Welche Auswirkung hat die Asymmetrie der Versorgungsspannung in Topologien von Operationsverstärkern?

Die obigen Antworten sind beide in gewisser Weise unbefriedigend. Andys hat eine falsche Annahme und Berechnung, während "Platzhalter" Ihnen 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 berücksichtigen ist, aber angesichts der folgenden Problemstellung tatsächlich bei DC berücksichtigt werden muss (ich zitiere, falls es sich [wieder] ohne Vorankündigung ändert):

Angenommen, ich entwerfe einen nicht invertierenden Verstärker mit R1 = 100 kΩ und R2 = 1 kΩ. Versorgungsspannungen sind; V+=+5,0 V und V-=-4,5 V. Und mein Operationsverstärker ist MCP6V31. Wie hoch ist die Ausgangsspannung, wenn meine Eingangsspannung 1 kHz Sinusspannung und 10 mV Spitze-zu-Spitze beträgt?

Aus dem Diagramm würden wir also etwa -90 dB PSRR bei 0 Hz (DC) erwarten, was zu einem DC-Offset von etwa 3 mV am Ausgang führen würde. Für das angegebene Eingangssignal wird dies kaum wahrnehmbar sein, da der Ausgang eine AC-Komponente von 1 Vp-p haben wird. Wenn Sie jedoch das Eingangssignal auf 10 Mikrovolt pp absenken, wird der durch die Schienenunsymmetrie verursachte DC-Offset im Ausgang sicherlich spürbar sein. Beweis von LTspice.

Die Frage wie gestellt:

Verringern Sie nun das Eingangssignal auf zehn Mikrovolt pp.

Es gibt jetzt einen sichtbaren DC-Offset am Ausgang. Nur um Sie davon zu überzeugen, dass dies hauptsächlich durch das Ungleichgewicht der Stromversorgung verursacht wird, sehen Sie unten, was passiert, wenn Sie perfekt ausbalancierte Schienen bei demselben Eingangssignal von 10 Mikrovolt verwenden.

Auch hier gibt es einen gewissen Offset, der durch andere nicht ideale Eigenschaften des Operationsverstärkers (Eingangsoffsetspannung, Eingangsvorspannungen) verursacht wird, aber er ist viel geringer als der, der durch das Ungleichgewicht der Stromschiene verursacht wurde.

Natürlich können Sie auch früher auf die negative Schiene clippen, wenn diese stärker nach oben verschoben wird (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 Stromversorgungsunterdrückungsverhältnisses (PSRR) sehen, wie sich dies auf den Verstärker auswirkt: -

Ich habe dieses Bild aus dem Datenblatt genommen und für ein 1-kHz-Signal, das der Stromschiene (positiv oder negativ) überlagert ist, gibt es eine Unterdrückung von 45 dB. Das bedeutet, wenn 1Vp-p 1kHz auf einer Stromschiene liegt, gibt es eine äquivalente Spannung am Eingang von: -

$V_{INPUT} = 10^{(\frac{-45}{20})} = 5.62mV_{P-P}$

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 Netzteilrauschen am Ausgang eines Operationsverstärkers zu bestimmen. Dies bedeutet, dass für eine invertierende Operationsverstärkerkonfiguration mit einer Verstärkung von nur 0,01 das Netzteilrauschen am Ausgang mit 1,01 und nicht mit 0,01 multipliziert wird. Eine Eingangsspannung von 1 Vp-p, 1 kHz, die durch einen invertierenden Verstärker mit einer Verstärkung von 0,01 geleitet wird, erzeugt einen Ausgang von 10 mVp-p, und wenn das PSRR bei 1 kHz 45 dB beträgt und 1 kHz 1 Vp-p auf einer der Stromschienen vorhanden ist, wird es immer noch praktisch sein 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, mit der verschobenen Schiene wird auch der Betriebsbereich verschoben, wenn Sie einen Rail-to-Rail-Operationsverstärker 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, eine bezogen auf die obere Schiene und die andere bezogen auf die untere Schiene und beide mit leicht unterschiedlichen Arbeitspunkten, wenn sich das Signal durch verschiedene Betriebsregime bewegt Operationsverstärker, tauchen unterschiedliche Effekte auf und manifestieren sich hauptsächlich als Verzerrungsprodukte (oder Unterschiede in der Anstiegsgeschwindigkeit).

Um dies vollständig zu verstehen, müssten Sie den Operationsverstärker viel mehr studieren, als Sie wirklich brauchen.

Die meisten Einschränkungen sind im Datenblatt eingebettet. Wenn Sie wissen, was Sie tun, können Sie daraus Hinweise auf die interne Topologie erhalten.