ניתוק צימוד והארקה במגברי מעגלים משולבים

פול ברוקאו Analog Devices

במאבק למען איתור קונפיגורציה מתאימה לקווי החזרת המתח, ההארקה והאותות במערכת, היה ניתן לעתים בעזרת מעט מחשבה מראש, למנוע בעיות חמורות ולספק דרך שבה אפשר יהיה להתמודד עם בעיות שעלולות להופיע אולי בהמשך.
מהו מסלול החזרה של הזרמים למקורות שלהם? הנטייה היא לחשוב שכל נקודות ההארקה ונקודות מתח האספקה שוות ערך ולהתעלם מהעובדה שהן חלק מרשת של מוליכים שדרכה זורמים זרמים היוצרים מתח. לתכנון מתקדם יש צורך להבין מנין הזרמים מגיעים ולאן הם זורמים, ולקבוע את ההשפעות של הפרשי המתח שנוצרים. ייתכן שכאשר מעגלים משולבים מהווים חלק מהתכנון, קשה להבין את התהליכים המתרחשים במעגלים המיועדים לניתוק הצימוד (decoupling) ולהארקה.
מגברי שרת הם בין המעגלים האנלוגיים הנפוצים ביותר בשימוש ומבחינת אספקת המתח וההארקה הם מתחלקים לכמה סוגים.

למגברי שרת יש ארבעה חיבורים
לרבים יש רושם שלמגברי שרת יש שלושה חיבורים: זוג של כניסות הפרשיות ויציאה אחת, כפי שאפשר לראות באיור 1. ואולם, כולנו יודעים שאת היציאה של המגבר יש לייחס לנקודה כלשהי ומאחר שערך דחיית אות משותף (common mode rejection) במגבר אידיאלי הוא אינסוף, אין להביא בחשבון את הכניסות כייחוס, ולכן, חייב להיות חיבור רביעי. לחלופין, מאחר שהמגבר אמור לספק את זרם המוצא לעומס, הזרם אמור לחזור באופן כלשהו למגבר שאין לו זרמי כניסה, ולכן חייב להיות חיבור רביעי.
נהוג להתייחס ל”הארקה” כאל החיבור הרביעי.
מבלי שניכנס לדיון מהי “הארקה”, אפשר לשים לב שלמגברי שרת אין חיבור הארקה, ובאלו, החיבור הרביעי יכול להיות אחד מחיבורי אספקת המתח, או שניהם. מאחר שלחיבורי האספקה יש עכבה נמוכה בכל התדירויות שבטווח פעולת המגבר, סביר להתייחס אליהם כאל החיבור הרביעי, אך כשדרישת העכבה אין מתמלאת, מופיעות בעיות שונות כולל רעש, תגובה גרועה לתופעות מעבר ותנודות.

המרה מחיבור הפרשי לחיבור מיוחס
מתוך איור 2 ניתן לראות כמה קשה יכולה להיות ההמרה של אות הפרשי בכניסה לאות מיוחס ביציאה, המיוחסת לחיבור הרביעי האמור.
במעגל באיור 2, הנפוץ בשימוש, אות המתח ההפרשי בכניסה מומר לזרם הפרשי (בטרנזיסטורי PNP). “מראת הזרם”, המחוברת לקו השלילי של אספקת המתח, ממירה את האות לאות זרם מיוחס שדוחף מגבר מתח ודרגת הספק ביציאה בחיבור סכימה (integrator). מעגל הסכימה שולט בתגובת התדר בחוג פתוח ואפשר לחבר את הקבל שלו באופן חיצוני (כמו במגבר 101) או באופן פנימי (741). למעגל הסכימה יש כניסות הפרשיות, אך הכניסה הלא הופכת שלו מיוחסת לקו השלילי של אספקת המתח.
ברור שהחלק הגדול של הפרש המתח שבין מוצא המגבר לקו האספקה השלילי נופל על קבל הפיצוי. אם מתח האספקה השלילי ישתנה בחדות, מעגל הסכימה יאלץ את המוצא לעקוב אחר השינוי. כשהמגבר מחובר בחוג סגור, אות השגיאה בכניסה ייטה לשקם את המוצא אבל במגבלת קצב העלייה (slew rate) של המגבר. שים לב שהבעיה העיקרית במגברים אלו קשורה לקו האספקה השלילי. ההבדל בין קווי אספקת המתח (החיובי והשלילי) ברגישות המגבר להפרעות עלול לגרום לאי סמטרייה בתגובה לתופעות מעבר. אות שלילי במוצא ימשוך זרם מקו האספקה השלילי, אשר עלול לגרום לתופעת glitch, ועם תגובת קו המתח השלילי של המגבר יגרום לתופעה דומה במוצא.
יש לזכור שמוליך ארוך מהספק למגבר עלול לשמש כמשרן (סליל) בעל Q גבוה ולהוסיף רכיב בתדר גבוה לתגובת הדיכוי של הספק. קבל ביטול צימוד לא יפתור תמיד את הבעיה. איור 3 מציג שלוש אפשרויות לביטול צימוד קו האספקה השלילי. הקו המקווקו בחלק 3a מייצג את מסלול זרם האות השלילי דרך ביטול הצימוד וקו ההארקה. אם הארקה של העומס וההארקה של ביטול הצימוד מתחברות בספק, בתלות באופן הארקת המשוב ומקור האות, ההפרעה שתיגרם על ידי קבל ביטול הצימוד עלולה להיות גדולה מההפרעה שהוא אמור למנוע. באיור 3b אפשר לראות כיצד אפשר להשתמש בקבל ביטול צימוד להקטנת ההפרעות בקווי אספקת המתח למינימום. רכיב התדירות הגבוהה של זרם העומס מוגבל ללולאה שלא קשורה לנתיב ההארקה. אם הקבל גדול מספיק ואיכותי, הוא יקטין למינימום את ההפרעות בקו האספקה השלילי בלי להפריע לאותות הכניסה והיציאה. מחשבה רבה יותר צריכה להיות מושקעת במקרה של עומס מורכב יותר (3c). אם המגבר דוחף עומס עם הארקה וירטואלית, זרם העומס לא חוזר בפועל להארקה, אלא המגבר חייב ליצור את ההארקה הווירטואלית כדי לספק אותו. ביטול הצימוד בקו האספקה השלילי של המגבר הראשון אל קו האספקה החיובי של המגבר השני סוגר את לולאת זרם האות המהיר בלי להפריע למסלולי ההארקה או האות. הבנת המסלולים בהם זורמים בפועל זרמי העומס והאות מאפשרת להעביר אותם סביב למסלולי ההארקה ואותות אחרים ולמנוע את הפרעותיהם.
במעגלים ממשיים, הופכת רשת של מוליכים וקבלי ביטול צימוד לרשת L–C מורכבת שבה נוצרות תנודות. באיור 4 אפשר לראות כיצד נגדים קטנים יכולים להקטין את ערך Q של מעגלי תהודה בלתי רצויים ולהנחית את התנודות בקווי אספקת המתח. השארית, רכיבים בתדירות נמוכה, מטופלים על ידי דחיית הספק של מגברי השרת.

יציבות בתדירות
איור 5 מוסיף ומפרט את דרגת המוצא ואת עכבות ספק הכוח והחיווט של המגבר המופיע באיור 2. המגבר מחובר בתצורת הגבר יחידה עם נתיב בחוג סגור, ממוצא המגבר דרך הכניסה ההפרשית אל כניסת מעגל הסכימה. משוב נוסף קיים מהקולקטור של טרנזיסטור PNP במוצא אל הכניסה השנייה של מעגל הסכימה, ולכן הכניסה הכוללת אליו היא ההפרש בין האותות בשני נתיבים אלו. בתדירויות נמוכות המשוב הזה שלילי ובתדירויות גבוהות הוא תלוי בהיגב (reactance) העומס ובהיגב קו אספקת המתח השלילי.
מוליכי אספקה עם היגב השראי נוטים לגרום לאי יציבות ועומס קיבולי מחמיר את הבעיה. רצוי לבטל צימוד בקו האספקה השלילי כשיש השראות במוליך המתח השלילי או בקו החוזר מהעומס. מובן שביטול הצימוד ייעשה ביחס לקווי החזרת האות הממשיים ולא ביחס ל”הארקה” ערטילאית.

ביטול צימוד בקו המתח החיובי
במגברים מסוימים מיוחס מעגל הסכימה לקו החיובי באספקת המתח ובמקרים כאלו יש לבטל צימוד בקו זה בטכניקות זהות לאלו שתוארו לגבי קו האספקה השלילי.

משוב מקדים
בטכניקת המשוב המקדים (feed forward) עוקפים מגבר או ממיר רמה עם תגובת תדר גרועה והיא מתוארת באיור 6. קבל המשוב המקדים באיור מאפשר לאותות מהירים לעקוף את המגבר האמצעי שיש לו תגובה איטית. את מגברי המשוב המקדים יש לתכנן בקפידה כדי למנוע תנודות פנימיות. ביטול צימוד לא מתאים עלול לגרום להם להתנדנד.
שלא כמו המצב האידיאלי, במציאות הייחוס לאותות הכניסה הפנימיים אינו אחד. במגברי משוב מקדים (AD518 ו–AD707) ייחוס 1 הוא קו המתח החיובי בעוד ייחוס 2 הוא קו המתח השלילי. אותות המופיעים בין שני קווים אלו מוזרקים לתוך לולאת מעגל הסכימה!
במגברי משוב מקדים מסוימים יש חיבור “הארקה” במגברים ההופכים בלבד. אותות שבין כמה שילובים של חיבורי האספקה חודרים כמעט תמיד לתוך המגבר. חיוני שחיבורי הספק יציגו עכבה משותפת נמוכה בתדירויות גבוהות ויהיו נקיים עם ביטול צימוד. איור 7 מציג שיטת ביטול צימוד ישימה עבור AD518 ולמגברי משוב מקדים אחרים. הנגד בקו המתח החיובי מבטיח דחיית רעש בקו זה ומונע תהודת מעגלים נוספים והקבל השני מבטל צימוד של מעגל הסכימה לעומס.
קיימות חלופות נוספות, אולם בעיקרון יש לקשור היטב את שני קווי המתח לקווי החזרת האות.

שגיאות בחיבור ההארקה
לעולם אין לסמוך על “ההארקה”. אם מאפשרים לזרמים שזורמים במעגל ההארקה לחלוק נתיב עם אותות ברמות נמוכות עלולות להיווצר בעיות. באיור 8 אפשר לראות כיצד נפגמת פעולת מגבר פשוט בגלל הארקה לא זהירה. זרם העומס מגיע מהספק ומבוקר על ידי המגבר לפי אות הכניסה. הזרם חייב לחזור לספק בנתיב כלשהו. נניח ש–A ו–B הן נקודות חיבור חלופיות ל”הארקת” ספק. אם נחבר את ההארקה ב–A נאפשר לזרם העומס לחלוק מסלול עם זרם האות. מוליך מס’ 22 באורך 15 ס”מ ייצג התנגדות של 8 מילי–אוהם ובעומס של 2 קילו–אוהם ומוצא של 10 וולט יפלו על הקטע ΔV 40 מיקרו–וולט בערך. אות זה הוא במקביל לכניסה הלא הופכת וגורם לשגיאות משמעותיות. לדוגמה, ההגבר של AD510 הוא 8 מיליון כך שאות כניסה בגודל 1.25 מיקרו–וולט מפיק 10 וולט במוצא. מכאן ששגיאה של 40 מיקרו–וולט בהארקה תיצור שגיאה גדולה פי 32 במוצא. השגיאה יוצרת משוב חיובי, והמגבר יינעל או יתנדנד.
חיבור האספקה לנקודה B מתקן את הבעיה על ידי ביטול חיבור המשוב המשותף. במציאות הבעיה מורכבת יותר. ייתכן שמקור אות הכניסה, המיוצג באיור כצף, יצור זרם שחייב לחזור לספק הכוח. כשהאספקה מחוברת לנקודה B, כל זרם שיזרום לא דרך הנגד Rj יפריע לפעולת המגבר. איור 9 מדגים כיצד אפשר לחבר מגברים ועדיין לדחוף עומסי עזר ללא צימוד עכבות משותף. זרמי המוצא זורמים דרך עומסי העזר וחזרה אל הספק דרך קו הארקת ההספק. הזרמים בנגדי הכניסה והמשוב מסופקים מהספק דרך המגברים כמו באיור 3c. הזרם היחיד הזורם דרך הארקת האותות הוא זרם הכניסה של המגברים והשפעתו זניחה.
שגיאות הנעשות בחיבור ההארקה נובעות מהזנחה שמקורה בהנחה שהארקה היא תמיד רק הארקה. לכל חיבור יש עכבה כלשהי ויש לקחת בחשבון את השפעתה בתכנון המערכת. במעגלי TTL ו–ECL מהירים העכבה מבוקרת וסיומות מתאימות פותרות את הבעיה. במעגלי ת”ר (RF) לוקחים בחשבון בתכנון את העכבות שאי אפשר למנוע אותן. במעגלים של מגברי שרת העכבות לא מצייתות לתיאוריית קווי התמסורת וקשה לשלוט בעכבות של קווי המתח וההארקה ולנתח אותן. נראה שהדרך היעילה ביותר היא לארגן את העכבות שאי אפשר למנוע כך שהשפעתן תוקטן למינימום ולארגן את המעגל כך שיתגבר על ההשפעות שלהן. איור 10 מדגים כיצד אפשר להשתמש במעגל להקטנת ההשפעה של בעיות בהארקה שאין אפשרות לתקן אותן בתחבולות טופולוגיות.

עקיפת הבעיה
המגבר באיור 10 דוחה את רעש ההארקה המשותף לשני צדי אות הכניסה ומגביר את אות הכניסה עצמו. היבט חשוב של המבנה הזה שלעיתים נזנח הוא שיש להפעיל את המגבר ביחס לקו המתח השלילי (ההארקה) של אות המוצא, מפני שאם חיבורי המתח ייחשפו לרעש בתדירות הגבוהה בקו ההארקה של הכניסה, קבל הפיצוי יכוון את הרעש ישירות למוצא. עם זאת, המעגל לא יהיה יעיל בתיקון בעיית ההארקה אם ביטול הצימוד של המגבר עצמו ייעשה ברשלנות. בדרך כלל יש לבטל צימוד במגבר ביחס לנקודת ייחוס המדידה או אות המוצא. במערכות שהאות מיוחס, יש לבטל את הצימוד גם ביחס להארקה של אות הכניסה.