Was ist der Effekt einer Spannungsverschiebung in einer der Versorgungsspannungseingänge eines opamp auf seine Funktionsverhalten ( Δ V kann positiv oder negativ sein)?
Nehmen wir an , ich bin der Gestaltung einen nicht-invertierenden Verstärker mit und R 2 = 1 k Ω . Versorgungsspannungen sind; V + = + 5,0 V und . Und mein Opamp ist MCP6V31 . Was ist die Ausgangsspannung, wenn meine Eingangsspannung 1 kHz sinusförmige Spannung beträgt, 10 mV Spitze-Spitze?
Antworten:
Die obigen Antworten sind beide in gewisser Weise unbefriedigend. Andy hat falsche Annahmen und Berechnungen, während "Platzhalter" im Wesentlichen sagt, dass nichts Konkretes gesagt werden kann ... was nicht der Fall ist.
Andys Fehler besteht darin anzunehmen, dass im numerischen Beispiel das PSRR bei 1 kHz zu betrachten ist, aber es muss tatsächlich bei DC berücksichtigt werden, wenn die folgende Problemstellung vorliegt (ich zitiere, falls es sich ohne vorherige Ankündigung [erneut] ändert):
Angenommen, ich entwerfe einen nicht invertierenden Verstärker mit R1 = 100 kO und R2 = 1 kO. Versorgungsspannungen sind; V + = + 5,0 V und V - = - 4,5 V. Und mein Opamp ist MCP6V31. Was ist die Ausgangsspannung, wenn meine Eingangsspannung 1 kHz sinusförmige Spannung beträgt, 10 mV Spitze-Spitze?
Aus dem Diagramm würden wir also ein PSRR von etwa -90 dB bei 0 Hz (DC) erwarten, was sich in einem DC-Offset von etwa 3 mV am Ausgang niederschlagen würde. Für das angegebene Eingangssignal wird dies kaum wahrnehmbar sein, da der Ausgang eine Wechselstromkomponente von 1Vp-p hat. Wenn Sie jedoch das Eingangssignal auf 10 Mikrovolt pp senken, wird der durch das Schienenungleichgewicht verursachte Gleichstromversatz im Ausgang sicherlich spürbar. Beweis von LTspice.
Die gestellte Frage:
Lassen Sie nun das Eingangssignal auf zehn Mikrovolt pp fallen.
Am Ausgang ist jetzt ein DC-Offset sichtbar. Um Sie davon zu überzeugen, dass dies hauptsächlich auf das Ungleichgewicht der Stromversorgung zurückzuführen ist, wird im Folgenden Folgendes beschrieben, wenn Sie perfekt symmetrische Schienen mit demselben 10-Mikrovolt-Eingangssignal verwenden.
Es gibt auch hier einen gewissen Versatz, der durch andere nicht ideale Eigenschaften des Operationsverstärkers (Eingangsversatzspannung, Eingangsvorspannungsströme) verursacht wird, aber er ist viel geringer als derjenige, der durch das Ungleichgewicht der Stromschiene verursacht wurde.
Natürlich können Sie die negative Schiene auch früher einclipsen, wenn diese stärker nach oben verschoben ist (bei einem ausreichend großen Eingangssignal). Ich füge dafür kein Diagramm hinzu, da es ziemlich offensichtlich ist.
Wenn sich die Stromschienen auf und ab bewegen, können Sie anhand des Diagramms des PSRR (Power Supply Rejection Ratio) sehen, wie sich dies auf den Verstärker auswirkt: -
Ich habe dieses Bild aus dem Datenblatt genommen und für ein 1-kHz-Signal auf der Stromschiene (positiv oder negativ) gibt es 45 dB Unterdrückung. Dies bedeutet, wenn 1Vp-p 1kHz auf einer Stromschiene liegt, liegt eine äquivalente Spannung am Eingang von: -
Wenn Ihre Verstärkung eins ist, sehen Sie diese Spannung am Ausgang. Wenn Ihre Verstärkung 10 beträgt, sehen Sie das Zehnfache dieser Spannung.
BEARBEITEN Genau genommen sollten Sie die nicht invertierende Verstärkung verwenden, um das am Ausgang eines Operationsverstärkers auftretende Stromversorgungsrauschen zu bestimmen. Dies bedeutet, dass für eine invertierende Operationsverstärkerkonfiguration mit einer Verstärkung von nur 0,01 das Stromversorgungsrauschen am Ausgang mit 1,01 und nicht mit 0,01 multipliziert wird. Eine 1Vp-p 1kHz-Eingangsspannung, die durch einen invertierenden Verstärker mit einer Verstärkung von 0,01 eingespeist wird, erzeugt einen Ausgang von 10mVp-p, und wenn das PSRR bei 1kHz 45 dB beträgt und 1 kHz 1Vp-p auf jeder Stromschiene vorhanden ist, gibt es praktisch immer noch eine 5,62 mVp-p Rauschen am Ausgang und dies wird das Signal verderben.
PSRR auf Wikipedia
Schienenasymmetrien sind schwer zu bestimmen, ohne die interne Topologie des Operationsverstärkers zu kennen. Viele Leute denken, dass ein Operationsverstärker ein Operationsverstärker ist, aber in Wirklichkeit gibt es viele verschiedene Implementierungen und Technologien und Kompromisse.
Sie werden keine endgültigen Antworten erhalten (es sei denn, der Designer lauert hier), aber im Allgemeinen manifestiert sich die Asymmetrie auf zwei Arten. Die erste ist die Signalauslenkung. Wenn die Schiene verschoben ist, wird auch der Betriebsbereich verschoben. Wenn Sie einen Operationsverstärker von Schiene zu Schiene haben und die Schiene bewegen, bewegt sich auch das Signal.
Das zweite Problem manifestiert sich in Verzerrungsprodukten. Oft hat die interne Schaltung eine komplementäre Funktionalität, wobei sich eine auf die obere Schiene und die andere auf die untere Schiene bezieht und beide leicht unterschiedliche Betriebspunkte aufweisen, wenn sich das Signal durch verschiedene Betriebszustände der Schiene bewegt Op-Amp, verschiedene Effekte tauchen auf und manifestieren sich hauptsächlich als Verzerrungsprodukte (oder Anstiegsratenunterschiede).
Um dies vollständig zu verstehen, müssen Sie den Operationsverstärker weitaus mehr studieren, als Sie wirklich brauchen.
Die meisten Einschränkungen sind in das Datenblatt eingebettet. Wenn Sie wissen, was Sie tun, können Sie daraus Hinweise zur internen Topologie erhalten.