Identifizieren der Quelle periodischer Artefakte am Operationsverstärkerausgang

Mein MAX44251 Dual-Operationsverstärker hat ein sehr kleines unerwünschtes periodisches 131-kHz-Artefakt am Ausgang, anscheinend unabhängig von seiner Konfiguration.

Meine Annahme war EMI, aber ich kann dieses 131-kHz-Signal auf keinem anderen Teil der Schaltung sehen. Ich habe dies auch in mehreren Gebäuden mit mehreren Sonden getestet, bei denen alle anderen elektronischen Geräte ausgeschaltet und von einer Folienabschirmung umgeben waren.

Was soll ich versuchen, um es zu entfernen? Ich möchte mindestens einen Spannungsfolger mit Rauschen unter 1 mV erreichen.

Im Moment ist es sehr einfach zu konfigurieren:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Die Bypasskappen befinden sich auf der unteren Grundebenenschicht. Vias sind handgelötet.

Ich habe den Effekt sowohl mit der passiven Agilent 10X-Sonde (schwer zu erkennen) als auch mit einer Sonde wie der folgenden beobachtet, mit der ich bis zu 2 mV / div zoomen kann. Ursprünglich wurde dies beobachtet, weil der Ausgang einem Komparator zugeführt wird und der Komparatorausgang anzeigte, dass die Eingangssignalamplitude> die gewünschten 2 mV war.

Die Wellenform ist periodisch, aber irgendwie seltsam. Hier sind ein paar Bilder aus verschiedenen Blickwinkeln:

200 ns gestoppt

50 ns Freilauf

20 ns Freilauf

10 ns angehalten

Ich kann nicht wirklich sagen, ob dies tatsächlich ein Symptom für das ist, was im Datenblatt beschrieben wird:

Beachten Sie, dass es bei 65 kHz einen Spitzenwert gibt, der überschreitet - ziemlich die Hälfte der Frequenz, bei der Sie Ihr Rauschen beobachten. Bis 131,5 kHz haben sie jedoch nicht charakterisiert.$30 \frac{\text{nV}}{\sqrt{\text{Hz}}}$

Was soll ich versuchen, um es zu entfernen? Ich möchte mindestens einen Spannungsfolger mit Rauschen unter 1 mV erreichen.

Wenn Sie nur einen Spannungsfolger mit niedriger Bandbreite benötigen: Verwenden Sie einen Tiefpassfilter.

Wenn Sie ein Signal mit bis zu 65 kHz und mehr benötigen: Eine RLC-Kerbe (Bandstopp) funktioniert wahrscheinlich am besten. Ein schneller und träger Entwurfslauf mit meinem bevorzugten passiven Filterentwurfswerkzeug ergab R = 0,16 Ω, L = 1 uH, C = 1,5 uF als mögliche Konfiguration.

Beachten Sie, dass Sie versuchen könnten, die inverse Schaltung (RLC-Bandpass; vertauschen Sie die (L - C) mit der R) im Rückkopplungszweig Ihres Spannungsfolgers.

Beachten Sie, dass dies ein Autozero-Verstärker ist (auch Chopper-stabilisiert genannt). Viele Opamps mit sehr geringem Offset arbeiten, indem sie den Eingangs-Offset periodisch abtasten und einen Kompensations-Offset einspeisen, um die Drift im Front-End auszugleichen. Dazu befindet sich im Operationsverstärker ein Oszillator sowie eine Reihe von Analogschaltern am Eingang. Dies kann zu einer Taktdurchführung zum Ausgang sowie zu einer Ladungsinjektion an den Eingangspins führen.

Vermutlich verwendet dieses Gerät 131 kHz als Schaltfrequenz.

Ich kann keine detaillierten Informationen zum Maxim-Teil finden, aber hier sind einige Informationen zu einem Analog Devices-Teil, die wahrscheinlich ähnlich sind:

Analog Devices Zero-Drift-Verstärker

Wenn Sie wirklich den niedrigen Offset und die Drift benötigen, sind sie die besten Geräte. Möglicherweise müssen Sie nur Ihre Bandbreite begrenzen und den Takt herausfiltern.

Die Bandbreite der automatischen Nullsetzung reicht aus, um 1 / f-Rauschen in CMOS-Opamps zu erfassen, sodass sie für Frequenzen unter 1 kHz, einem Bereich, in dem CMOS-Opamps häufig Probleme verursachen, sehr rauscharm sein können.

Wenn Sie das Taktrauschen nicht herausfiltern können, prüfen Sie, ob Sie ein herkömmliches Teil verwenden können. Oft haben sie eine schlechtere Drift- und Offset-Leistung, aber Sie können sie besser als 100-µV-Offset erzielen. Möglicherweise müssen Sie auch den Eingangsvorspannungsstrom abwägen, da bipolare Eingangsverstärker für diesen Parameter normalerweise besser als CMOS sind. Bipolar sind in der Regel auch leiser.

Ein verwandtes Problem, das ich mit einem ähnlichen Linear Technology-Teil (LTC2051) hatte, ist, dass es sehr lange dauern kann, bis sich die Autozero-Schaltung von der Überlastung erholt, wenn der Ausgang gesättigt ist - viele Millisekunden für ein Teil mit GBW von vielen MHz. Dies macht sie ungeeignet für jede Anwendung, die als normaler Teil ihres Betriebs gesättigt ist, wie z. B. Oszillatoren oder Schwellendetektoren.

Ich stimme Marcus zu, die ~ 130 kHz wären die zweite Harmonische der Chopper-Schaltfrequenz ~ 65 kHz.

Eine reduzierte "Closed Loop Bandwidth" Ihres Operationsverstärkers könnte dazu führen, dass die zweite Harmonische (~ 130 kHz) eine größere Stärke aufweist als die erste Harmonische (~ 65 kHz) ein passiver Filter, um dieses Rauschen zu filtern.

Es gibt einen Artikel von Art Kay , " 1 / f Noise and Zero-Drift Amplifiers ", der sich mit Rauschen in Zero-Drift-Operationsverstärkern befasst.

Wenn Sie mehr über Op Amp Noise erfahren möchten, besuchen Sie TI Precision Labs for Noise .

Ich habe keine Antwort, aber ich kann Ihnen zur Inspiration sagen, wie ich das debuggen würde.

Zuerst würde ich versuchen, eine Überbrückungskappe direkt auf den Chip zu löten. Ein 0603-Teil, 100nF, und mit einem Geflecht an den anderen Pin anschließen (für niedrige Induktivität). Ihre Bypass-Kappen befinden sich hinter Durchkontaktierungen mit relativ hoher Induktivität, und dies kann sie für die Spikes unwirksam machen. Die Spitzen liegen bei 131 kHz, aber der Frequenzinhalt ist viel höher, so dass ein guter Bypass sehr wichtig ist.

Das würde wohl scheitern :-).

Dann würde ich den Verstärker ersetzen: 1. Analog Devices stellt einige sehr niedrig abgesetzte, getrimmte Verstärker her. Der Offset ist nicht so niedrig wie bei einem Auto-Zero-Verstärker, aber probieren Sie es aus. Diese sind etwas teurer, prüfen Sie also Ihr Budget und Ihre Offset-Anforderungen. Schauen Sie sich AD8615 und ähnliches an. Das einzige, was für Massenkonsumenten etwas teuer wird.

2 Betrachten Sie auch einen guten alten Instrumenten-Bipolar-Opamp aus der burr-brown-Linie (Texas Instruments now.). Verwenden Sie an beiden Eingängen die gleiche Impedanz, um den Vorstrom zu beseitigen, und stellen Sie sicher, dass die Eingangsimpedanz niedrig genug ist, damit der Offset-Strom keine Rolle spielt. Etwas Ähnliches wie opa237.

3. Probieren Sie einen anderen Auto-Zero-Verstärker aus, vielleicht einen mit Spread-Spectrum-Clock. Schauen Sie sich wieder die analogen Geräteteile an.

Viel Glück