Можно ли использовать однополярный источник питания 10 В для ОУ вместо двуполярного ±5 В?

Иногда да. ОУ не имеет вывода заземления, поэтому по сути для него не имеет значения, какие источники питания используются, +10 В, ±5 В или +7 В и –3 В. В то же время напряжение питания определяет рабочую точку усилителя, которая обычно есть среднее напряжение питания. Для напряжения питания +10 В оно составляет 5 В, для ИП ±5 В – уже 0 В.

Среднее значение выбирается потому, что в этой точке входной динамический диапазон и размах выходного сигнала максимальны. Использовать двуполярный источник удобнее, поскольку большинство генераторов сигнала и нагрузок соединены с землей и их потенциал измеряется относительно земли. В случае однополярного источника появляется постоянная составляющая.

Какова разница между режимами power-down, shutdown, standby, sleep и disable?

Зависит от типа усилителя и производителя

Режимы power-down и shutdown используются, когда хотят уменьшить ток собственного потребления. Например, усилитель с током собственного потребления несколько миллиампер  может потреблять микроамперы и даже наноамперы в режиме power-down. Выходной сигнал ОУ не определен в обоих этих режимах.

В режиме disable ток покоя снижен, а выход ОУ имеет высокий импеданс. В этом режиме обеспечена изоляция между входом и выходом, выходы можно. В этом режиме возможна схема, когда несколько выходов подключается параллельно, но в каждый момент времени активен только один из них – т.е. фактически схема мультиплексора.

Однако среди производителей нет единства терминологии, поэтому один и тот же режим может быть назван по-разному. Соответственно, чтобы избежать ошибок, важно внимательно читать документацию к усилителю.

Почему для каждой ИС требуются развязывающие конденсаторы?

Конденсатор между источником питания и ИС защищает микросхему от шума и всплесков напряжения, который может повредить не только данную ИС, но и остальную схему.

Линии питания работают как антенны, улавливающие высокочастотный шум, реагируют на электрические и магнитные поля. Проводник длиной 1 см имеет индуктивность около 8 нГн (5 Ом на частоте 100 МГц), и на нем происходят потери. Конденсатор закорачивает схему на ВЧ.

Длина связей должна быть минимальной, поэтому важно располагать его как можно ближе к ИС. Керамические конденсаторы имеют меньшую индуктивность, поэтому рекомендуется использовать именно их. Развязывающие конденсаторы также не пропускают шумы, генерируемые в ИС.

Как ОУ взаимодействует с конденсаторами

Первая классическая проблема, связанная с исследованием стабильности ОУ, касается емкости инвертирующего входа. Взаимодействие резистора в цепи ОС с общей емкостью на входе и паразитной емкостью на инвертирующем входе. Емкость и резистор в цепи ОС вносят полюс, который уменьшает фазовый запас и нестабильность.

Другая проблема. Выходная нагрузка может провоцировать выброс, звон и проблемы стабильности. Выходной импеданс и емкость нагрузки формируют полюс, который изменяет передаточную характеристику ОУ и уменьшает фазовый запас, что приводит к выбросу и звону.

Третья проблема связана с развязывающими конденсаторами. Когда отключается источник питания, развязывающий конденсатор остается заряженным, и ОУ продолжает вырабатывать выходной сигнал. Так происходит всегда, однако заряда хватает на несколько нс.

Почему могут отличаться характеристики схемы от ожидаемых?

Бывают случаи, когда выбранный усилитель не подходит. Повторная сверка с тех. документацией показывает, что графиков и таблиц, точно отражающих параметры схемы, нет, однако есть «близкие», которые отражают требуемое поведение. В этом случае нельзя ориентироваться на примерные данные. И вот почему.

Если посмотреть график при больших сигналах, значения коэффициента усиления доходят до 10. А если на первой странице указана гораздо большая полоса, чем нужна в данной схеме, то можно предположить, что он дойдет до 20. Однако такая оценка неверна, поскольку на первой странице приведены характеристики для малых сигналов. Полоса пропускания для больших и малых сигналов может различаться в два раза и более в зависимости от напряжения питания и условий тестирования.

Лучше пользоваться параметром GBWP – произведение полосы пропускания на коэффициент усиления. Для усилителей с обратной связью по напряжению это постоянная величина, определяемая как произведение коэффициента усиления с разомкнутой обратной связью после точки -3 дБ на соответствующую частоту. В рассматриваемом примере был выбран усилитель с недостаточным значением GBWP.

Почему важно обеспечить равенство фаз сигналов на входе быстродействующего преобразователя?

Равенство фаз входных сигналов важно обеспечивать на всем сигнальном тракте, потому что при сдвиге могут возникнуть четные гармоники. Неравенство фаз на входе обычно проявляется при несоблюдении требований к допускам элементов, или когда нарушена симметрия топологии печатной платы.

Входные дифференциальные сигналы должны быть сдвинуты по фазе ровно на 180°.

Пассивное несоответствие фаз, обусловленное использованием трансформатора или симметрирующей схемы, обычно проявляется на частотах 100-150 МГц. Этот эффект можно ослабить если использовать два трансформатора или две симметрирующие схемы, либо выбрать более качественные трансформаторы.

При выборе элементов с недостаточными допусками возникает активный разбаланс. Резисторы, задающие коэффициент усиления, должны обладать погрешностью не более 1%. Неточности приводят к появлению гармоник второго порядка.

Несимметричность проводников в сигнальной цепи также приводит к искажениям. Они могут не проявляться на низких частотах, однако нелинейности всегда видны на частотах выше 100 МГц.

На входе АЦП допускается неточность фазы. Желательно, чтобы она не превышала 4°.

Можно ли использовать внутренние защитные диоды в качестве фиксирующих диодов в целях сохранения места на плате и удешевления схемы?

Такая идея может возникнуть, когда входной сигнал периодически превышает напряжение питания. Однако такое решение нецелесообразно.

В конце концов, придется постоянно заменять усилители, применяемые в качестве предохранителей. Защитные диоды включены между входом, выходом и выводом питания усилителя. Они предназначены для краткосрочной работы, иначе может произойти отказ диода или повреждение самого усилителя (по крайней мере, гарантирован его перегрев).

Более удачное решение – использовать внешние диоды с ограничивающим резистором, привязанные к напряжению ниже напряжения питания, которое рекомендуется для получения максимального входного диапазона усилителя.

Альтернативный путь – усилители со встроенной защитой от перенапряжения. Это относительно новый тип усилителей. Они более безопасны и выгодны с экономической точки зрения.