Sandro Herrera and Moshe Gerstenhaber, Analog Devices
יישומים רבים, כולל הזנה של ממירי
אנלוגי לדיגיטלי (analog-to-digital converters -ADCs), העברת אותות דרך כבלי זוגות מפותלים, וייצוב של אותות שמע בנאמנות-גבוהה, דורשים איתות הפרשי (differential) המשיג יחסי אות-לרעש גבוהים יותר בגין השימוש באותות גדולים יותר עבור מערך נתון של מתחי ספק הכוח, חסינות לרעש מוד-משותף מוגברת ועיוות הרמוניה-שנייה נמוך יותר. דרישה זו מעוררת צורך בגוש מעגלים המסוגלים להמיר אותות מוארקים (single-ended), הנמצאים במרבית שרשראות האותות, לאותות הפרשיים.
איור 1 מציג ממיר מוארק-
להפרשי פשוט המשתמש במגבר הפרשי
(differential amplifier – diff-amp) מלא מדויק, בעל הספק נמוך עם נגדי דיוק משולבים.
ה-diff amp מיוצב פנימית עבור שבח הפרשי של אחד, כך שפונקציית המעבר של המעגל היא
מתח המוד המשותף במוצא
, נקבע על-ידי המתח בפין . אם מתח זה מורשה לצוף, מתח המוד המשותף במוצא יצוף אל נקודת מחצית ההספק בשל הנגדים הפנימיים של 1 מגה-אוהם היוצרים מחלק נגדים עם ספקי-הכוח. הקבל C1 מסנן את הרעש של נגדי ה-1 מגה-אוהם כדי להנמיך את רעש המוד המשותף במוצא. שגיאת שבח המעגל היא רק
% 0.04 מרבי בשל נגדי קביעת-השבח הפנימיים המכוונים עדיין על-ידי הלייזר של ה-AD8476.
עבור יישומים רבים, המעגל באיור 1 הוא יותר ממתאים לשם ביצוע ההמרה מוארק-להפרשי. עבור יישומים המחייבים ביצועים משופרים, איור 2 מראה ממיר מוארק-להפרשי בעל עכבת מבוא גבוהה מאוד, 2-nA זרם ממתח מבוא מרבי,
60-µV היסט מרבי (RTI) והיסט סחיפה מרבי 0.7µV/0C. המעגל מגיע לרמה זו של ביצועים על-ידי מדרוג (cascading) של מגבר שרת (operational amplifier – op amp) עם ה-AD8476 והזנה חוזרת של מתח המוצא החיובי של ה-AD8476 אל המבוא המהפך של ה-op amp. סידור משוב זה מאפשר ל-op amp לקבוע את הדיוק ואת ביצועי הרעש של התצורה מאחר שהוא מחבר את
ה-diff-amp אל לולאת משוב עם השבח הגדול של לולאה פתוחה של op amp שלפניו. כתוצאה, השגיאות של הAD8476- כולל רעש, עיוות, סחיפה והיסט סחיפה מוקטנות על-ידי שבח גדול זה כאשר מייחסים אותו למבוא.
המעגל באיור 2 מתואר על-ידי המשוואות הבאות:
1.
2.
3.
על-ידי צירוף של (1) ו-(3),5.
4.
משוואה 3 מדגימה שתי תכונות חשובות אודות המעגל: ראשית, השבח מוארק-להפרשי של המעגל הוא שניים. שנית, הצומת VREF משמש כייחוס עבור אות המבוא, כך שניתן להשתמש בו כדי לבטל השפעה באות המבוא. לדוגמה, אם לאות המבוא יש היסט של 1 וולט, חיבור של 1 וולט לצומת VREF מבטל אותו.
אם המימוש הנדון דורש שבח גדול מ-2, המעגל באיור 2 ניתן לשינוי, כמתואר באיור 3. במקרה זה, שבח המוארק-להפרשי של המעגל מוכתב על-ידי נגדים חיצוניים, RF ו-RG, כך ש:
5.
ו-
6.
כמו המעגל באיור 2, ממיר מוארק-להפרשי משופר זה דוחה את השגיאות של ה-diff-amp על-ידי שהוא ממקם אותו בתוך לולאת המשוב של ה-op amp. כמו בכל חיבור משוב, יש להשגיח ולוודא שהמערכת יציבה. ביחס לאיור 2, הקסקדות של ה-OP1177
וה-ADS8476 יוצרות op-amp בעל מוצא הפרשי מורכב כאשר שבח הלולאה הפתוחה כנגד התדר הוא מכפלת של שבח הלולאה הפתוחה של ה-op-amp והשבח בלולאה סגורה של ה-diff-amp. לכן, רוחב-הפס בלולאה סגורה של ה-AD8476 מוסיף קוטב לשבח הלולאה הפתוחה של ה-OP1177. כדי להבטיח יציבות, רוחב-הפס של ה-diff-amp צריך להיות גבוה יותר מאשר תדר השבח – אחד של ה-op amp. דרישה זו ממותנת במעגל של איור 3, כאשר רשת המשוב ההתנגדותית מצמצמת ביעילות את תדר השבח-אחד של ה-OP1177 בגורם של (RG+RF). מאחר של-AD8476 יש רוחב-פס של 5 מגה-הרץ
ול-OP1177 יש תדר של 1 מגה-הרץ בשבח אחד, המעגל המוצג איננו מעלה סוגיות יציבות. איור 4 מראה צילום אוסילוסקופי של אותות המבוא והמוצא של המעגל מאיור 2, כאשר הוא מוזן בגל סינוסי של 10 הרץ, 1 וולט שיא-לשיא מוארק. לשם פשטות, צומת ה-VREF חובר להארקה.
כאשר משתמשים ב-op amp בו תדר שבח האחד הוא הרבה יותר גדול מאשר רוחב-הפס של ה-diff-amp, ניתן להוסיף קבל מגביל-רוחב-פס, CF, כמתואר באיור 3. הקבל CF יוצר סוכם (integrator) עם נגד המשוב RF, כך שרוחב הפס של המעגל הכולל ניתן על-ידי
7.
1/2 במשוואת רוחב-הפס נובע מהמשוב שהוא מוארק ולא הפרשי, דבר המקטין את המשוב ואת רוחב-הפס בגורם של 2. אם רוחב-פס זה הוא נמוך מרוחב-הפס המוקטן הזה הוא יותר נמוך מרוחב-הפס בלולאה סגורה של ה-diff-amp, המעגל יהיה יציב. טכניקה זו של הגבלת רוחב-הפס יכולה לשמש גם בשבח של שניים על-ידי הפיכת ה-RG למעגל פתוח.
אודות המחברים
Sandro herrera הוא מהנדס תכנון מעגלים בקבוצת Integrated Amplifier Products () ב-Wilmington ,MA. עבודת התכנון שלו מתמקדת כעת במגברים הפרשיים במלואם בעלי שבח קבוע, משתנה או מיתכנת. ל-Sandro תואר BSEE ו-MSEE מ-Massachusetts Institute of Technology. הוא הצטרף ל-Analog Devices באוגוסט 2005.
Moshe Gerstenhaber הוא Division Fellow ב-Analog Devices. הוא התחיל את הקריירה שלו ב-ADI ב-1978 ופעל בעמדות בכירות מגוונות במהלך השנים בייצור, הנדסת המוצר ותכנון מוצרים. Moshe הוא כעת מנהל תכנון של ה-Integrated Amplifier Products Group. הוא תרם תרומות משמעותיות בתחום תכנון המגברים, במיוחד מגברים מתמחים בעלי דיוק רב ביותר כגון מגברים למכשור ומגברי הפרש.
