Полностью дифференциальные операционные усилители (FDOA): Архитектура, анализ характеристик и применение в высокоскоростной схемотехнике

Введение: От классического ОУ к дифференциальной архитектуре

В эпоху стремительного развития цифровых технологий способность аналоговой схемотехники точно и быстро преобразовывать физические сигналы в цифровой домен становится критически важной. Основной вызов при работе с высокоскоростными и низкоуровневыми сигналами заключается в необходимости минимизировать влияние внешних помех, шумов и нелинейных искажений.

Классический операционный усилитель (ОУ) с одним выходом, ориентированным на «землю», исторически служил основой аналоговой обработки, но его несимметричная архитектура оказывается уязвимой перед синфазными помехами и ограничивает динамический диапазон в высокоскоростных приложениях.

Для преодоления этих ограничений в современной электронике занял прочное место полностью дифференциальный операционный усилитель (Fully Differential Operational Amplifier, FDOA). FDOA представляет собой эволюционное развитие ОУ, разработанное специально для работы в симметричной среде, что позволяет резко повысить помехоустойчивость и снизить уровень гармонических искажений. Именно эта симметрия гарантирует, что сигнал сохранит чистоту даже в условиях агрессивных электромагнитных помех.

Цель настоящей работы — систематизировать и проанализировать структурные особенности, ключевые технические характеристики и типовые области применения FDOA. Основной акцент сделан на детальном изучении механизмов, благодаря которым FDOA превосходят классические ОУ, особенно при использовании их в качестве прецизионных драйверов для аналого-цифровых преобразователей (АЦП).

Структурные особенности и базовые определения FDOA

Полностью дифференциальный операционный усилитель (FDOA) представляет собой усилитель, который обрабатывает сигнал по принципу полной симметрии от входа до выхода. В отличие от традиционного ОУ, который работает с дифференциальным входом, но имеет несимметричный (однофазный) выход относительно общей шины, FDOA сохраняет дифференциальность на протяжении всего тракта.

Сравнительный анализ архитектур: ОУ против FDOA

Классический операционный усилитель (ОУ) имеет два входа ($V_{\text{+}}$ и $V_{\text{-}}$) и один выход ($V_{\text{OUT}}$), который обычно измеряется относительно потенциала земли или виртуальной земли. Усиленное напряжение $V_{\text{OUT}}$ является однофазным, что делает его чувствительным к наводкам и шумам, которые могут проникать в сигнальную цепь или цепь питания.

FDOA же имеет четыре основных вывода для сигнала:

1. Два дифференциальных входа ($V_{\text{IN+}}$ и $V_{\text{IN-}}$).
2. Два дифференциальных выхода ($V_{\text{OUT+}}$ и $V_{\text{OUT-}}$).
3. Критически важный управляющий вход $V_{\text{OCM}}$ (Output Common-Mode Voltage) для задания синфазного напряжения на выходе.

Архитектура FDOA внутренне построена на основе двух идентичных усилительных цепей, работающих в противофазе. Эта симметрия, совместно с обратной связью по синфазному напряжению, позволяет достичь беспрецедентного уровня подавления помех, что напрямую влияет на увеличение эффективного динамического диапазона системы.

Фундаментальные рабочие напряжения

Для понимания принципа работы FDOA необходимо строго определить два ключевых выходных напряжения: дифференциальное и синфазное.

1. Дифференциальное выходное напряжение ($V_{\text{OD}}$):
Это полезный сигнал, который представляет собой разность между двумя выходными выводами.

V_OD = V_OUT+ - V_OUT-

Именно этот сигнал поступает на вход последующего дифференциального приемника (например, АЦП).

2. Синфазное выходное напряжение ($V_{\text{OC}}$):
Это среднее арифметическое выходных напряжений. Оно представляет собой общий уровень смещения, который присутствует на обоих выходных выводах.

V_OC = (V_OUT+ + V_OUT-) / 2

Уникальность FDOA заключается в том, что эти два параметра могут контролироваться и устанавливаться независимо друг от друга. Дифференциальное напряжение ($V_{\text{OD}}$) определяется коэффициентом усиления и входным сигналом, а синфазное напряжение ($V_{\text{OC}}$) — управляющим входом $V_{\text{OCM}}$.

Механизм управления синфазным напряжением ($V_{\text{OCM}}$) и внутренняя логика

Ключевым архитектурным элементом, отличающим FDOA от обычных ОУ, является схема управления синфазным напряжением на выходе (Common-Mode Feedback, CMFB), которая активируется через вход $V_{\text{OCM}}$.

Принцип действия и назначение $V_{\text{OCM}}$

Вход $V_{\text{OCM}}$ предназначен для установки требуемого потенциала синфазной составляющей выходного сигнала ($V_{\text{OC}}$), вне зависимости от уровня и амплитуды входного сигнала.

В идеальном режиме работы, внутренний механизм обратной связи по синфазному напряжению обеспечивает точное равенство:

V_OC = V_OCM

Критическая важность для сопряжения с АЦП:
Большинство современных высокоскоростных АЦП имеют дифференциальные входы и требуют, чтобы их синфазное входное напряжение было точно центрировано относительно внутреннего опорного напряжения (например, $V_{\text{REF}}/2$). Неправильное центрирование $V_{\text{OC}}$ приводит к ограничению динамического диапазона, нелинейным искажениям и ухудшению отношения сигнал/шум.

Вход $V_{\text{OCM}}$ позволяет пользователю подать на FDOA напряжение, равное требуемому синфазному напряжению АЦП. Таким образом, FDOA выполняет роль прецизионного интерфейсного узла, который не только усиливает, но и *переносит* полезный сигнал в нужную рабочую точку. А что происходит, если это напряжение не соответствует требуемому? В этом случае АЦП будет работать с ограниченной разрядностью, что сведет на нет все усилия по проектированию высокоточной системы.

Детализация цепи обратной связи по синфазному напряжению (CMFB)

Для поддержания стабильного $V_{\text{OC}}$ FDOA использует внутреннюю цепь обратной связи по синфазному напряжению (CMFB).

Внутренний механизм CMFB:
Цепь CMFB структурно состоит из двух основных компонентов:

1. Детектор синфазной составляющей: Это RC-цепи (резистивно-емкостные цепи), которые формируют среднее значение выходных напряжений $V_{\text{OUT+}}$ и $V_{\text{OUT-}}$. Внутренние RC-цепи выполняют функцию усреднения и фильтрации, чтобы получить стабильный, чистый уровень $V_{\text{OC}}$.
2. Усилитель ошибки CMFB: Этот усилитель сравнивает полученное усредненное напряжение $V_{\text{OC}}$ с напряжением, поданным на внешний вывод $V_{\text{OCM}}$. Разница между ними (ошибка) усиливается и используется для коррекции.

Коррекция выходного каскада:
Сигнал ошибки с усилителя CMFB подается на выходной каскад FDOA. Он управляет токами смещения выходных транзисторов таким образом, чтобы общий (синфазный) уровень напряжений $V_{\text{OUT+}}$ и $V_{\text{OUT-}}$ сдвигался до тех пор, пока $V_{\text{OC}}$ не сравняется с $V_{\text{OCM}}$. При этом дифференциальное напряжение $V_{\text{OD}}$ остается неизменным, так как цепь CMFB реагирует исключительно на синфазную составляющую.

Входное сопротивление вывода $V_{\text{OCM}}$ может варьироваться в зависимости от модели и назначения усилителя. Например, для высокоскоростных FDOA, таких как AD8132, оно может составлять 50 кОм, а для AD8138 — 200 кОм. Это необходимо учитывать при проектировании цепи управления $V_{\text{OCM}}$, поскольку низкое сопротивление может требовать от источника $V_{\text{OCM}}$ большего тока.

Улучшенные технические характеристики и практические ограничения

Главное преимущество FDOA заключается в их способности максимально эффективно подавлять помехи и минимизировать нелинейные искажения, что достигается благодаря архитектурной симметрии.

Подавление синфазного сигнала (CMRR) и помех питания (PSRR)

Коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRR) является ключевой метрикой помехоустойчивости. Он показывает, насколько хорошо усилитель подавляет синфазную составляющую, присутствующую на обоих входах.
Типичный CMRR для высококачественных FDOA на низких частотах находится в диапазоне 80–160 дБ. Это означает, что синфазный сигнал ослабляется в 10 000 до 100 000 000 раз по сравнению с дифференциальным.

Подавление помех по цепям питания (PSRR) также значительно улучшается. Шум, проникающий из шин питания, воздействует на оба плеча симметричной схемы FDOA практически одинаково, то есть как синфазная помеха. Благодаря высокому внутреннему CMRR, FDOA эффективно подавляет этот шум на выходе.

#### Критическая зависимость от внешней симметрии

Высокое значение CMRR, достижимое внутри кристалла FDOA, может быть легко потеряно из-за неточностей во внешней цепи обратной связи.
Для симметричной схемы с внешними резисторами обратной связи ($R_{\text{ф}}$) и входными резисторами ($R_{\text{вх}}$) абсолютно критично, чтобы их номиналы были подобраны с максимальной точностью.

Практический пример ограничения:
Даже минимальный разбаланс коэффициентов передачи цепей обратной связи, составляющий всего 0,1%, может привести к драматическому снижению общего CMRR системы. При таком разбалансе эффективный CMRR может упасть до уровня 60 дБ или даже ниже. Это подчеркивает, что для реализации потенциала FDOA необходимо использовать резисторы с допуском 0,1% или лучше, либо применять интегрированные дифференциальные усилители с согласованными внутренними резисторами. Почему же это так важно? Потому что несогласованность резисторов превращает часть синфазного шума в дифференциальный, который усилитель уже не сможет подавить.

Анализ гармонических искажений и шума

Симметричная архитектура FDOA обеспечивает не только подавление помех, но и существенное снижение нелинейных искажений.

Подавление четных гармоник:
Основным источником искажений в усилителях являются нелинейности передаточной функции. Когда несимметричный сигнал усиливается, он генерирует как четные ($2f, 4f, …$), так и нечетные ($3f, 5f, …$) гармоники.
В полностью симметричной системе FDOA четные гармоники, возникающие в каждом из двух плеч, оказываются синфазными друг другу. Поскольку на выходе FDOA регистрируется только дифференциальная разность, синфазная составляющая (включая четные гармоники) эффективно подавляется.

Схемотехническая симметрия FDOA обеспечивает эффективное подавление четных гармоник (в первую очередь второй гармоники), поскольку они преобразуются в синфазные составляющие.

Это позволяет FDOA демонстрировать исключительно низкий уровень гармонических искажений (Total Harmonic Distortion, Кг), что критически важно для прецизионных измерительных систем.

Помимо низких искажений, современные высокоскоростные FDOA, используемые как драйверы АЦП, характеризуются высокой скоростью нарастания напряжения (Slew Rate), достигающей до 570 В/мкс, и низким приведенным ко входу шумом, типичные значения которого составляют 2 нВ/√Гц. Эти параметры позволяют обрабатывать широкополосные сигналы с сохранением высокого динамического диапазона.

Типовые схемы включения FDOA и расчеты коэффициента усиления

Анализ схем на FDOA в целом следует принципам анализа обычного операционного усилителя с отрицательной обратной связью (ООС), но требует учета двух симметричных цепей ООС и управления синфазным напряжением.

Дифференциальный усилитель: расчет $A_{\text{V}}$ и $A_{\text{N}}$

Наиболее распространенной конфигурацией FDOA является дифференциальный усилитель с дифференциальным выходом, используемый для усиления дифференциального входного сигнала.

В этой конфигурации (при симметричной установке резисторов) коэффициент усиления по дифференциальному напряжению в замкнутой цепи ($A_{\text{V}}$) определяется исключительно отношением резисторов обратной связи ($R_{\text{ф}}$) к входным резисторам ($R_{\text{вх}}$):

A_V = (V_OUT+ - V_OUT-) / (V_IN+ - V_IN-) = R_ф / R_вх

Где:

• $R_{\text{ф}}$ — резистор обратной связи (соединяет выход $V_{\text{OUT+}}$ с инвертирующим входом $V_{\text{IN-}}$, и $V_{\text{OUT-}}$ с $V_{\text{IN+}}$).
• $R_{\text{вх}}$ — входной резистор (соединяет входной сигнал с соответствующим входом усилителя).

Расчет шумового усиления

При симметричной обратной связи шумовое усиление FDOA ($A_{\text{N}}$), которое определяет, насколько усиливается внутренний шум усилителя, рассчитывается аналогично неинвертирующему каскаду:

A_N = 1 + R_ф / R_вх

Понимание шумового усиления критически важно для высокоточных систем, поскольку оно позволяет оценить общий выходной шум, исходя из приведенного ко входу шума FDOA.

Особенности проектирования цепей обратной связи

Проектирование цепей обратной связи для FDOA требует соблюдения принципа симметрии:

1. Две цепи ООС: Необходимо обеспечить две полностью симметричные цепи обратной связи, что требует использования четырех резисторов (по два $R_{\text{ф}}$ и $R_{\text{вх}}$).
2. Баланс резисторов: Как уже было показано, точное согласование всех четырех резисторов (особенно $R_{\text{ф}}$) является определяющим фактором для сохранения высокого CMRR. Любое отклонение в соотношении $R_{\text{ф}} / R_{\text{вх}}$ между верхним и нижним плечом схемы приводит к ухудшению подавления синфазной помехи.

Некоторые конфигурации FDOA могут быть сконфигурированы для преобразования несимметричного сигнала в симметричный (Single-Ended to Differential). В этом случае входной сигнал подается на один из входов (например, $V_{\text{IN+}}$), а другой вход ($V_{\text{IN-}}$) заземляется через соответствующий резистор $R_{\text{вх}}$. Коэффициент усиления при этом остается тем же ($A_{\text{V}} = R_{\text{ф}} / R_{\text{вх}}$), но схема требует дополнительного внимания к согласованию входных импедансов.

FDOA как критически важный драйвер для высокоскоростных АЦП

Самой важной и критической областью применения FDOA является их использование в качестве драйверов для современных высокоскоростных и прецизионных АЦП, большинство из которых используют дифференциальные входные каскады.

Функции согласования и фильтрации

FDOA, выступая в роли драйвера АЦП, выполняет три основные функции:

1. Преобразование несимметричного сигнала в симметричный (Balun-функция): В системах, где источник сигнала (например, приемник или фильтр) имеет однофазный выход, FDOA преобразует его в требуемый дифференциальный сигнал для АЦП.
2. Усиление и центрирование: Усилитель обеспечивает необходимое усиление, чтобы сигнал полностью занимал динамический диапазон АЦП, и, что наиболее важно, центрирует его относительно синфазного напряжения $V_{\text{ОПОРН}}/2$ с помощью вывода $V_{\text{OCM}}$.
3. Фильтрация: Внешняя цепь обратной связи FDOA часто включает фильтрующие элементы (конденсаторы, индуктивности), которые формируют антиалайзинговый фильтр (АА-фильтр), отсекая шумы и гармоники выше частоты Найквиста АЦП.

Для работы с высокоразрядными (например, 18-битными) прецизионными АЦП, драйвер FDOA должен обеспечивать крайне низкий уровень шума и искажений. Требования к динамическому диапазону без паразитных составляющих (SFDR) для высокоскоростных систем (например, с 14-битным АЦП с частотой дискретизации 1,25 Гвыб/с) могут составлять не хуже 70 дБ на частотах до нескольких сотен МГц.

Подавление коммутационных выбросов (Kickback)

Одной из наиболее существенных проблем при сопряжении усилителя с АЦП являются коммутационные выбросы, или *kickback*, возникающие из-за работы Устройства Выборки и Хранения (УВХ) на входе АЦП.

Когда УВХ переключается из режима выборки в режим хранения (или наоборот), оно создает короткие, мощные импульсы тока, которые отражаются обратно в сигнальную цепь. Эти импульсы могут привести к ошибкам выборки, нелинейности и снижению SFDR.

Механизм подавления:
FDOA, будучи низкоимпедансным дифференциальным источником, способен эффективно поглощать эти коммутационные выбросы. Поскольку вход АЦП дифференциальный, а выбросы тока, как правило, воздействуют на оба входа АЦП практически одновременно (хотя и с небольшой разницей), они воспринимаются и передаются FDOA как синфазная помеха.

Благодаря высокому CMRR самого FDOA и последующего АЦП, эти выбросы эффективно подавляются, предотвращая их влияние на полезный дифференциальный сигнал. Это делает FDOA безальтернативным решением для сохранения чистоты сигнала в высокоскоростных трактах.

Высокоскоростные архитектуры и компромиссы

В зависимости от требуемой полосы пропускания и точности, FDOA могут быть реализованы на основе двух основных архитектур: обратной связи по напряжению (Voltage Feedback) и обратной связи по току (Current Feedback).

FDOA с обратной связью по напряжению (VFB) обеспечивают высокую точность, низкий уровень шума и отличные характеристики постоянного тока, что делает их идеальными для прецизионных систем. Примерами таких микросхем являются THS4520 и ADA4941-1.

FDOA с архитектурой токовой обратной связи (Current Feedback) используются, когда требуется сверхвысокое быстродействие, например, полоса пропускания до 2 ГГц. Их преимущество заключается в том, что полоса пропускания слабо зависит от коэффициента усиления. Однако FDOA на токовой обратной связи могут уступать своим аналогам на обратной связи по напряжению в точности, уровне шума и характеристиках постоянного тока. Выбор архитектуры — это всегда компромисс между скоростью и прецизионностью. Должны ли разработчики жертвовать точностью ради достижения максимальной частоты?

Заключение

Полностью дифференциальные операционные усилители (FDOA) являются краеугольным камнем современной высокоскоростной и прецизионной аналоговой схемотехники. Их архитектурное отличие — наличие дифференциального выхода и управляющего входа синфазного напряжения ($V_{\text{OCM}}$) — позволяет им решать фундаментальные проблемы, недоступные классическим ОУ.

Ключевые преимущества FDOA заключаются в:

1. Максимальном подавлении помех: Высокий CMRR (80–160 дБ) обеспечивает эффективное ослабление синфазных шумов и помех по питанию (PSRR), при условии строгой симметрии внешней цепи обратной связи.
2. Низких искажениях: Симметрия схемы гарантирует подавление четных гармоник, что критически важно для чистоты спектра сигнала.
3. Гибкости сопряжения: Функция $V_{\text{OCM}}$ позволяет точно центрировать сигнал, что делает FDOA идеальным драйвером для дифференциальных АЦП.

В области высокоскоростной передачи данных FDOA становятся безальтернативным решением. Их способность эффективно подавлять коммутационные выбросы (*kickback*) от УВХ АЦП является решающим фактором для сохранения высокого динамического диапазона и точности оцифровки.

Дальнейшие исследования в этой области могут быть сосредоточены на влиянии нелинейности внутренней цепи CMFB на общий уровень искажений FDOA при работе на предельных частотах, а также на разработке интегрированных FDOA с высокоточными согласованными резисторами для минимизации потерь CMRR, связанных с внешней разбалансировкой, поскольку именно внешняя схемотехника чаще всего становится «бутылочным горлышком» всей системы.

Список использованной литературы

1. Волович, Г. И. Полностью дифференциальные операционные усилители // Современная электроника. — 2008. — № 5. — С. 16–19.
2. Волович, Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. — Москва: Додэка XXI, 2009.
3. Carter, B. A Differential OpAmp Circuit Collection. Application report SLOA064. — Texas Instruments, July 2010.
4. «Правила поведения на дорогах» для высокоскоростных дифференциальных драйверов АЦП. Часть 1 // Компоненты и технологии. — 2012. — № 8. — URL: https://www.kit-e.ru/articles/comp/2012_8_31.php (дата обращения: 09.10.2025).
5. Анализ схем на полностью дифференциальных усилителях // Компоненты и технологии. — 2005. — № 1. — URL: https://www.kit-e.ru/articles/usil/2005_1_25.php (дата обращения: 09.10.2025).
6. Драйверы для АЦП на основе операционного усилителя компании Texas Instruments. — URL: https://cyberleninka.ru/article/n/drayvery-dlya-atsp-na-osnove-operatsionnogo-usilitelya-kompanii-texas-instruments (дата обращения: 09.10.2025).
7. Операционные усилители. — URL: https://portal.tpu.ru/SHARED/g/GMI/education/Tab6/L6.pdf (дата обращения: 09.10.2025).
8. Параметры операционных усилителей. Как измерить и какие возникают сл. — Миландр. — URL: https://milandr.ru/files/technical_articles/milandr-opamp-parameters.pdf (дата обращения: 09.10.2025).