Оптимизация рассеиваемой мощности усилителя

В операционных усилителях (ОУ) реализуются простые по концепции, однако сложные с параметрической точки зрения схемы, особенно когда речь идет о подборе микросхем. Многим знакома ситуация, когда в системах с сетевым питанием основная доля расходуемой энергии приходится не на аналоговые, а на цифровые схемы. В этом случае главным критерием при выборе ОУ является один или несколько параметров сигнального тракта. Это могут быть характеристики по переменному сигналу, такие как искажения или широкополосный шум, либо характеристики по постоянному сигналу, например, входное смещение или дрейф смещения.
При проектировании схем с жесткими ограничениями по расходу энергии первое, что приходит в голову, — использование ОУ с очень низким током утечки. Однако если ориентироваться только на этот параметр, можно выбрать модель, которая не будет обеспечивать достаточную эффективность (произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания, GBWP — gain-bandwidth product). Эти два параметра тесно связаны между собой, в первом приближении — прямо пропорционально.

При проектировании схем с низким потреблением важно найти экономичный по расходу энергии ОУ с высокой эффективностью использования полосы пропускания. Самый простой критерий оценки эффективности ОУ — это отношение GBWP к току утечки. В таблице 1 сравниваются четыре усилителя Microchip, имеющих сходную схему. Видно, что отношение GBWP к току утечки для них различается не очень сильно, хотя GBWP и I_q изменяются на три порядка. При малой полосе пропускания это отношение становится практически постоянным. Чаще всего выбор производится среди ИС разных производителей с примерно одинаковым GBWP, поэтому характеристики сравниваемых моделей не будут различаться на порядки. Итак, начальная точка для выбора элементной базы — определение GBWP.

Параметр GBWP показывает зависимость коэффициента усиления ОУ при разомкнутой обратной связи A_OL от частоты. В технической документации, как правило, приводится ЛАХ (диаграмма Боде) усилителя (см. рис. 1), которая позволяет наглядно оценить возможности данного ОУ. Следует отметить, что коэффициент усиления постоянен только на очень низких частотах. С увеличением частоты он начинает уменьшаться со скоростью 20 дБ на декаду, т.е. на большей части полосы пропускания A_OL падает в десять раз при увеличении частоты в 10 раз. На этом участке ЛАХ произведение коэффициента усиления на частоту остается постоянным и равным GBWP.

Рис. 1. Логарифмическая амплитудная характеристика ОУ Microchip MCP644X

Как и ожидалось, кривая пересекает точку 0 дБ на частоте, равной GBWP, поэтому GBWP часто называют частотой единичного усиления. На практике A_OL обычно немного отклоняется от теоретического значения
20 дБ/декаду, когда частота приближается к GBWP. Фаза также не составляет –90º, поэтому единичное усиление не совпадает с GBWP.

Рис. 2. Полоса пропускания MCP644X при коэффициенте усиления 100

При коэффициенте усиления G_DC постоянного сигнала с замкнутым контуром ОС неинвертирующего усилителя полоса пропускания уменьшается в G_DC раз и составляет GBWP/G_DC. Например, для MCP644X можно взять коэффициент усиления 100 и получить полезную полосу пропускания 90 Гц (см. рис. 2):

(1)

(2)

Зависимость коэффициента усиления от частоты описывается следующим выражением:

(3)

Коэффициент передачи ОС (L) есть отношение коэффициента усиления с разомкнутой ОС к коэффициенту усиления идеального усилителя с замкнутой ОС (затененная область на рисунке 3): L = A_OL/G_DC. По мере увеличения L коэффициент усиления, определяемый уравнением (1), приближается к идеальному (3). От коэффициента передачи зависят практически все характеристики усилителя с ОС, в т.ч. точность коэффициента усиления, линейность, искажения, выходной импеданс и чувствительность к изменению A_OL.

Рис. 3. Коэффициент передачи ОС

При уменьшении тока утечки надо следить за изменением GBWP, чтобы предупредить ухудшение характеристик схемы. Чем выше требования к точности коэффициента усиления, тем выше они и к коэффициенту передачи.
В качестве грубой оценки можно пользоваться критерием: величина L должна быть не ниже 10 (20 дБ), т.е. коэффициент усиления с разомкнутой ОС должен по крайней мере в 10 раз превышать коэффициент усиления с замкнутой ОС. Это позволяет получить погрешность меньше –1 дБ, что является допустимым значением для большинства приложений. Для более точных схем достаточно обеспечить коэффициент передачи 100 (40 дБ). В этом случае погрешность усиления составляет –1% (–0,086 дБ). Еще более высокая точность требуется в схемах для метрологического оборудования. Погрешность коэффициента усиления можно определить следующим образом:

(4)

Из рисунков 3 и 4 видно, что при увеличении частоты сигнала коэффициент передачи L уменьшается из-за монотонного убывания A_OL(f). Коэффициент усиления начинает сильно падать по мере приближения прямой G_DC к кривой A_OL(f). Поддержать его можно с помощью включения однополярного ФНЧ (см. рис. 5 и 6). Таким образом, добавление одного конденсатора поможет предотвратить нарушение линейности, увеличение искажений и выходного динамического импеданса на верхней границе полосы пропускания.

Рис. 4. Завал АЧХ и изменение коэффициента передачи ОС

Рис. 5. Исходная схема

Рис. 6. Схема с компенсацией

В нашем примере полоса пропускания усилителя составляет 9 кГц, а требуемый коэффициент усиления равен 100. За минимальный коэффициент передачи мы приняли 10. Перемножая эти значения, получаем, что максимальная полоса сигнала в 1000 раз меньше GBWP. Это в 10 раз меньше, чем полученные в (2) 90 Гц, поскольку тогда мы не учли коэффициент передачи L.
Чаще всего выбор ОУ производится исходя из полосы сигнала, коэффициента усиления в прямом направлении и максимально допустимой погрешности. Для вычисления требуемой полосы следует сначала определить коэффициент передачи (5), а затем воспользоваться формулой (6):

(5)

GBWP = f_s LG_DC,    (6)

где f_s — полоса сигнала.

Рассмотрим схему с полосой сигнала 20 кГц, коэффициентом усиления 25 и коэффициентом передачи ОС L = 10. Перемножение этих значений дает GBWP = 5 МГц. C точки зрения эффективности (см. табл. 1) наиболее подходящим является ОУ MCP640X, однако он имеет недостаточную полосу пропускания. Если взять более быструю ИС с той же эффективностью, то его ток утечки составит 225 мкА — в пять раз больше, чем у MCP640X.

Производители не выпускают модели для каждой конкретной полосы. Усилители из различных семейств имеют разную структуру, что обеспечивает большое разно­образие значений GBWP/I_q. Если выбирать из списка, представленного в таблице 1, следовало бы обратить внимание на МCP628X c полосой 5 МГц и током утечки 445 мкА. Для нашей схемы эти характеристики более чем достаточны.
Если оптимизация потребляемой мощности является главным приоритетом, то можно немного усложнить схему, сформировав усилитель с требуемыми характеристиками на отдельных элементах. Так, при каскадировании двух ОУ общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов каждого каскада, а ток потребления есть линейная сумма токов ячеек. Например, усилитель из двух ячеек с коэффициентом усиления 5 для каждой (см. рис. 7) удовлетворяет все требования. Общий ток покоя равен 90 мкА, что на 81% экономичнее по сравнению с усилителем с большим током и на 60% экономичнее гипотетического усилителя с полосой 5 МГц.

Рис. 7. Схема двухкаскадного усилителя

Множество приложений аналоговой обработки сигналов предполагают лишь периодическую работу. Например, в экранах с внешней засветкой требуется доля секунды, чтобы сделать измерение, оцифровать данные и передать их на центральный процессор. При этом плотность данных не так велика, как в случае непрерывного мониторинга. Между выборками система может отключать питание схемы мониторинга, чтобы уменьшить расход энергии. Например, если на совершение выборки, оцифровку и измерение затрачивается 10 мс, и эту процедуру нужно проводить раз в 2 с, то измерительные схемы могут работать с рабочим циклом 0,5%.Таким образом, пренебрегая токами утечки, можно уменьшить средний ток I_q в 200 раз. Чтобы задать длительность рабочего цикла, можно воспользоваться выводом разрешения, если он имеется на ИС ОУ, либо подавать питание с перерывами.
Существует три типа источников прерываемого питания в зависимости от того, насколько высокий ток нагрузки они должны обеспечить. Для получения сильного тока следует использовать преобразователь мощности или регулятор с выводом разрешения для изолирования блока схемы. Если нужен низкий ток, питание на блоки схемы можно подавать с микроконтроллера напрямую через порты ввода-вывода. При этом дополнительный преобразователь или регулятор не требуется. В промежуточном случае используется тот же вывод МК для управления проводящим элементом, в качестве которого может выступать, например, p-канальный МОП-транзистор.
Какой бы вариант не был выбран, следует проверить, какую величину имеет ток утечки, и учесть его при составлении баланса мощности. Это особенно важно при питании от батареек или естественных источников энергии. Преимуществом использования прерываемого питания является то, что в контролируемом блоке может быть поставлен любой усилитель. Недостаток заключается в том, что при определении времени простоя (питание отключено) могут возникать трудности. Альтернативный путь — использовать ОУ с выводом разрешения, который отключает усилитель, а не только его выходной сигнал.