯示失調(diào)漂移測(cè)量值與溫度的關(guān)系。額定性能重現(xiàn)于黑色曲線，并具有低電源電壓與高阻性負(fù)載(–1.2 µV/°C)。 紅色曲線顯示120 Ω橋式負(fù)載結(jié)果。 值得注意的是，曲線的形狀未發(fā)生改變;它僅僅由于芯片升溫(6.4°C)而向左平移。 藍(lán)色曲線顯示電源電壓上升至15 V時(shí)的結(jié)果——此時(shí)可測(cè)量電路的最大功耗。 同樣地，曲線形狀不發(fā)生改變，但由于芯片升溫55°C而向左平移。 內(nèi)部功耗已知(385 mW)，因此可計(jì)算系統(tǒng)的實(shí)際熱阻 (θJA) ，即143°C/W。 重要的是需考慮工作的環(huán)境溫度范圍。 最大芯片溫度不應(yīng)超過125°C;這意味著對(duì)于最差情況負(fù)載而言，最大環(huán)境溫度為70°C。

圖6. 誤差電壓與環(huán)境溫度的關(guān)系

瞬態(tài)測(cè)量結(jié)果

電路的階躍響應(yīng)是評(píng)估環(huán)路穩(wěn)定性的簡(jiǎn)便方法。 圖7顯示高電阻電橋在容性負(fù)載范圍內(nèi)的階躍響應(yīng)測(cè)量值;圖8顯示低電阻電橋在同樣條件下的測(cè)量值。 由于反饋網(wǎng)絡(luò)的極點(diǎn)-零點(diǎn)二聯(lián)效應(yīng) ，該電路的階躍響應(yīng)具有過沖特性。 該二聯(lián)響應(yīng)存在于基波中，因?yàn)殡娐贩答佅禂?shù)從低頻時(shí)的單位增益下降至高頻時(shí)的0.13。 由于零點(diǎn)相較極點(diǎn)而言處于更高的頻率，階躍響應(yīng)將始終過沖，哪怕相位裕量遠(yuǎn)大于適當(dāng)值。 此外，二聯(lián)效應(yīng)在電路中具有最大的時(shí)間常數(shù)，因此趨向于對(duì)建立時(shí)間產(chǎn)生主要影響。 當(dāng)采用高阻性負(fù)載以及1 nF容性負(fù)載時(shí)，電路具有最差情況下的穩(wěn)定性以及輸出級(jí)振鈴。

圖7. 無負(fù)載階躍響應(yīng)

圖8. 有負(fù)載階躍響應(yīng)

結(jié)論

本文所示之負(fù)載驅(qū)動(dòng)器電路可為低至120 Ω的阻性負(fù)載施加5 V電壓，而總誤差不超過1 mV，并且能穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)高達(dá)10 nF總電容。 電路符合其額定性能，并能以7 V至15 V的寬范圍電源供電，功耗接近400 mW。 通過以±7 V電源為放大器供電，該基本電路便可擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)正負(fù)載和負(fù)負(fù)載。 全部性能通過一個(gè)3 mm × 3 mm小型放大器以及四個(gè)無源元件即可實(shí)現(xiàn)。