Активное согласование выходного сопротивления

Уменьшить потери, возникающие при согласовании выходного сопротивления усилителя, а также повысить максимальное выходное напряжение можно используя резистор-датчик выходного тока и положительную обратную связь.

Драйвер на полностью дифференциальном усилителе

Активное согласование выходного сопротивления полностью дифференциального усилителя

Выходное сопротивление без учёта ошибки, вносимой конечным коэффициентом усиления полностью дифференциального усилителя:

Коэффициент усиления без учёта ошибки, вносимой конечным коэффициентом усиления полностью дифференциального усилителя:

Vout Ro
———— = ——————————————————————————————————————————————
Vin R1 ((2Ro + Rload||2R3)/(Rload||2R3) - R2 / R3)

Задача: рассчитать драйвер с выходным сопротивлением 50 Ом и коэффициентом усиления 2 при работе на согласованную нагрузку.

R3 = R2 / (1 - Ro / (Rout / 2)) = 1000 / (1 - 10 / (50 / 2)) = 1667 Ом ≈ 1.65 К (E96)
k = Rload || 2R3 = Rout×2×R3 / (Rout + 2×R3)=50×2×1650 /( 50 + 2×1650) = 49.25
R1 = (R2 / gain) / ((2×Ro + k) / k - R2 / R3) = (1000 / 2) / ((2×10 + 49.25) / 49.25 - 1000 / 1650) = 625 Ом ≈ 619 (E96)

В расчёте при работе на высокоомную нагрузку значение коэффициента усиления следует поделить на 2.

Инвертирующий драйвер на дифференциальном усилителе

Активное согласование выходного сопротивления дифференциального усилителя в инверсном включении

Выходное сопротивление без учёта ошибки, вносимой конечным коэффициентом усиления дифференциального усилителя:

                   Ro
Rout = ———————————————————————————
           (1 + R2 / R1)     Ro
       1 - ————————————— + ———————
           (1 + R4 / R3)   R3 + R4

Коэффициент усиления без учёта ошибки, вносимой конечным коэффициентом усиления дифференциального усилителя:

Vout R2
———— = ————————————————————————————————————————————
Vin R1 (Ro / Rout + Ro / Rload + Ro / (R3 + R4))

Задача: рассчитать инвертирующий драйвер с выходным сопротивлением 50 Ом и коэффициентом усиления 2 при работе на согласованную нагрузку.

k = Ro / Rout = 4.99/50 = 0.0998
R1 = R2 / (2×k×gain) = 2000/(2×0.0998×2) = 5010 Ом ≈ 4.99 К (E96)

R4 = R3×((1 + R2 / R1) / (1 - k) - 1) = 4990×((1+2000/4990)/(1-0.0998)-1) = 2775 Ом ≈ 2.8 К (E96)

В расчёте при работе на высокоомную нагрузку значение коэффициента усиления следует поделить на 2.

Выбор R3 и R4

Для стабильности отрицательная обратная связь должна превалировать на положительной, поэтому должно выполняться неравенство (R1 || R2) < (R3 || R4), однако запас стабильности лучше проверять. Если он слишком мал, на АЧХ будет наблюдаться пик.

R3 и R4 подключены параллельно нагрузке, поэтому они должны быть достаточно велики. С другой стороны, есть тепловой шум резисторов, что может быть важно к примеру, если это драйвер какого-то звукового устройства, и они должны быть как можно меньше.

Для решения этой проблемы для начала стоит выбрать R3 = R1.

Неинвертирующий драйвер на дифференциальном усилителе

Активное согласование выходного сопротивления дифференциального усилителя в неинверсном включении

Выходное сопротивление без учёта ошибки, вносимой конечным коэффициентом усиления операционного усилителя:

Коэффициент усиления без учёта ошибки, вносимой конечным коэффициентом усиления операционного усилителя:

Vout R2
———— = 0.5 + ————————————————————————————————————————————
Vin R1 (Ro / Rout + Ro / Rload + Ro / (R3 + R4))

Задача: рассчитать неинвертирующий драйвер с выходным сопротивлением 50 Ом и коэффициентом усиления 2.5 при работе на согласованную нагрузку.

k = Ro / Rout = 4.99/50 = 0.0998
R1 = R2 / (2 k (gain - 0.5)) = 2000/(2×0.0998×(2.5-0.5)) = 5010 Ом ≈ 4.99 К (E96)

R4 = R3 ((1 + R2 / R1) / (1 - k) - 1) = 4990×((1+2000/4990)/(1-0.0998)-1) = 2775 Ом ≈ 2.8 К (E96)

В расчёте при работе на высокоомную нагрузку значение коэффициента усиления следует поделить на 2.

Драйвер с дифференциальным входом и балансным выходом

Сначала рассчитывается одно плечо. При этом коэффициент усиления при расчёте удваивается.

Затем R3 оригинальной схемы расщепляется на 2 резистора: r3' и r3".

Следует учитывать высокую чувствительность схемы к разбросу номиналов резисторов.

Драйвер с несимметричным входом и балансным выходом

Драйвер с балансным выходом, K=1

Драйвер с балансным выходом, K=2

Схема состоит из инвертирующего и неинвертирующего плечей, сопротивления резисторов в которых оказывают влияние друг на друга.

Расчёт схемы происходит в несколько этапов.

Сначала рассчитывается неинвертирующее плечо.

Рассчитанные значения принимаются в качестве базовых для R4, R8, R11, R12.

Затем R3 оригинальной схемы расщепляется на 2 резистора: r3' и r3".

Рассчитанные значения принимаются в качестве базовых для R3 = r3', R7 = r".

Затем выполняется уточнение всех номиналов с использованием симулятора.

Это можно сделать вручную, следуя такому алгоритму:

oВыполнить несколько расчётов для инвертирующего плеча меняя его выходное сопротивление в меньшую сторону, обычно до 0.95 от выходного сопротивления неинвертирующего плеча;

oДля каждого рассчитанного варианта рассчитать R2, R6;

oВарьируя значения R2 в пределах 0.65 - 1, R6 в пределах 0.95 - 1.3 от рассчитанных проверять результат на симуляторе;
Проверять следует для 2-х режимов: с согласованной нагрузкой и без нагрузки. В обоих режимах следует добиваться равного напряжения на обоих выходах;

oМожет также потребовать слегка изменить номинал R3 и R7.

Подгонка с точностью около 1 дБ вручную требует несколько десятков проверок.

Подгонка выполняется проще, если понизить значение номиналов резисторов R5 и R8 при расчёте.

Намного точнее можно выполнить подгонку с использованием подбора с помощью программы. Тем не менее, расчёт с помощью программы для рядов E96 и E192 тоже требует времени.

Следует также учитывать высокую чувствительность схемы к разбросу номиналов резисторов.

Данная схема используется в приборах примерно с 1995 года.

Драйвер с балансным выходом dbx168a, dbx740X

Драйвер с дифференциальным входом и выходом

Активное согласование выходного сопротивления драйвера с дифференциальным входом и выходом

Rload (R1 (R2 + R3 - Ro) + 2 R2 R3)
Gain.matched.load = ———————————————————————————————————
R1 (Rload (R3 - R2 + Ro) + 2 R3 Ro)

R1 (R2 + R3 - Ro) + 2 R2 R3
Gain.no.load = ———————————————————————————
R1 (R3 - R2 + Ro)

Задача: рассчитать драйвер с дифференциальным входом и выходом с выходным сопротивлением 50 Ом и коэффициентом усиления 8.85 при работе на согласованную нагрузку.

R3 = R2 / (1 - 2 Ro / Rout) = 1000/(1-2×15.4/50) = 2604 ≈ 2.61K (E96)
R1 = 2 R2 R3 / (Ro - R2 - R3 + Gain (Rout (R3 - R2 + Ro) + 2 R3 Ro) / Rout)

R1 = 2×2610×1000/(15.4-1000-2610+8.85×(50×(2610-1000+15.4)+2×2610×15.4)/50) = 208.6 Ом ≈ 205 (E96)

Не для всех комбинаций усиления, выходного сопротивления и Ro существует решение.

Если при расчёте значение R1 получилось отрицательным, следует увеличить значение Ro и попробовать рассчитать с новым значением.

Application Note 3390, Reduced Termination Loss by Active Synthesis of Output Impedance