Was machen sich bewegende Schienen (Spannungsverschiebung auf den Schienen) für einen Opamp?

Da ich einen guten Teil meiner Karriere damit verbracht habe, die Schienen von opamp so stabil wie möglich zu machen, um die beabsichtigte Spannung zu erreichen, habe ich mir keine Gedanken darüber gemacht, was passieren würde, wenn sich die Schienen von einem festen Wert entfernen. Da ich mich nur kurz mit der internen Funktionsweise von Operationsverstärkern befasst habe, bin ich mir nicht sicher, ob ich eine eindeutige Antwort finden kann.

Was passiert mit dem Signal, wenn sich die Schienen bewegen? (Sagen wir einfach, es bewegt sich langsam, wie weniger als 5 Hz, möglicherweise eine 1-V-Verschiebung von Zeit zu Zeit).

Theoretisch sollte der OpAmp eine gute Leistung erbringen, unabhängig davon, was die Versorgung leistet.

Wenn wir das theoretische Modell eines OpAmp verlassen (denken Sie daran, dass das Grundsymbol nicht einmal über Versorgungsstifte verfügt, sondern nur über IN +, IN- und OUT), müssen wir immer mehr Details berücksichtigen, die von der realen Schaltung eingebracht werden.

Viele werden Ihnen natürlich klar sein, aber vertrauen Sie mir - wir werden irgendwann eine Antwort bekommen.

Erstens kann der Ausgang niemals die an den Verstärker gelieferte Spannung überschreiten.

Dann wird die Leistung schlechter, wenn der Ausgang versucht, die Spannung nahe an die Schienen zu drücken oder zu ziehen. Dies hängt natürlich stark vom Design des OpAmp ab - und Rail-to-Rail-Verstärkers versprechen, Ihnen die gesamte verfügbare Spannung am Ausgang zur Verfügung zu stellen.

Solange wir einen mit Gleichstrom versorgten OpAmp betrachten, funktioniert jedes Signal, das innerhalb der Spezifikation des maximalen Ausgangsausschlags liegt, und Sie können den OpAmp mit allen positiven und negativen Spannungen versorgen, die das Datenblatt zulässt (in Bezug aufeinander und Beachten Sie jedoch, dass der OpAmp nicht weiß, wo sich tatsächlich Masse befindet. Die Versorgung mit +3 V und -7 V ist überhaupt kein Problem, und Ihr Verstärker wird versuchen, in diesem Bereich von 10 V zu bleiben.

Interne Stromquellen, Differenzstufen und Ausgangstreiber sind so ausgelegt, dass der OpAmp Abweichungen auf den Versorgungsschienen so schnell wie möglich ausgleicht.

Nur wenn sich die Abweichungen auf den Versorgungsschienen schnell genug ändern, werden Sie einen Effekt bemerken. Normalerweise liegt dieser Wert zwischen 100 Hz und 10 kHz.

Und das Beste daran: Es ist im Datenblatt angegeben; Suchen Sie nach PSRR (Power Supply Rejection Ratio).

Der Wert ist normalerweise sehr hoch für Gleichstrom bis zu niedrigen Frequenzen (60 ... 120 dB) und verschlechtert sich ab einem bestimmten Punkt mit einer scheinbar einfachen Tiefpasscharakteristik. Beachten Sie, dass es sich um eine Ablehnung handelt. Es handelt sich also eigentlich um einen Hochpass, obwohl die Steigung im Diagramm abnimmt:

Beachten Sie, dass der Text auf dem Bild lautet: ± 15 V - also, was wird eigentlich mit den Versorgungsstiften des OpAmp gemacht?

Wie bei jeder guten Datenblattspezifikation gibt es auch eine Testschaltung, die Ihnen sagt, wie sie gemessen wird:

Dies erklärt auch, warum das Diagramm zwei Linien enthält (-PSR und + PSR). Beispielsweise speisen die internen Stromquellen des OpAmp ihre Lasten manchmal aus der positiven Versorgung, manchmal aus der negativen Versorgung, und der interne Aufbau ist nicht absolut symmetrisch.

Nehmen Sie das gute alte 741 als Beispiel:

Nur die Ausgangsstufe ganz rechts ist symmetrisch, alles andere nicht. Fortgeschrittenere Teile werden diesem Grundprinzip noch bis zu einem gewissen Grad folgen.

Auf den Punkt gebracht: Beachten Sie für Gleichstrom und niedrige Frequenzen die Gleichstromspezifikationen (Rail-to-Rail mit welchen Einschränkungen für Verstärkung und Verzerrung?). Für höhere Frequenzen siehe PSRR. Wenn Sie eine Stufe auf die Versorgungsspannung anwenden, liegt ein Gemisch vor, da eine Stufe neben dem offensichtlichen Sprung von einem Gleichspannungspegel zu einem anderen Gleichspannungspegel aus einem hochfrequenten Teil besteht, was zu einer Störung am Ausgang führt, die durch irgendetwas Höheres verursacht wird -Frequenzteil des Schritts, der vom OpAmp nicht abgelehnt werden kann.

Was ich hier nicht behandelt habe, wird möglicherweise im Tutorial MT-043 von Analog Devices beantwortet . Hier habe ich auch die Bilder aufgenommen (mit Ausnahme der 741).

Ja, es gibt Wechselstromeffekte. Im Datenblatt des Operationsverstärkers sollte ein Netzteil-Ablehnungsverhältnis angegeben werden, mit dem Sie den maximalen Effekt erzielen, den eine Änderung des Netzteils auf den Ausgang hat. Es ist ein ziemlich hoher Wert - selbst der alte 741 hat einen typischen Wert im 90-dB-Bereich -, aber es kann von Bedeutung sein, wenn die Änderung des Ausgangs weitere Änderungen der Versorgungsspannung hervorruft und daher eine Rückkopplungsschleife erzeugt, die zu Oszillationen führen kann.

Wie Sie wissen, ist dies natürlich zusätzlich zu direkten Effekten wie dem Rail-to-Rail-Betrieb von Ein- und Ausgängen der Fall.

Es gibt eine akzeptierte Antwort, aber ich wollte ein bestimmtes Beispiel erwähnen: Audio-Endstufen.

Diese werden normalerweise von ungeregelten Schienen gespeist. Erwarten Sie mehrere Volt Welligkeit bei der gleichgerichteten Netzfrequenz, häufig stärker abhängig von den aktuellen Anforderungen. Wenn die Gleichrichterdioden nicht leiten, was die meiste Zeit der Fall ist, nimmt die Versorgungsspannung entsprechend dem Ausgangsstrom dividiert durch den Wert des großen Versorgungskondensators ab.

Die Schienenspannung hängt auch von der Signalamplitude ab. Beim Hören ziehen die lauteren Teile mehr Strom und senken die Schienenspannung. Leise Teile werden es nicht. Somit wackelt die Schienenspannung zusätzlich zur gleichgerichteten Netzfrequenz im Bereich von 0,1-2 Hz.

Diese Verstärker werden normalerweise als diskrete Operationsverstärker implementiert, wodurch mehrere Tricks die PSRR erhöhen können. Ein diskreter Operationsverstärker verfügt über einen GND-Anschluss, sodass die für die Stromversorgung empfindlichsten internen Knoten mithilfe eines billigen Kondensators an Masse umgangen werden können. Der Kompensationskondensator ist eine Hauptquelle für schlechtes PSRR in Operationsverstärkern, da er auf eine der Versorgungen bezogen werden muss. In einem diskreten Operationsverstärker kann dies gemildert werden.

Das Ergebnis ist, dass Sie ohne Probleme große Wellen auf den Schienen bekommen können. Tatsächlich sind Leistungsverstärker mit geregelten Gleisen sehr exotisch, nur in audiophilen Megabuck-Geräten anzutreffen und realistisch gesehen eine Geldverschwendung.

Also hier ist ein Beispiel aus dem wirklichen Leben;)

Was passiert mit dem Signal, wenn sich die Schienen bewegen? (Sagen wir einfach, es bewegt sich langsam, wie weniger als 5 Hz, möglicherweise eine 1-V-Verschiebung von Zeit zu Zeit).

LF PSRR ist riesig, also passiert nichts.

Opamps haben ein niedriges HF-PSRR und mögen daher keine schlechte Entkopplung, die HF-Klingeln bei Versorgungen erzeugt, oder andere Quellen von HF-Rauschen wie schlecht gefilterte Schaltregler. LF-Versorgungsspannungsschwankungen sollten überhaupt keine Rolle spielen. Möglicherweise könnte die Offsetspannung aufgrund thermischer Effekte driften, dies sollte jedoch winzig sein.