OP AMP Topologi

Bagian sebelumnya diperiksa op amp tanpa memperhatikan sirkuit internal mereka. Pada bagian ini dua op amp dasar topologi tegangan umpan balik (VFB) dan umpan balik arus (CFB) - dibahas secara lebih rinci, yang mengarah ke diskusi rinci tentang struktur sirkuit yang sebenarnya pada Bagian 1-3.

Gambar 1-12: Umpan balik tegangan (VFB) op ampMeskipun tidak secara eksplisit dinyatakan, bagian sebelumnya berfokus pada umpan balik tegangan op amp dan persamaan yang terkait. Untuk menegaskan, dasar umpan balik tegangan op amp diulang di sini pada Gambar 1-12 di atas (tanpa jaringan umpan balik) dan pada Gambar 1-13 di bawah ini (dengan jaringan umpan balik).

Gambar 1-13: Tegangan umpan balik op amp dengan jaringan umpan balik terhubung Penting untuk dicatat bahwa sinyal kesalahan dikembangkan karena jaringan umpan balik dan terbatas loop terbuka gain A (s) sebenarnya tegangan kecil, v.Saat Tanggapan Amplifier DasarSaat ini topologi penguat umpan balik dasar ditunjukkan pada Gambar 1-14 di bawah ini. Perhatikan bahwadalam model, buffer gain menghubungkan non-pembalik input ke pembalikmasukan. Dalam kasus ideal, impedansi output dari buffer ini adalah nol (RO = 0), dan kesalahansinyal arus kecil, i, yang mengalir ke input pembalik. Kesalahan saat, saya, adalahcermin menjadi impedansi tinggi, T (s), dan tegangan yang dikembangkan di T (s) adalah sama denganT (s) i. (Jumlah T (s) umumnya disebut sebagai gain transimpedansi loop terbuka.)

Tegangan ini kemudian buffered, dan terhubung ke output op amp. Jika RO diasumsikanmenjadi nol, mudah untuk menurunkan ekspresi untuk gain loop tertutup, VOUT / VIN, dalam haljaringan R1-R2 umpan balik dan gain transimpedansi loop terbuka, T (s). persamaanjuga dapat diturunkan cukup mudah untuk RO terbatas, dan Gambar. 1-14 memberikan kedua ekspresi.

Gambar 1-14: umpan balik Current (CFB) topologi op ampPada titik ini perlu dicatat bahwa umpan balik arus op amp yang sering disebutamp transimpedansi op, karena fungsi transfer loop terbuka sebenarnya impedansiseperti dijelaskan di atas. Namun, transimpedansi amplifier istilah ini sering diterapkan untuk lebihsirkuit umum seperti (I / V) konverter arus ke tegangan, di mana baik CFB atau VFB opamp dapat digunakan. Oleh karena itu, hati-hati dibenarkan ketika transimpedansi istilahditemui dalam aplikasi tertentu. Di sisi lain, istilah umpan balik arus op ampjarang bingung dan nomenklatur disukai ketika mengacu pada topologi op amp.Dari model sederhana ini, beberapa CFB op penting karakteristik amp dapat disimpulkan. Tidak seperti VFB op amp, CFB op amp tidak memiliki input seimbang. Sebaliknya, non-pembalik input impedansi tinggi, dan masukan pembalik adalah impedansi rendah. Gain loop terbuka dari CFB op amp diukur dalam satuan (gain transimpedansi)daripada V / V seperti untuk VFB op amp.

Untuk nilai tetap resistor umpan balik R2, gain loop tertutup dari CFB dapat bervariasidengan mengubah R1, tanpa secara signifikan mempengaruhi bandwidth loop tertutup. Hal ini dapatdilihat dengan memeriksa persamaan yang disederhanakan pada Gambar. 1-14. penyebutmenentukan respon frekuensi secara keseluruhan; dan jika R2 adalah konstan, maka R1 daripembilang dapat diubah (dengan demikian mengubah gain) tanpa mempengaruhidenominator- maka bandwidth tetap relatif konstan.

Topologi CFB terutama digunakan di mana yang paling dalam kecepatan tinggi dan distorsi yang rendah diperlukan. Konsep dasar didasarkan pada kenyataan bahwa dalam rangkaian transistor bipolar arus dapat diaktifkan lebih cepat dari tegangan, semua hal lain dianggap sama. Yang lebih pembahasan rinci dari AC karakteristik CFB op amp dapat ditemukan pada Bagian 1-5.

Gambar 1-15 di bawah ini menunjukkan skema sederhana dari awal IC CFB op amp, yangAD846- diperkenalkan oleh Analog Devices pada tahun 1988 (lihat Referensi 1). Perhatikan bahwa penguatan penuh diambil dari bipolar komplementer (CB) proses yang menyediakan serasi ft tinggi PNP dan NPN transistor.

Gambar 1-15: saat AD846 umpan balik op amp (1988)Transistor Q1-Q2 buffer masukan non-pembalik (pin 3) dan mendorong masukan pembalik(pin 2). Q5-P6 dan P7-Q8 bertindak sebagai cermin saat ini yang mendorong node impedansi tinggi. ituCCOMP kapasitor memberikan kompensasi dominan tiang; dan Q9, Q10, Q11, Q12 danterdiri output buffer. Dalam rangka untuk mengambil keuntungan penuh dari arsitektur CFB, tinggikecepatan bipolar komplementer (CB) proses IC diperlukan. Dengan proses IC modern,ini mudah dicapai, sehingga kopling langsung di jalur sinyal dari amplifier.

Namun, konsep dasar umpan balik arus dapat ditelusuri sepanjang jalan kembali ke vakum awal umpan balik tabung sirkuit, yang digunakan umpan balik negatif ke katoda tabung masukan. Ini penggunaan katoda untuk umpan balik akan analog dengan CFB op amp rendahimpedansi (-) input, pada Gambar. 1-15.

umpan balik arus Menggunakan Vacuum TubesGambar 1-16 di bawah ini merupakan adaptasi dari sebuah artikel 1937 tentang penguat umpan balik olehFrederick E. Terman (lihat Referensi 2). Perhatikan bahwa R2 resistor umpan balik AC-digabungkan untuk ini dua-tahap penguat terhubung ke katoda impedansi rendah dari T1, tahap input tabung pentode vakum. Contoh yang sama tabung sirkuit awal menggunakan umpan balik katoda dapat ditemukan di Referensi 3.

DC-coupled desain amp op menggunakan tabung vakum sulit untuk berbagai alasan. Salah satu alasan adalah kurangnya shifter tingkat yang cocok. Multi-tahap op amps baik diperlukan pasokan tegangan yang sangat tinggi atau menderita kerugian keuntungan karena tingkat shifter resistif. Dalam 1941Artikel, Stewart E. Miller menjelaskan cara menggunakan tabung gas discharge sebagai shifter tingkat dibeberapa rangkaian amplifier tabung hampa (lihat Referensi 4). Sebuah rangkaian kepentingan tertentu ditunjukkan pada Gambar 1-17 (berlawanan).

Gambar 1-16: A 1937 vakum rangkaian umpan balik tabung yang dirancang olehFrederick E. Terman, menggunakan umpan balik arus ke input katoda impedansi rendah(diadaptasi dari Referensi 2)Dalam Gambar. 1-17 reproduksi sirkuit Miller, resistor umpan balik R2 dan R1 gainpengaturan resistor diberi label untuk kejelasan, dan dapat dilihat bahwa umpan balik ke rendahimpedansi katoda tabung masukan. Penulis menyarankan bahwa gain loop tertutup dariamplifier dapat disesuaikan dari 72dB-102dB, dengan memvariasikan R1 gain-pengaturan resistor dari37.4 ke 1.04.Apa yang benar-benar menarik tentang sirkuit Miller adalah respon frekuensi, yang direproduksi pada Gambar 1-18 (berlawanan). Perhatikan bahwa bandwidth loop tertutup hampir independen dari pengaturan gain, dan sirkuit tentu tidak menunjukkan produk gainbandwidth konstan seperti yang diharapkan untuk tradisional VFB op amp.

Untuk keuntungan dari 72dB, bandwidth sekitar 30kHz, dan untuk keuntungan dari 102dB (30dBkenaikan), bandwidth hanya turun menjadi ~ 15kHz. Dengan gain 72dB di 30kHz VFB op amp, bandwidth akan diperkirakan turun 5 oktaf ke ~ 0.9kHz untuk 102dB keuntungan.

Gambar 1-17: Sebuah rangkaian 1.941 tabung vakum umpan menggunakan umpan balik arus Untuk menjelaskan hal ini pada bandwidth, standar VFB op amp 6dB / oktaf (20dB / decade) kemiringan telah ditambahkan ke Gambar. 1-18 untuk referensi.

Gambar 1-18: Sebuah rangkaian 1.941 umpan balik menunjukkan CFB karakteristik gain bandwidthhubunganMeskipun tidak ada menyebutkan pentingnya hal ini dalam teks yang sebenarnyaArtikel, itu tetap menggambarkan aplikasi populer perilaku CFB, dalam desain kecepatan tinggi diprogram amplifier gain dengan bandwidth yang relatif konstan.Ketika sirkuit transistor akhirnya digantikan sirkuit tabung hampa antara akhir 1950-andan pertengahan 1960-an, arsitektur umpan balik arus menjadi populer pasti tinggikecepatan op amp. Gambar 1-19 di bawah ini menunjukkan op amp cepat menetap dirancang di Bell Labs di1965, untuk digunakan sebagai sebuah blok bangunan dalam kecepatan tinggi A / D converter (lihat Referensi 5).Rangkaian yang ditunjukkan adalah penguat komposit yang mengandung AC penguat kecepatan tinggi (ditampilkandalam garis putus-putus) dan terpisah DC servo amplifier lingkaran (tidak ditampilkan). ituresistor umpan balik R2 adalah AC digabungkan ke emitor rendah impedansi transistor Q1. itudesain sirkuit agak canggung karena kurangnya frekuensi tinggi yang baik PNPtransistor, dan juga diperlukan zener dioda tingkat shifter, dan perlengkapan non-standar.

Gambar 1-19: A 1965 solid state umpan balik arus op amp desain dari Bell Labs teknologi manufaktur Hybrid sirkuit, yang mapan dengan tahun 1980-an,memungkinkan penggunaan cepat, relatif cocok NPN dan PNP transistor, untuk mewujudkan CFB op amp. AD9610 dan AD9611 hibrida Analog Devices 'adalah contoh yang baik dari perangkat ini diperkenalkan pada pertengahan 1980-an.Dengan perkembangan kecepatan tinggi komplementer bipolar proses IC di tahun 1980-an(lihat Referensi 6) menjadi mungkin untuk mewujudkan umpan balik arus sepenuhnya DC-coupledop amp menggunakan PNP dan NPN transistor seperti Analog Devices 'AD846, diperkenalkanpada tahun 1988 (Gambar. 1-15, lagi). Pencocokan perangkat dan desain sirkuit pintar teknik memberikanmodern ini IC CFB op amp AC dan DC kinerja yang sangat baik tanpa syaratuntuk shifter terpisah tingkat, pasokan tegangan canggung, atau terpisah servo loop DC.

Berbagai paten telah dikeluarkan untuk jenis desain (lihat Referensi 7 dan 8, misalnya), tetapi harus diingat bahwa konsep dasar didirikan dekade sebelumnya.