تقویت کننده های کامپوزیت

مواقعی وجود دارد که شما به یک تقویت کننده با بهره بالا، نویز کم، سرعت حرکت بالا و پهنای باند وسیع به طور همزمان نیاز دارید. با این حال، همه این اهداف طراحی با تمام قطعات موجود در بازار هماهنگ نیست. یک راه حل، استفاده خلاقانه از تقویت کننده های متعدد در طراحی تقویت کننده کامپوزیت است. با تقویت کننده کامپوزیت مناسب، می توانید یک تقویت کننده منحصر به فرد ایجاد کنید که از بهترین ویژگی های هر مرحله تقویت کننده استفاده کند. در اینجا نکاتی وجود دارد که باید در هنگام  طراحی یک تقویت کننده کامپوزیت در نظر بگیرید و چگونگی طراحی خود را با مجموعه مناسب ابزارهای شبیه سازی مدار ارزیابی کنید.

آشنایی با تقویت کننده های کامپوزیت

هر تقویت کننده کامپوزیت شامل حداقل دو تقویت کننده است و گاهی اوقات می تواند بیش از دو تقویت کننده را شامل شود. این نوع از تقویت کننده شبیه تقویت کننده های آبشاری یا چند مرحله ای است و به تمایز بین هر نوع تقویت کننده کمک می کند تا مزایای بالقوه آن را راحت تر ببینید.

نمودار مدار تقویت کننده کامپوزیت

تصویر زیر یک مثال کلی از نمودار مدار تقویت کننده کامپوزیت را نشان می دهد. هر تقویت کننده در این مثال یک تقویت کننده عملیاتی است که به شیوه کلاسیکی که اکثر طراحان با آن آشنا هستند پیاده سازی شده است. فیدبکی بین خروجی و تقویت کننده اول A1 وجود دارد همچنین تقویت کننده دوم حلقه فیدبک مخصوص خود را دارد و علاوه بر آن فیدبکی برای کل تقویت کننده کامپوزیتی نیز وجود دارد. به این ترتیب، تقویت کننده دوم اساساً بخشی از حلقه فیدبک در تقویت کننده اول است که با حلقه A2 → R2 → A1 تشکیل می شود.

تقویت کننده های چند مرحله ای در مقابل آبشاری و تقویت کننده های کامپوزیت چگونه عمل میکنند؟

انواع مختلف تقویت کننده ها را می توان با یکدیگر اشتباه گرفت و آن هم به این دلیل است که یک تقویت کننده چند مرحله ای در هر مرحله حاوی یک تقویت کننده خواهد بود، جایی که هر مرحله ممکن است توپولوژی خاص خود را داشته باشد یا تقویت کننده های متعدد (از جمله تقویت کننده کامپوزیت) را شامل شود. همه تقویت کننده های آبشاری تقویت کننده های چند مرحله ای هستند، اما برعکس لزوما درست نیست. در واقع، اصطلاحات “تقویت کننده چند مرحله ای” و “تقویت کننده آبشاری” گاهی اوقات به جای یکدیگر استفاده می شوند.
عامل اصلی که انواع مختلف تقویت‌کننده‌ها را متمایز می‌کند این است که چگونه بهره‌ها (در واقع توابع انتقال) از هر تقویت‌کننده برای تولید بهره (تابع انتقال) کل تقویت‌کننده در رژیم خطی ترکیب می‌شوند. برای تقویت‌کننده‌های آبشاری یا تقویت‌کننده‌های چند مرحله‌ای، بهره کل فقط حاصل از بهره‌های فردی هر تقویت‌کننده است، با این فرض که تمام مراحل تقویت‌کننده در رژیم‌های خطی مربوطه خود کار می‌کنند. این مورد به طور کلی برای تقویت کننده های کامپوزیت صدق نمی کند.

همانطور که از نمودار مدار بالا می بینیم، سود کل به نحوه اجرای فیدبک مشترک و فیدبک مرحله دوم بستگی دارد. جدول زیر خلاصه کوتاهی از انواع مختلف تقویت کننده ها و نحوه ایجاد فیدبک بین مراحل مختلف را نشان می دهد.

طراحی تقویت کننده کامپوزیت

افزایش – پهنای باند
چند نکته اساسی برای درک ساخت تقویت کننده کامپوزیت وجود دارد. اولین نکته رابطه بین بهره تقویت کننده کامپوزیت کلی (تنظیم شده توسط R1 و R2 در نمودار مدار بالا) و بهره های جداگانه هر تقویت کننده است. اگرچه بهره ها افزاینده هستند، اما بهره A1 برابر است با (Total Gain)/(Gain of A2). به طور کامل توسط خروجی A2 و حلقه بازخورد مشترک تنظیم می شود.
هدف در تنظیم پهنای باند بهره، جلوگیری از پیک شدن تک تک تقویت کننده ها است که از پیک شدن در تابع انتقال ترکیبی جلوگیری می کند. rolloof با تقویت کننده های مرتبه بالاتر (محصول سفارشات تک تک آمپلی فایرها) مطابقت دارد.

مرحله دوم

انتخاب یک تقویت کننده مرحله دوم با قدرت بالاتر که سریع تر از مرحله اول باشد، پایداری طراحی کلی را افزایش می دهد. به عنوان مثال، تقویت‌کننده‌های مشابه ADA4870 گزینه خوبی هستند، زیرا تغییرات محصول در پهنای باند افزایشی تحت تأثیر قرار نمی‌گیرند. این به نوبه خود، پهنای باند تقویت کننده دوم را مستقل از بهره می‌گذارد و می‌تواند توسط مقدار مقاومت‌های فیدبک تنظیم شود. این یک متغیر مهم برای تنظیم در بهینه سازی پایداری مدار خواهد بود.

تعادل فرکانسی

یک ابزار شبیه‌سازی به طراحی فرکانس متعادل کمک می‌کند تا اطمینان حاصل شود که طراحی تقویت‌کننده در هر دو مرحله بی‌ثباتی از خود نشان نخواهد دادجبران فرکانس معمولاً با خازن های فیدبک اعمال می شود تا تغییر فاز را به ورودی مرحله اول بازگرداند. تجزیه و تحلیل گذرا و تجزیه و تحلیل نمودار Bode در یک شبیه سازی SPICE با مدل های مؤلفه واقعی به شما می گوید که آیا مدار تقویت کننده کامپوزیت پایدار است یا خیر.

بیشتر بخوانید:روبرویی پردازنده ها با چالش طراحی دستگاه های پزشکی