Opamp-Spannungsfolger mit schwacher positiver Rückkopplung

Ich versuche, ein intuitives Verständnis der folgenden Schaltung zu erlangen:

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Dies ist ein einfacher Spannungsfolger mit einem Kurzschluss zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang. Außerdem gibt es einen wesentlich höherohmigen Rückkopplungspfad zum nicht invertierenden Eingang. Ich würde also davon ausgehen, dass die Rückkopplung praktisch vollständig negativ ist und sich die Schaltung wie ein einfacher Spannungsfolger verhalten sollte. Tatsächlich scheint der Arbeitspunkt V1 als Ausgangsspannung zu reproduzieren.

Beim Simulieren in LTspice beobachte ich jedoch ein enormes Rauschen, das von R2 ausgeht. Jetzt würde das thermische Rauschen von R2 etwa 0,41 nV/rtHz betragen. Und die Schaltungsverstärkung ist 1, wie zuvor erwähnt. Aber LTspice meldet 41 nV/rtHz als Ausgangsrauschen und schreibt praktisch alles davon R2 zu.

Warum wird das Rauschen von R2 um den Faktor R1/R2 verstärkt?

Das Rauschen von R3 wird um den gleichen Faktor verstärkt, obwohl es nicht in diesem Rückkopplungspfad liegt.

Warum wird das Rauschen von R3 um den Faktor R1/R2 verstärkt?

Es könnte hilfreich sein, wenn Sie ein Schaltungsmodell zeichnen, das die Rauschquellen zeigt, wie in dieser Referenz Noise Analysis in Operational Amplifier Circuits gezeigt: ti.com/lit/an/slva043b/slva043b.pdf . Die Isolation der Rauschquelle kann Aufschluss über den Rauschverstärkungsfaktor geben.
Welches Modell verwenden Sie für den Operationsverstärker in LTspice? Bist du sicher, dass es nicht schwingt?
Das Geräusch, das Sie sehen, ist auf R1 zurückzuführen, denke ich. Es ist 100-mal höher als R2 und das Rauschen ist 100-mal höher als das eines 10-Ohm-Widerstands bei 30 ° C UND R1 ist hundertmal höher als R2. Zufall vielleicht?
@ElliotAlderson Es ist ein Standard-UniversalOpamp Level 1. Der Operationsverstärker selbst ist geräuschlos. Operation Point and Transient sieht stabil aus.

Antworten (1)

Jede Spannung, die aufgrund von Rauschen über R2 erzeugt wird, verursacht ein Ungleichgewicht in den Spannungen an den beiden Eingängen des Operationsverstärkers.

Der Ausgang bewegt sich dann in eine solche Richtung, um diesem Ungleichgewicht entgegenzuwirken.

Aufgrund der Dämpfung vom Ausgang zu den Eingängen, die durch das Verhältnis von R1 und R2 verursacht wird, muss sich der Ausgang etwa 100-mal so viel bewegen, um dies zu kompensieren.

Ein ähnlicher Effekt wird für jedes von R3 erzeugte Rauschen beobachtet.

Das Rauschen von R1 erfährt einen Gesamtgewinn an Einheitlichkeit.

Es ist sehr selten, dass eine Konfiguration wie die gezeigte aus den von Ihnen gefundenen Gründen in einer praktischen Schaltung verwendet wird. Gelegentlich kann es jedoch eine gute Lösung sein, die Stabilität in einer Schaltung zu verbessern, indem die Schleifenverstärkung absichtlich verringert wird, selbst wenn dies die Rauschverstärkung verschlechtert.

Das Problem fällt unter den allgemeinen Begriff "Rauschverstärkung", wobei die Verstärkung für Rauschen sich erheblich von der Verstärkung aus dem gewünschten Signal unterscheiden kann. Dies ist insbesondere ein Problem in einigen Schaltungen, wie etwa Transimpedanzverstärkern, wo die Kapazität eines Geräts, wie etwa eines Fotodetektors, bewirken kann, dass das Rauschen unverhältnismäßig zum Fotodetektorsignal verstärkt wird.

Danke. Es klingt so logisch, dass es peinlich erscheint, überhaupt gefragt zu haben – das Zeichen einer guten Antwort 😊. Würde jedoch eine Spannung über R1 nicht das gleiche Ungleichgewicht und die gleiche Reaktion verursachen 🤔 Die Rauschverstärkung von R1 scheint laut LTspice ~ 1 zu sein.
@tobalt - die Rauschverstärkung von R3 beträgt ebenfalls etwa 100. Wenn Sie beispielsweise R3 durch eine 1-V-Batterie ersetzen, müsste die Spannung an R2 1 V betragen, damit der Operationsverstärker ausgeglichen ist. Dies würde 100 V über R1 erfordern, was zu 101 V am Ausgang eines 1-V-Signals an R3 führt.
@tobalt - ups. Ja, die Rauschverstärkung von R1 ist Eins. Sie ist von der Spannung am Eingang V1 nicht zu unterscheiden. Jegliches Rauschen von R1 wird um den Faktor 101 zum nicht invertierenden Eingang gedämpft und dann mit 101 zum Ausgang multipliziert, was eine Gesamtverstärkung von Eins ergibt.
It is very rare that a configuration such as that shown would be used in any practical circuit for the reasons you have found.Das Problem ist, dass es manchmal nicht vermieden werden kann: Betrachten Sie einen Spannungsfolger mit R3 = 1 mOhm, R2 = 1 Gohm. Normalerweise ist dies in Ordnung, aber wenn Ihre Quellenimpedanz 10 GOhm beträgt, nimmt das Rauschen plötzlich stark zu. Um das Rauschen nicht zu verstärken, sollte R2 immer höher sein als die Quellenimpedanz, was für Elektrometerdesigns zu einer Herausforderung wird.
@tobalt - In einem Elektrometer wäre R2 nicht vorhanden.
R2 existiert immer. Die Frage ist, wie groß es gemacht werden kann.
@tobalt - Es gibt selten eine Rückmeldung vom Ausgang zum Eingang. Es wird ein Leck zur Erde oder zur Versorgung geben. Diese Leckage kann bei einem modernen Elektrometer Femto-Ampere sein.
Opamp-Spannungsfolger mit schwacher positiver Rückkopplung
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