Un buon headroom anche con basse tensioni di alimentazione

 

Il termine headrom indica il margine (espresso in dB) che esiste tra il livello nominale di un segnale ed il massimo livello che un dato sistema è in grado di gestire correttamente (per es. prima che si verifichi il clipping del segnale). Vediamo cosa succede quando l’amplificatore opera con tensioni molto basse.

Una catena di segnali audio ad alta fedeltà ottiene numerosi vantaggi quando le tensioni di alimentazione del sistema sono più elevate: il rapporto segnale-rumore, la gamma dinamica e le velocità di risposta possono migliorare con l’aumentare delle tensioni di alimentazione. Ma i vincoli dei sistemi alimentati a batteria e USB o le limitazioni dei convertitori audio analogico-digitali o dei codec possono richiedere l’elaborazione del segnale con alimentatori a bassa tensione.

Scegliere un amplificatore per queste applicazioni non è sempre semplice. Un amplificatore costruito con tecnologia bipolare offre la migliore combinazione possibile di rumore e corrente di riposo, ma presenta una gamma dinamica limitata di segnali di ingresso e uscita.

Consideriamo un amplificatore di base configurato come buffer alimentato a 3,3 V. Senza un ingresso rail-to-rail, l’intervallo del segnale di ingresso è generalmente limitato a 2,1 V. Lo stadio di uscita può anche limitare l’intervallo dinamico.

La Figura 1 mostra una tipica configurazione di amplificatore operazionale accoppiata a corrente alternata, con la tensione di modo comune polarizzata a metà tensione di alimentazione.

Figura 1: Amplificatore di base con configurazione a buffer e ingresso polarizzato a ½ tensione di alimentazione.

 

Confronto delle gamme di tensione del segnale di ingresso e uscita

 

Tabella 1: confronto delle gamme di tensione del segnale in ingresso e in uscita.

 

Le tensioni di ingresso nominali a livello di linea audio dell’utente sono -10 dBV; la progettazione di un headroom aggiuntivo di 10 dB fornisce una tensione di ingresso picco-picco di 2,828 V. La tabella 1 mostra che per bufferizzare o filtrare un segnale di questa portata con singola alimentazione a 3,3 V è richiesto un amplificatore CMOS con ingresso rail-to-rail.

Un tipico esempio sono i microfoni wireless professionali che devono fornire audio ad alta fedeltà all’interno di soluzioni di piccole dimensioni in grado di funzionare per più di 8 ore a batteria. Questi sistemi richiedono soluzioni a fattore di forma ridotto con bassa corrente di riposo e livelli di rumore estremamente bassi per consentire un funzionamento portatile prolungato e una registrazione audio ad alta fedeltà.

Oltre a tagliare semplicemente la tensione, un’uscita bipolare può avere un aumento significativo della corrente di riposo quando l’uscita è in saturazione e può mostrare un ritardo significativo quando si ripristina dal sovraccarico di uscita, portando a rigide armoniche quando il segnale è vicino. Nella Figura 2, viene fornito un esempio schematico di un amplificatore overdrive.

Esempio schematico di amplificatore audio con guadagno unitario accoppiato in AC.

Figura 2: esempio schematico di amplificatore audio con guadagno unitario accoppiato in AC.

La figura 3 mostra l’uscita dell’amplificatore di figura 2, simulata mediante modelli di circuito. Per la simulazione, il segnale di ingresso dell’amplificatore viene pilotato oltre il livello di alimentazione in due diversi amplificatori: un amplificatore di ingresso / uscita bipolare standard da 3 MHz, rail-to-rail e un nuovo IC di Texas Instruments OPA1671 con input / output da 13 MHz rail-to-rail.

 

Simulazione del clipping su un amplificatore bipolare vs. CMOS

 

Figura 3: simulazione del clipping su un amplificatore bipolare vs. CMOS.

 

Nella Figura 4, la simulazione ingrandisce da vicino i picchi in cui è facile vedere che non solo l’amplificatore CMOS mostra un margine di livello maggiore della tensione di uscita prima del clipping, ma l’ampia larghezza di banda e le uscite CMOS consentono un recupero molto più veloce dal clipping.

 

Simulazione transitoria del clipping su un amplificatore bipolare rispetto a un amplificatore CMOS

Figura 4: simulazione del clipping su un amplificatore bipolare rispetto a un amplificatore CMOS

 

Molti amplificatori CMOS migliorano i limiti di headroom degli amplificatori bipolari grazie a tensioni di soglia e di saturazione inferiori inerenti ai processi CMOS. Tuttavia, il rumore di tensione, la distorsione armonica totale (THD) e l’impedenza di uscita vengono  generalmente compromessi.

L’OPA1671, un amplificatore audio CMOS ingresso e uscita rail-to-rail di Texas Instruments, aiuta a trovare una soluzione a questi problemi di progettazione, fornendo bassissimo rumore, THD e ampia larghezza di banda (13 MHz). L’ingresso e le uscite rail-to-rail, insieme all’elevata impedenza di ingresso, consentono ampie variazioni del segnale nelle configurazioni del buffer. Il basso rumore di corrente e tensione, unito a una bassa tensione di offset di 1,25 mV, rende l’OPA1671 un eccellente amplificatore per circuiti preamplificatori ad alto guadagno che massimizzano l’escursione di uscita e possono fornire un drive a impedenza di uscita molto bassa a un ADC audio o codec.

 

 

 

 

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