Amplificateur entièrement différentiel - Fully differential amplifier

Un amplificateur entièrement différentiel ( FDA ) est un courant continu - couplé à gain élevé tension électronique amplificateur de différentiel entrées et sorties différentielles. Dans son utilisation ordinaire, la sortie du FDA est contrôlée par deux voies de rétroaction qui, en raison du gain élevé de l'amplificateur, déterminent presque complètement la tension de sortie pour une entrée donnée.

Dans un amplificateur entièrement différentiel, le bruit de mode commun tel que les perturbations d'alimentation est rejeté; cela rend les FDA particulièrement utiles dans le cadre d'un circuit intégré à signaux mixtes .

Un FDA est souvent utilisé pour convertir un signal analogique sous une forme plus appropriée pour être entraîné dans un convertisseur analogique-numérique ; de nombreux CAN modernes de haute précision ont des entrées différentielles.

La FDA idéale

Pour toutes les tensions d'entrée, la FDA idéale a un gain en boucle ouverte infini, une bande passante infinie, des impédances d'entrée infinies résultant en des courants d'entrée nuls, une vitesse de balayage infinie , une impédance de sortie nulle et un bruit nul .

Dans le FDA idéal, la différence des tensions de sortie est égale à la différence entre les tensions d'entrée multipliées par le gain. La tension de mode commun des tensions de sortie ne dépend pas de la tension d'entrée. Dans de nombreux cas, la tension de mode commun peut être réglée directement par une troisième entrée de tension.

  • Tension d'entrée:
  • Tension de sortie:
  • Tension de mode commun de sortie:

Une vraie FDA ne peut qu'approcher cet idéal, et les paramètres réels sont sujets à des dérives dans le temps et avec des changements de température, des conditions d'entrée, etc. Les FDA FET ou MOSFET intégrés modernes se rapprochent plus étroitement de ces idéaux que les CI bipolaires où les signaux importants doivent être manipulé à température ambiante sur une bande passante limitée; l'impédance d'entrée, en particulier, est beaucoup plus élevée, bien que le FDA bipolaire présente habituellement des caractéristiques de dérive et de bruit supérieures (c'est-à-dire inférieures) de décalage d'entrée.

Là où les limites des appareils réels peuvent être ignorées, une FDA peut être considérée comme une boîte noire avec gain; la fonction et les paramètres du circuit sont déterminés par la rétroaction , généralement négative. Une FDA telle que mise en œuvre dans la pratique est un circuit intégré moyennement complexe .

Limitations des véritables FDA

Imperfections DC

  • Gain fini - l'effet est plus prononcé lorsque la conception globale tente d'obtenir un gain proche du gain inhérent à la FDA.
  • Résistance d'entrée finie - cela met une limite supérieure sur les résistances dans le circuit de rétroaction.
  • Résistance de sortie différente de zéro - importante pour les charges à faible résistance. Sauf pour une sortie de tension très faible, les considérations de puissance entrent généralement en jeu en premier. (L'impédance de sortie est inversement proportionnelle au courant de repos dans l'étage de sortie - un courant de repos très faible entraîne une impédance de sortie très élevée.)
  • Courant de polarisation d'entrée - une petite quantité de courant (généralement ~ 10 nA pour les FDA bipolaires ou picoampères pour les conceptions CMOS ) circule dans les entrées. Ce courant est légèrement discordant entre les entrées inverseuses et non inverseuses (il y a un courant de décalage d'entrée). Cet effet n'est généralement important que pour les circuits de très faible puissance.
  • Décalage d' entrée tension - la FDA produira une sortie même lorsque les broches d'entrée sont exactement la même tension. Pour les circuits qui nécessitent un fonctionnement DC précis, cet effet doit être compensé.
  • Gain en mode commun - Un amplificateur opérationnel parfait amplifie uniquement la différence de tension entre ses deux entrées, rejetant complètement toutes les tensions communes aux deux. Cependant, l'étage d'entrée différentiel d'un FDA n'est jamais parfait, conduisant à l'amplification de ces tensions identiques dans une certaine mesure. La mesure standard de ce défaut est appelée le taux de rejet de mode commun (noté CMRR). La minimisation du gain en mode commun est généralement importante dans les amplificateurs non inverseurs (décrits ci-dessous) qui fonctionnent à une amplification élevée.
  • Effets de la température - tous les paramètres changent avec la température. La dérive de température de la tension de décalage d'entrée est particulièrement importante.

Imperfections AC

  • Bande passante finie - tous les amplificateurs ont une bande passante finie. En effet, les FDA utilisent une compensation de fréquence interne pour augmenter la marge de phase .
  • Capacité d' entrée - ce qui est le plus important pour un fonctionnement à haute fréquence car elle réduit encore la bande passante en boucle ouverte de l'amplificateur.
  • Gain en mode commun - Voir les imperfections CC ci-dessus.
  • Bruit - tous les vrais composants électroniques génèrent du bruit.

Imperfections non linéaires

  • Saturation - la tension de sortie est limitée à une valeur de crête, généralement légèrement inférieure à la tension d' alimentation. La saturation se produit lorsque la tension d'entrée différentielle est trop élevée pour le gain de l'ampli-op, entraînant le niveau de sortie à cette valeur de crête.
  • Pivotement - la tension de sortie de l'amplificateur atteint son taux de variation maximal. Mesuré en tant que taux de balayage , il est généralement spécifié en volts par microseconde. Lors de la rotation, de nouvelles augmentations du signal d'entrée n'ont aucun effet sur la vitesse de changement de la sortie. Le pivotement est généralement causé par les capacités internes de l'amplificateur, en particulier celles utilisées pour mettre en œuvre sa compensation de fréquence , en particulier en utilisant la division des pôles .
  • Fonction de transfert non linéaire - La tension de sortie peut ne pas être exactement proportionnelle à la différence entre les tensions d'entrée. Elle est communément appelée distorsion lorsque le signal d'entrée est une forme d'onde. Cet effet sera très faible dans un circuit pratique si une rétroaction négative importante est utilisée.

Considérations relatives à l'alimentation

  • Puissance de sortie limitée - si une puissance de sortie élevée est souhaitée, un ampli opérationnel spécialement conçu à cet effet doit être utilisé. La plupart des amplificateurs opérationnels sont conçus pour un fonctionnement à faible puissance et ne peuvent généralement entraîner des résistances de sortie que jusqu'à 2 kΩ.
  • Courant de sortie limité - le courant de sortie doit évidemment être fini. En pratique, la plupart des amplificateurs opérationnels sont conçus pour limiter le courant de sortie afin de ne pas dépasser un niveau spécifié, protégeant ainsi la FDA et les circuits associés contre les dommages.

Comportement DC

Le gain en boucle ouverte est défini comme l' amplification de l'entrée à la sortie sans aucune rétroaction appliquée. Pour la plupart des calculs pratiques, le gain en boucle ouverte est supposé être infini; en réalité, ce n'est évidemment pas le cas. Les dispositifs typiques présentent un gain CC en boucle ouverte allant de 100 000 à plus de 1 million; c'est suffisamment grand pour que le gain du circuit soit déterminé presque entièrement par la quantité de rétroaction négative utilisée. Les amplificateurs opérationnels ont des limites de performances que le concepteur doit garder à l'esprit et parfois contourner. En particulier, une instabilité est possible dans un amplificateur CC si les aspects CA sont négligés.

Comportement AC

Le gain FDA calculé à DC ne s'applique pas aux fréquences plus élevées. En première approximation, le gain d'une FDA typique est inversement proportionnel à la fréquence. Cela signifie qu'une FDA est caractérisée par son produit gain-bande passante . Par exemple, une FDA avec un produit de largeur de bande de gain de 1 MHz aurait un gain de 5 à 200 kHz et un gain de 1 à 1 MHz. Cette caractéristique passe-bas est introduite volontairement, car elle tend à stabiliser le circuit en introduisant un pôle dominant. C'est ce qu'on appelle la compensation de fréquence .

Une FDA à usage général à faible coût typique aura un produit gain-bande passante de quelques mégahertz. Les FDA spécialisées et à haut débit peuvent réaliser des produits à bande passante à gain de centaines de mégahertz. Certaines FDA sont même capables de produire des produits à bande passante supérieure à un gigahertz.

Voir également

Les références

Liens externes