Bipolarer Operationsverstärker mit Nahezu-Null-Offset?

Zusätzlich zu dem, was Kaz gesagt hat (dies ist im Audiobereich kein großes Problem), können Sie die Offsetspannung und die Eingangsvorspannungsströme jedes BJT-basierten [oder anderen] Operationsverstärkers extern kompensieren. Die ON Semi App Note AND8177/D (ehemals Philips/Signetics Appnote AN142 ) enthält einige grundlegende Schaltungen für diesen Zweck auf der/den letzten Seite(n). Sie zeigen dort nominell den NE5534, aber diese Schaltkreise verwenden nichts anderes als die Signaleingangspins, um eine Kompensation zu erzielen, sodass sie für jeden BJT-basierten Verstärker funktionieren würden, einschließlich des NE5532. Ich habe mit den ersten beiden Schaltungen in LTSpice gespielt (mit dem eher einfachen NE5532-Modell, das auf der Interwebz); Sie reagieren ein wenig empfindlich auf die Pot-Werte. Das eigentliche Problem besteht darin, "nahe Null" (aus der OP-Frage) in einer tatsächlichen Anwendung zu quantifizieren ...

Beachten Sie, dass beide Appnotes, obwohl sie seit 30 Jahren im Druck sind, immer noch einen Fehler in ihrer Offset-Nulling-Invertierungsschaltung haben, bei der die Opamp-Eingangspins vertauscht sind. Ich beziehe mich auf Abb. 18 in AN142 und seine Kopie Abb. 22 in AND8177; einen Schmitt-Trigger will man hier sicher nicht bauen...

Unten ist mein Testgerät für den NE5532, der V-Offset und Eingangsvorspannungskompensation kombiniert (etwas aufgepeppt für die öffentliche Kommunikation von meiner alten Scratch-Version). Dies ist eine grundlegende Schaltung, nicht etwas Aufwändiges mit DC-Servos usw., aber ich denke, es ist gut, um zu lernen, was los ist. zumindest bei mir war es so.

R11 bietet eine Bulk-Bias-Stromkompensation für R10, dh Sie möchten, dass diese grob angepasst werden. Beachten Sie, dass es Ihnen ohne C4 schwer fallen wird, einen guten Wert für R11 zu finden. Das liegt daran, dass der positive Stift links einen variablen Widerstand sieht ... (Hier kommen aufwändigere Lösungen mit aktiven Komponenten ins Spiel, aber darauf gehe ich nicht ein.)

Die Feinabstimmung des Voffset erfolgt über das von R7&R8 simulierte Poti „a“, das aus den oben genannten Appnotes hervorgeht. Mit dem Poti „a“ auf 0,45 (normalisierter Wert) liegt der Offset im Bereich weniger Mikrovolt, was für die Audioausgabe hervorragend ist.

       --- Operating Point ---

V(n002):     0.000514795     voltage
V(n003):     1.47903e-005    voltage
V(vout-biased):  -3.03485e-006   voltage
V(vin-ac):   -4.48332e-016   voltage
V(n005):     0   voltage
V(vout-ac):  -8.55829e-020   voltage
V(vin-biased):   -0.0498147  voltage
V(v-):   -12     voltage
V(v+):   12  voltage
V(n004):     -0.0498075  voltage
V(n001):     1.13011     voltage
I(C5):   1.42638e-022    device_current
I(C4):   4.98147e-019    device_current
I(R11):  4.98223e-007    device_current
I(R10):  -4.98147e-007   device_current
I(R9):   5.64796e-006    device_current
I(R8):   0.000483106     device_current
I(R7):   0.000477458     device_current
I(R6):   5.14795e-006    device_current
I(R5):   1.42638e-022    device_current
I(R4):   -4.48332e-019   device_current
I(R3):   -4.98147e-020   device_current
I(R2):   -1.78251e-009   device_current
I(R1):   5.00005e-007    device_current
I(Vtest):    -4.98147e-020   device_current
I(V2):   -0.00370861     device_current
I(V1):   -0.00370444     device_current
Ix(u2:1):    4.98147e-007    subckt_current
Ix(u2:2):    4.98223e-007    subckt_current
Ix(u2:3):    0.0032255   subckt_current
Ix(u2:4):    -0.00322698     subckt_current
Ix(u2:5):    1.78251e-009    subckt_current

Das LTspice asc-Quelldateiformat ist eigentlich ein ASCII-Format (Klartext), daher habe ich die Schaltung (asc) auf http://pastebin.com/0PzpUbFC hochgeladen , falls jemand anderes Verwendung dafür findet.

Und unten ist eine leichte Modifikation, die den DC-Ausgangs-Offset als Funktion der Offset-Pot-Position grafisch darstellt, dh ein Pot-Sweep. Die Ausgangsspannung, die der Topfposition "500 m" (dh 0,5) entspricht, ist im Grunde die typische NE5332-Offsetspannung (0,5 mV), grob multipliziert mit der Verstärkung dieser Schaltung (~ 10), was zu einem Ausgangsoffset von etwa 5 mV führt.

Wenn Sie den effektiven Bereich des Offset-Pots erhöhen möchten (z. B. wenn Sie einen wirklich schlechten NE5532 bekommen, der fast das 10-fache seines typischen Offsets hat), können Sie R9 verringern; Das Verringern von R9 auf 100 K würde den Offset-Bereich der Ausgangsspannung, den der Poti überstreicht, ungefähr verdoppeln.

Außerdem ist das Entfernen von R11 eine ziemlich schlechte Idee; Sie erhalten Hunderte von mV Ausgangsversatz, den der Offset-Poti nicht kompensieren kann ... wie unten gezeigt.

Hier ist zu beachten, dass sowohl Eingangsströme als auch Eingangs-Offset in derselben Schaltung berücksichtigt werden müssen, da sie beide den Ausgangsspannungs-Offset beeinflussen. Das ist etwas, das in der oben genannten Appnote vielleicht nicht gut vermittelt wird ...

Um die gestellte Frage vielleicht direkter zu beantworten, gibt es einige bipolare Operationsverstärker, bei denen der Hersteller versucht hat, das V _OS statistisch auf 0 zu zentrieren. Sie müssen sich immer noch mit einer Nicht-Null-Dispersion befassen. Zum Beispiel hat das Datenblatt OPA551/OPA552, das die typischen VOS-Werte als +/-1mA und später maximal +/-3mA angibt, _das folgende glockenförmige Diagramm (Gaußsche Verteilung).

Sie müssen auch berücksichtigen, dass die Offset-Spannung mit der Temperatur stark ansteigen kann (oder auch nicht). Auch hier gewinnen aktive Lösungen (Servos) gegenüber dem manuellen Trimmen. Das Diagramm für die Temperaturdrift der OPA551/2-Proben folgt.

Ich bin mir nicht sicher, welche Form ich dem zuschreiben soll; vielleicht eine Form der Weibull-Verteilung für einige geeignet gewählte Parameter.

Schließlich hat der oben erwähnte LM4562 (von jemand anderem) die Bias-Ströme in Dutzenden von nA gemessen (typisch 10 nA, max. 72 nA), während sie beim OPA551 im Bereich von Dutzenden von pA liegen (typisch 20 pA, max. 100 pA). Nachdem ich dies gesagt habe, komme ich auf meinen Anfangspunkt zurück: Sie müssen sich fragen, wann Sie das letzte Mal gehört oder gelesen haben, dass jemand einen bestimmten Operationsverstärker in einer Audioanwendung wegen seiner niedrigen Offset-Spannung und/oder seines niedrigen Werts bevorzugt Eingangsruheströme...

Der Himmel ist wirklich die Grenze, wenn es um Operationsverstärker geht - es ist definitiv möglich, bipolare Audio-Operationsverstärker zu finden, die niedrige Offsets, winzige Eingangsruheströme und geringes Rauschen haben. Eine schnelle Google-Suche zeigt den LM4562 , der um zwei Größenordnungen bessere Eingangsruhestromspezifikationen als der NE5532 hat. Es kostet auch ungefähr das 5-fache. Welchen esoterischen Audioverstärker Sie auch wählen, Sie werden wahrscheinlich kein Geld sparen, wenn Sie die Kopplungskappen eliminieren.

Wenn die Koppelkappen aus Sicht der wahrgenommenen Qualität für Sie anstößig sind (Kondensatorverzerrung existiert, aber ich werde sicherlich nicht in eine Debatte über ihre subjektiven Auswirkungen einsteigen) und Sie entschlossen sind, sie zu entfernen, dann Sie Sie müssen Ihre Frage qualifizieren, indem Sie angeben, wie viel Sie bereit sind zu zahlen, um dieses "Feature" aufzunehmen. Dies erfordert wahrscheinlich auch einige Details darüber, welche Art von Produkt Sie entwerfen.

Kurz die Antwort auf deine Frage:

"Gibt es also einen bipolaren Operationsverstärker, der einen ausreichend niedrigen Offset hat, damit Stufen gleichstromgekoppelt werden können?"

ist "Ja", aber jeder weitere Kommentar dazu, was zu verwenden ist oder wie es verwendet wird, erfordert mehr Informationen.

PS Es ist möglich, eine hohe Eingangsimpedanz mit niederohmigen Widerständen zu erhalten, wenn ein bipolares Gerät verwendet wird, indem eine Bootstrap-Schaltung verwendet wird (unter der Annahme positiver und negativer Versorgungen):

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Ich weiß nicht, ob C1 für Sie als Koppelkondensator gilt. Es ist möglich, es mit einem anderen Operationsverstärkerabschnitt zu eliminieren.

Fast alle Operationsverstärker haben ausreichend niedrige Offsets, sodass Sie bei jeder einzelnen Kopplung Stufen ohne Kondensatoren koppeln können, insbesondere wenn die Verstärkungen relativ niedrig sind. Das heißt, akkumulieren Sie ein wenig Offset über mehrere Stufen.

Ich habe Megaohm-Widerstände am + Eingang von NE5532-Operationsverstärkern ohne Probleme verwendet. So viele hundert Nanoampere Vorspannungsstrom über eine Million Ohm sind nur so viele hundert Millivolt Offset. Auf +/-15-V-Stromschienen kaum wahrnehmbar; kein Thema.

Wie auch immer, Sie brauchen für die meisten Audiosignale keine Million Ohm Impedanz. Wenn ich von großen Impedanzen an der Eingangsstufe höre, gehe ich davon aus, dass es für Gitarre ist. (Stimmt das?) Gitarren-Tonabnehmer sind schlecht konstruiert, aber das ist Teil ihres Sounds und wir bleiben bei ihnen hängen. Mikrofone brauchen keine hohen Impedanzen, Line-Pegel-Kopplungen auch nicht. Eine zu hohe Impedanz ist bei Audio schädlich, da sie die Kabelkapazität vergrößert. Bei den meisten Audiokopplungsanwendungen ist alles über 10K eine Verschwendung. Der Grund dafür ist, dass wir bereits anständig niedrige Ausgangsimpedanzen (nahe Null) haben. Sie brauchen nicht sowohl eine Ausgangsimpedanz nahe Null als auch eine lächerlich hohe Eingangsimpedanz, nur eine von beiden!

Wenn Sie sich nicht für eine lächerliche Eingangsimpedanz entscheiden, steht es Ihnen freier, invertierende Stufen zu verwenden, die gegenüber nicht invertierenden Stufen mehrere Vorteile haben, z. B. das Vermeiden von Gleichtakteingangsbewegungen.