Qual è l'effetto dell'asimmetria della tensione di alimentazione nelle topologie di amplificatori opamp?

Qual è l'effetto di una tensione in uno degli ingressi di tensione di alimentazione di un opamp sul suo comportamento funzionale ( può essere positivo o negativo)?$\Delta V$$\Delta V$

Supponiamo che sto progettando un amplificatore non invertente con e . Le tensioni di alimentazione sono; e . E il mio opamp è MCP6V31 . Quale sarà la tensione di uscita, se la mia tensione di ingresso è 1kHz tensione sinusoidale, 10 mV picco-picco? $R_1 = 100k\Omega$$R_2 = 1k\Omega$$V_+ = +5.0V$$V_- = -4.5V$

Le risposte di cui sopra sono entrambe insoddisfacenti per alcuni aspetti. Andy ha ipotesi e calcoli errati, mentre i "segnaposto" in sostanza non ti dicono nulla di concreto ... che non è il caso.

L'errore di Andy è quello di supporre che nell'esempio numerico il PSRR debba essere considerato a 1kHz, ma in realtà deve essere considerato in DC dato il seguente problema (sto citando nel caso in cui cambi senza preavviso [di nuovo]):

Supponiamo che sto progettando un amplificatore non invertente con R1 = 100kO e R2 = 1kO. Le tensioni di alimentazione sono; V + = + 5.0V e V - = - 4.5V. E il mio opamp è MCP6V31. Quale sarà la tensione di uscita, se la mia tensione di ingresso è 1kHz tensione sinusoidale, 10 mV picco-picco?

Quindi, dal grafico ci aspetteremmo circa -90 dB PSRR a 0Hz (DC), che si tradurrebbe in circa 3mV DC offset all'uscita. Per il segnale di ingresso dichiarato che sarà quasi impercettibile perché l'uscita avrà un componente AC di 1Vp-p. Se tuttavia si abbassa il segnale di ingresso a 10 microvolt pp, l'offset CC nell'uscita causato dallo squilibrio della rotaia sarà sicuramente evidente. Prova di LTspice.

La domanda come posta:

Ora rilasciando il segnale di ingresso a dieci microvolt pp.

Ora c'è un offset DC visibile sull'uscita. Solo per convincerti che è causato principalmente dallo squilibrio dell'alimentazione, di seguito è cosa succede se si utilizzano binari perfettamente bilanciati con lo stesso segnale di ingresso da 10 microvolt.

Anche qui c'è qualche offset causato da altre caratteristiche non ideali dell'amplificatore operazionale (tensione di offset dell'ingresso, correnti di polarizzazione dell'ingresso), ma è molto inferiore a quello causato dallo squilibrio della barra di alimentazione.

Ovviamente puoi anche agganciare prima il binario negativo se questo viene spostato in modo più significativo (dato un segnale di ingresso abbastanza grande). Non sto aggiungendo un grafico per questo in quanto è piuttosto ovvio.

Se le barre di alimentazione si muovono su e giù, puoi vedere come questo influisce sull'amplificatore guardando il grafico del rapporto di reiezione dell'alimentazione (PSRR): -

Ho preso questa immagine dalla scheda tecnica e per un segnale da 1kHz sovrapposto al power rail (positivo o negativo) ci sono 45dB di rifiuto. Ciò significa che se 1Vp-p 1kHz si trova su una barra di alimentazione, c'è una tensione equivalente all'ingresso di: -

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

Se il tuo guadagno è l'unità, vedrai questa tensione in uscita. Se il guadagno è 10, vedrai dieci volte questa tensione.

EDIT A rigor di termini si dovrebbe usare il guadagno non invertente per determinare il rumore dell'alimentatore visto all'uscita di un amplificatore operazionale. Ciò significa che per una configurazione invertitore operazionale con un guadagno di solo 0,01, il rumore dell'alimentazione in uscita viene moltiplicato per 1,01 e non per 0,01. Una tensione in ingresso 1Vp-p 1kHz alimentata attraverso un amplificatore invertente con un guadagno di 0,01 produrrà un'uscita di 10mVp-p e se la PSRR a 1kHz è 45dB e su 1 power rail ci sarà 1kHz 1Vp-p su entrambi i power rail, resterà comunque virtualmente 5,62 mVp-p di rumore sull'uscita e questo rovinerà il segnale.

PSRR su wikipedia

Le asimmetrie ferroviarie sono difficili da determinare senza conoscere la topologia interna dell'amplificatore operazionale. Molte persone pensano che un amplificatore operazionale sia un amplificatore operazionale, ma in realtà ci sono molte implementazioni e tecnologie e compromessi diversi.

Non otterrai risposte definitive (a meno che il designer non sia in agguato qui), ma in generale l'asimmetria si manifesta in due modi. Il primo è l'escursione del segnale, con la rotaia spostata viene anche spostato il raggio di azione, se si dispone di un amplificatore operazionale da rotaia a rotaia e si sposta la rotaia, anche il segnale si sposterà.

Il secondo problema si manifesta nei prodotti di distorsione, spesso i circuiti interni hanno funzionalità complementari, uno riferito alla guida superiore e l'altro alla guida inferiore ed entrambi con punti operativi leggermente diversi, poiché il segnale si muove attraverso diversi regimi di funzionamento del op-amp, compaiono effetti diversi e si manifestano principalmente come prodotti di distorsione (o differenze di velocità di risposta).

Per comprendere appieno questo, è necessario studiare l'amplificatore operazionale molto più di quanto sia necessario.

La maggior parte dei vincoli sono incorporati nella scheda tecnica. Se sai cosa stai facendo, puoi ottenere suggerimenti sulla topologia interna.