Развязывающие конденсаторы: они нужны, но зачем? Неиспользуемые операционные усилители: что с ними делать?

Продолжаем публикацию глав руководства Брюса Трампа, описывающего практические аспекты и особенности проектирования электроники с использованием операционных усилителей. Главы 27 и 28 посвящены вопросам необходимости развязывающих конденсаторов и неиспользуемых операционных усилителей. Ответы на эти вопросы расширят ваш кругозор и облегчат понимание ситуации
1092
В избранное

На сайте нашего партнера компании Компэл опубликованы главы руководства Брюса Трампа, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ). Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях. Представляем вашему вниманию очередные главы из него.

Развязывающие конденсаторы: они нужны, но зачем?

Всем известно, что операционные усилители должны иметь развязывающие конденсаторы по цепям питания, расположенные рядом с выводами микросхемы. Но почему, например, какой-то усилитель вдруг оказывается более склонным к самовозбуждению без надлежащей развязки? Ответы на эти вопросы расширят ваш кругозор и облегчат понимание ситуации.

Коэффициент подавления шумов напряжения питания (Power supply rejection) характеризует способность операционного усилителя подавлять колебания и пульсации, возникающие на выводах питания. Например, на рисунке 65 показано, что коэффициент подавления шумов очень высок на низкой частоте, но с увеличением частоты уменьшается. Таким образом, на высоких частотах наблюдается более слабое подавление возникающих помех.

Цепь питания V+ без надлежащего развязывающего конденсатора имеет высокий импеданс

Рис. 65. Цепь питания V+ без надлежащего развязывающего конденсатора имеет высокий импеданс

Мы часто думаем о внешних шумах, идущих от источника питания и мешающих усилителю. Но операционные усилители могут сами быть источником проблем. Например, выходной ток нагрузки течет от вывода питания. Без надлежащего развязывающего конденсатора импеданс на входе питания может быть высоким. Это позволяет переменному току нагрузки (AC) генерировать переменное напряжение на этом выводе и создает паразитный контур цепи обратной связи. Индуктивность вывода питания может дополнительно увеличить результирующее переменное напряжение. На высокой частоте, когда коэффициент подавления помех по питанию имеет малое значение, эта паразитная обратная связь может вызвать осцилляции.

Без обеспечения стабильного питания узлы внутренней схемы могут взаимодействовать друг с другом, создавая нежелательные паразитные контуры обратной связи. Это происходит из-за того, что внутренние схемы ОУ спроектированы для работы с устойчивым малым значением импеданса на входах питания. Усилитель может вести себя совершенно непредсказуемо без стабильного и низкоомного питания.

При подаче синусоидального сигнала на вход усилителя с недостаточно качественной развязкой на цепях питания паразитная обратная связь приводит к искажению формы выходного сигнала. Сигнальные токи, протекающие через выводы питания, зачастую сильно искажены, поскольку они представляют только половину тока синусоидальной волны (рисунок 66). Цепи паразитной ОС вызовут дополнительное искажение выходного сигнала при различных значениях коэффициента подавления помех по положительному и отрицательному питаниям.

Форма сигнальных токов на выводах питания зачастую сильно искажена, потому что они представляют только половину синусоидального тока (справа)

Рис. 66. Форма сигнальных токов на выводах питания зачастую сильно искажена, потому что они представляют только половину синусоидального тока (справа)

Проблемы усугубляются при увеличении нагрузки. Реактивная нагрузка создает сдвинутые по фазе токи, которые могут дополнительно ухудшить ситуацию. Емкостная нагрузка сама по себе подвергает схему более высокому риску возникновения колебаний из-за дополнительного фазового сдвига в цепи обратной связи. Для таких случаев  могут потребоваться танталовые развязывающие конденсаторы большой емкости и особая осторожность при выполнении электрической разводки схемы.

Конечно, не все усилители с недостаточной развязкой по питанию подвержены осцилляциям. Иногда для установления колебаний не хватает положительной обратной связи или задержки, вносимой цепями ОС. Тем не менее, эффективность схемы может быть снижена. Частотная характеристика и импульсный отклик также подвержены влиянию чрезмерного перерегулирования и плохого времени установления. Эти особенности не очень хорошо моделируются в TINA-TI или других программах SPICE-моделирования. Источники напряжения в SPICE абсолютно стабильные и нечувствительны к токам нагрузки. Моделирование фактического импеданса источника питания и паразитных параметров печатной платы оказывается весьма сложным и неточным процессом. В лучших макромоделях моделируется величина коэффициента подавления помех по питанию, но фазовая связь этих цепей обратной связи вряд ли соответствует действительности. Моделирование может быть чрезвычайно полезным, но не всегда точно прогнозирует такое поведение.

Однако не нужно сходить с ума, думая о развязке цепей питания. Достаточно внимательно относиться к особенно чувствительным ситуациям и признакам потенциальных проблем. Хорошая аналоговая схема выигрывает от приложения хорошей порции знаний.

Неиспользуемые операционные усилители: что с ними делать?

Когда я говорю о неиспользуемых операционных усилителях, я не имею в виду микросхемы, лежащие у вас на полке (для их хранения следует использовать антистатические пакеты). Что делать с теми ОУ, которые находятся на печатной плате? Например, неиспользуемым может оказаться один из усилителей в микросхеме, содержащей четыре или два интегральных ОУ.

В таких случаях лучшим вариантом будет подключение неиспользованных ОУ по схеме с обратной связью (рисунок 67). Схема буфера с единичным усилением является очевидным выбором, поскольку она не требует дополнительных компонентов (рисунок 67б). Оставшийся вход следует подключить к напряжению в пределах допустимого входного диапазона. Не стоит оставлять входы неподключенными. Также следует избегать подключений, которые могут вызвать перегруз входа или выхода либо перевести усилитель в неопределенное состояние с высоким уровнем шумов (рисунок 67а).

Подключение неиспользуемых ОУ: а) неправильно; б) правильно

Рис. 67. Подключение неиспользуемых ОУ: а) неправильно; б) правильно

Можно также дать рекомендации по выполнению трассировки печатной платы. Рассматривайте неиспользуемые операционные усилители как потенциал для выполнения возможных модификаций. Вы можете найти применение для свободного ОУ в процессе доработки или при будущем развитии вашего устройства. Думайте о перспективах! Сделайте подключения к неиспользуемым операционным усилителям на верхних и нижних слоях печатных платах, где изменения можно сделать достаточно просто. Можно оставить посадочные места для компонентов обратной связи с проводниками, которые можно легко отрезать.

Вы можете полностью устранить проблему с лишними ОУ, выбрав микросхему с нужным числом усилителей на борту: одним, двумя или четырьмя, как, например, в OPA322. Это позволит добиться оптимальной компоновки печатной платы без лишних элементов. При этом используемые операционные усилители будут иметь те же характеристики и поведение.

Стоит сказать слова утешения для тех, кто не использовал описанные выше предпочтительные методы подключения свободных усилителей: вы вряд ли сильно нарушите работу остальных ОУ, находящихся в том же корпусе. Возможно, вы будете наблюдать повышенный ток потребления, но ваша система вряд ли выйдет из строя или сгорит. Большинство современных ОУ имеет независимую схему смещения для каждого канала, нечувствительную к перегрузкам в других каналах на том же кристалле. Если ваши цепи работают – расслабьтесь и используйте полученные рекомендации в следующих схемах.

Предыдущие главы:

Источник: www.compel.ru

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
OPA322AIDBVR
OPA322AIDBVR
Texas Instruments
Арт.: 856688 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
20-MHZ, LOW-NOISE, 1.8-V, RRI/O, CMOS OPERATIONAL AMPLIFIER WITH SHUTDOWN
OPA322AIDBVR
-
Поиск
предложений
OPA322AIDBVT
OPA322AIDBVT
Texas Instruments
Арт.: 856689 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
20MHz, Low Noise, 1.8V RRIO, CMOS Operational Amplifier with Shutdown 5-SOT-23 -40 to 125
OPA322AIDBVT
-
Поиск
предложений
OPA322SAIDBVR
OPA322SAIDBVR
Texas Instruments
Арт.: 1111863 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
20-MHZ, LOW-NOISE, 1.8-V, RRI/O, CMOS OPERATIONAL AMPLIFIER WITH SHUTDOWN
OPA322SAIDBVR
-
Поиск
предложений
OPA322SAIDBVT
OPA322SAIDBVT
Texas Instruments
Арт.: 1111864 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
20-MHZ, LOW-NOISE, 1.8-V, RRI/O, CMOS OPERATIONAL AMPLIFIER WITH SHUTDOWN
OPA322SAIDBVT
-
Поиск
предложений
OPA322AQDBVRQ1
OPA322AQDBVRQ1
Texas Instruments
Арт.: 2301663 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
IC OPAMP GP 1 CIRCUIT SOT23-5
OPA322AQDBVRQ1
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()