Как работают операционные усилители, стабилизированные прерыванием. Каковы их преимущества перед обычными ОУ. Для каких применений они лучше всего подходят. На что обратить внимание при их использовании.
Принцип работы ОУ, стабилизированных прерыванием
Операционные усилители, стабилизированные прерыванием (chopper-stabilized op amps), используют специальную технику для минимизации напряжения смещения и низкочастотного шума. Как это работает?
Входной сигнал периодически коммутируется с помощью переключателей, меняющих его полярность. Это позволяет отделить полезный сигнал от напряжения смещения и низкочастотного шума. Затем сигнал демодулируется на выходе, восстанавливая исходную полярность.
Такой подход позволяет значительно уменьшить напряжение смещения и практически полностью устранить низкочастотный 1/f-шум. В результате ОУ имеет очень малое и стабильное напряжение смещения во всем диапазоне рабочих температур.
Преимущества ОУ со стабилизацией прерыванием
Основные преимущества таких усилителей по сравнению с обычными ОУ:
- Сверхнизкое напряжение смещения (единицы мкВ)
- Высокая температурная стабильность смещения
- Практически полное отсутствие низкочастотного 1/f-шума
- Высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала
- Высокий коэффициент подавления нестабильности питания
Эти свойства делают ОУ со стабилизацией прерыванием идеальными для прецизионных измерительных схем, работающих с малыми сигналами.
Области применения
Благодаря своим уникальным характеристикам, ОУ со стабилизацией прерыванием широко используются в следующих областях:
- Прецизионные измерительные системы
- Медицинская электроника
- Весоизмерительная техника
- Датчики и сенсоры
- Системы сбора данных
- Схемы обработки сигналов от термопар
Везде, где требуется измерение малых сигналов с высокой точностью, такие ОУ имеют преимущество.
Особенности применения ОУ со стабилизацией прерыванием
При использовании ОУ, стабилизированных прерыванием, следует учитывать некоторые нюансы:
Частота прерывания
Внутренняя коммутация происходит на определенной частоте прерывания. Это может вызывать появление помех на этой частоте и ее гармониках. Как правило, частота прерывания лежит в диапазоне от нескольких кГц до сотен кГц.
Шумы модуляции
Процесс модуляции/демодуляции может вносить дополнительные шумы. В современных ОУ применяются специальные методы для их минимизации, но полностью устранить их невозможно.
Ограниченная полоса пропускания
Из-за особенностей работы, полоса пропускания таких ОУ обычно меньше, чем у обычных усилителей. Это следует учитывать при работе с высокочастотными сигналами.
Сравнение с обычными ОУ
Операционные усилители со стабилизацией прерыванием имеют как преимущества, так и недостатки по сравнению с обычными ОУ. Давайте рассмотрим основные отличия:
Напряжение смещения
ОУ со стабилизацией прерыванием имеют сверхнизкое напряжение смещения — обычно единицы мкВ против сотен мкВ у стандартных ОУ. Это ключевое преимущество для прецизионных измерений.
Температурный дрейф
Смещение нуля у ОУ с прерыванием очень стабильно с температурой. Типичные значения дрейфа — 20-50 нВ/°C против 1-5 мкВ/°C у обычных ОУ.
Низкочастотный шум
1/f-шум практически отсутствует у ОУ с прерыванием, что дает им большое преимущество при работе с медленно меняющимися сигналами.
Полоса пропускания
Обычные ОУ имеют более широкую полосу — до десятков МГц, тогда как у ОУ с прерыванием она редко превышает 1-2 МГц.
Рекомендации по выбору ОУ со стабилизацией прерыванием
При выборе ОУ, стабилизированного прерыванием, для конкретного применения следует обратить внимание на следующие параметры:
- Напряжение смещения и его температурный дрейф
- Входной ток смещения
- Спектральная плотность шума
- Полоса пропускания
- Частота прерывания
- Напряжение питания
- Потребляемый ток
Важно оценить, насколько критичны те или иные параметры для вашего приложения, и выбрать оптимальный вариант.
Типовые схемы включения
ОУ со стабилизацией прерыванием могут использоваться в тех же базовых схемах, что и обычные операционные усилители. Однако есть некоторые особенности их применения:
Неинвертирующий усилитель
Это наиболее распространенная схема включения. Благодаря малому смещению, такой усилитель может работать с очень малыми входными сигналами. Коэффициент усиления задается отношением резисторов обратной связи.
Инструментальный усилитель
ОУ с прерыванием часто используются в схемах инструментальных усилителей для прецизионного измерения дифференциальных сигналов. Это позволяет добиться высокого CMRR и малого смещения.
Интегратор
Малый дрейф нуля делает такие ОУ идеальными для прецизионных интеграторов, например, в АЦП с двойным интегрированием.
Заключение
Операционные усилители, стабилизированные прерыванием, являются мощным инструментом для создания прецизионных аналоговых схем. Их уникальные характеристики позволяют решать задачи, недоступные для обычных ОУ. Однако нужно учитывать особенности их работы и правильно применять в соответствии со спецификой решаемых задач.
При грамотном использовании такие усилители обеспечивают непревзойденную точность и стабильность в широком диапазоне условий эксплуатации. Это делает их незаменимыми во многих областях современной электроники, где требуется прецизионная обработка аналоговых сигналов.
ОУ, стабилизированные прерыванием: действительно ли они шумные?
1 июля 2019
телекоммуникациисистемы безопасностиучёт ресурсовмедицинапотребительская электроникаответственные применениялабораторные приборыTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы
Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях.
Мы публикуем перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.
Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав
Операционные усилители, стабилизированные прерыванием (Chopper op amps) отличаются очень малым значением напряжения смещения, что значительно уменьшает низкочастотный 1/f-шум. Как это происходит?
На рисунке 63 показан входной каскад операционного усилителя, стабилизированного прерыванием. Этот каскад построен на базе усилителя тока, управляемого напряжением. Входное дифференциальное напряжение на его входе преобразуется в дифференциальный выходной ток. Стабилизация прерыванием осуществляется с помощью коммутирующих переключателей, которые синхронно меняют полярность подключения на входах и выходах. Поскольку дифференциальные входы и выходы переключаются одновременно, то на выходном конденсаторе C1 присутствует сигнал постоянной полярности.
Рис. 63. Входной каскад операционного усилителя, стабилизированного прерыванием
Источник напряжения смещения внутреннего усилителя располагается после входных коммутирующих переключателей, поэтому его вклад в выходное напряжение периодически меняет знак при коммутации.
Самые первые ОУ, стабилизированные прерыванием, обеспечивали лишь минимальный уровень фильтрации выходных треугольных шумов, из-за чего приобрели славу ужасно шумных устройств. Их старались использовать только тогда, когда было крайне важно получить малое значение напряжения смещения. Особенно неприятным было то, что амплитуда треугольных шумов определялась величиной напряжения смещения, поэтому шум прерывания мог значительно варьироваться от одного ОУ к другому.
Усилители нового поколения значительно тише. В них используется коммутируемый емкостной фильтр, в АЧХ которого присутствуют вырезы, соответствующие частоте коммутаций и ее гармоникам. Это достигается за счет интегрирования заряда C1 в течение всего цикла и лишь после этого – передачей его напряжения на следующий каскад внутри ОУ.
Заряд, интегрированный в течение полного цикла переключений, является идеально усредненным. В частотной области это создает отклик фильтра sinc (x) или sin (x)/x с нулями, которые точно соответствуют основной и всем кратным гармоникам треугольной волны (рисунок 64).
Рис. 64. Усилители нового поколения значительно тише
В последних моделях выходная матрица коммутации состоит из восьми переключателей и поочередно заряжает два конденсатора C1. Это позволяет интегрировать напряжение одного конденсатора, пока сигнал второго конденсатора передается на следующий внутренний каскад операционного усилителя.
Поскольку 1/f-шум представляет собой медленно изменяющееся по времени смещение, то ОУ, стабилизированные прерыванием, практически устраняют эту повышенную спектральную плотность шума в низкочастотном диапазоне. Переключения приводят к сдвигу сигнала основной полосы до частоты коммутаций за пределы низкочастотной области 1/f-шума входного каскада. В итоге низкочастотный шум таких ОУ имеет спектральную плотность, равную плотности шума высокочастотного диапазона.
Мое описание создает впечатление, что все происходит без сучка и задоринки. Нулевое смещение…отлично! Однако по-прежнему существует некоторая остаточная ошибка смещения, возникающая из-за переключений заряда, несоответствия емкостей и паразитных составляющих. Коэффициент усиления рассмотренного входного каскада значительно уменьшает влияние смещений следующих каскадов ОУ. Обычно более широкая полоса усиления требует более быстрых переключений, что увеличивает ошибки от остаточного смещения. Остаточное смещение слабо зависит от температуры и срока службы, что является важным качеством для этих устройств.
Я не утверждаю, что современные операционные усилители, стабилизированные прерыванием, устраняют необходимость в стандартных операционных усилителях. Я далек от этой мысли. Но чопперные ОУ нового поколения теперь могут быть полезны в гораздо более широком спектре приложений. Они обеспечивают небольшое и стабильное напряжение смещения, не имеют фликкер-шума и по характеру поведения очень близки к стандартным операционным усилителям.
Оригинал статьи
- Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу
- Что нужно знать о входах rail-to-rail
- Работа с напряжениями близкими к земле: случай однополярного питания
- Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи — двоюродные братья
- SPICE-моделирование напряжения смещения: как определить чувствительность схемы к напряжению смещения
- Где выводы подстройки? Некоторые особенности выводов коррекции напряжения смещения
- Входной импеданс против входного тока смещения
- Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей
- Температурная зависимость входного тока смещения и случайный вопрос на засыпку
- Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
- Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
- Почему в схемах с ОУ возникают колебания: интуитивный взгляд на две наиболее частые причины
- Приручаем нестабильный ОУ
- Приручаем колебания: проблемы с емкостной нагрузкой
- SPICE-моделирование устойчивости ОУ
- Входная емкость: синфазная? дифференциальная? или…?
- Операционные усилители: с внутренней компенсацией и декомпенсированные
- Инвертирующий усилитель с G = -0,1: является ли он неустойчивым?
- Моделирование полосы усиления: базовая модель ОУ
- Ограничение скорости нарастания выходного сигнала ОУ
- Время установления: взгляд на форму сигнала
- Шум резисторов: обзор основных понятий
- Шумы операционного усилителя: неинвертирующая схема
- Шумы ОУ: как насчет резисторов обратной связи?
- 1/f-шум: фликкер-шум
Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ
•••
Товары
| Наименование | |
|---|---|
| OPA2111 (TI)
| |
| OPA2111KP (TI)
| |
| OPA211AID (TI)
| |
| OPA211AIDGKRG4 (TI)
| |
| OPA211AIDRG4 (TI)
| |
| OPA211AIDRGTG4 (TI)
| |
| OPA211IDGKT (TI)
| |
| OPA140AID (TI)
| |
| OPA140AIDGKR (TI)
| |
| OPA140ATDD2 (TI)
| |
| OPA140AIDBV (TI)
| |
| OPA140AIDGKT (TI)
| |
| OPA140AIDBVR (TI)
| |
| OPA140AIDR (TI)
| |
| OPA376AID (TI)
| |
| OPA376AIDBVT (TI)
| |
| OPA376AIDCKT (TI)
| |
| OPA376AIDRG4 (TI)
| |
| OPA376AIDBV (TI)
| |
| OPA376AIDBVTG4 (TI)
|
org/Product» data-pid=»yVE7″>
org/Product» data-pid=»C9MN»>
org/Product» data-pid=»ErEg»>Ограничение скорости нарастания выходного сигнала ОУ
1 апреля 2019
телекоммуникациисистемы безопасностиучёт ресурсовмедицинапотребительская электроникаответственные применениялабораторные приборыTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемы
Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки.
Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях.
Мы публикуем перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.
Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав
Поведение операционных усилителей в режиме ограничения скорости нарастания часто вызывает недопонимание Это объемная тема, поэтому давайте разбираться поэтапно.
Между входами ОУ обычно присутствует очень небольшое напряжение, в идеале – ноль, не так ли? Но внезапное изменение входного сигнала временно приводит к тому, что контур обратной связи выходит из равновесия, создавая дифференциальное напряжение ошибки между входами операционного усилителя. Это заставляет ОУ увеличивать выходное напряжение для исправления ошибки рассогласования.
Чем больше рассогласование, тем выше скорость нарастания сигнала на выходе. Однако увеличение скорости нарастания не бесконечно. При достаточно большом дифференциальном напряжении на входе скорость нарастания достигает своего предела.
Если амплитуда входного прямоугольного импульса достаточно велика, то скорость нарастания выходного сигнала достигает своего предела. При дальнейшем увеличении амплитуды скорость нарастания на выходе не изменится. На рисунке 49 на примере простой схемы демонстрируется, почему так происходит. При постоянном входном напряжении в схеме с замкнутым контуром между входами операционного усилителя присутствует нулевое напряжение. Входной каскад сбалансирован, а ток IS1 равномерно распределяется между двумя входными транзисторами. Если напряжение входного прямоугольного сигнала превышает 350 мВ, то весь ток IS1 начинает протекать по одному плечу входного каскада. Этот ток заряжает (или разряжает) компенсационный конденсатор Миллера – C1. Скорость нарастания выходного сигнала (Slew rate, SR) – это скорость, с которой IS1 заряжает C1.
Она равна IS1/C1.
Рис. 49. Значительное изменение входного сигнала приводит к достижению предельной скорости нарастания
Конечно, приведенная схема ограничения не единственная, существуют и другие варианты. ОУ с улучшенными динамическим характеристиками имеют в своем составе специальную схему, которая обнаруживает подобные перегрузки и включает дополнительные источники тока для ускоренной зарядки C1. Однако в этом случае скорость нарастания по-прежнему остается ограниченной. Скорости нарастания и спада могут не совпадать. В этой простой схеме они практически равны, но ситуация меняется в зависимости от конкретного ОУ. Напряжение, необходимое для достижения предела скорости нарастания (для рассмотренной схемы это 350 мВ) может меняться от 100 мВ до 1 В или более, в зависимости от операционного усилителя.
Если достигнута максимальная скорость нарастания напряжения на выходе, то усилитель не может реагировать на дополнительное увеличение сигнала на входе, входной каскад перегружен.
Но как только выходное напряжение приближается к конечному значению, величина рассогласования на входах операционного усилителя возвращается в линейный диапазон. Затем скорость изменения выходного сигнала постепенно уменьшается, чтобы обеспечить плавное достижение конечного значения.
По сути, при достижении ограничения скорости нарастания для ОУ не происходит ничего страшного – нет ни повреждений, ни каких-либо негативных последствий. Но чтобы избежать грубого искажения формы синусоидального сигнала, вы должны ограничить частоту и/или амплитуду сигнала на выходе, чтобы его фронт не превышал скорость нарастания усилителя. На рисунке 50 показано, что максимальный наклон синусоидальной волны пропорционален напряжению питания и частоте. Однако даже если скорость изменения синуса на 20% меньше требуемой скорости нарастания, сигнал на выходе искажается почти до треугольной формы.
Рис. 50. Синусоидальная волна, воспроизведенная без искажений (вверху) и с искажениями при достижении ограничения скорости нарастания (внизу)
Крутые фронты и срезы больших прямоугольных импульсов также искажаются – наклоняются в соответствии со скоростью нарастания операционного усилителя.
Задняя часть фронта и спада сигнала имеет закругленную форму, как показано на рисунке 49. Это связано с тем, что усилитель возвращается в область малых сигналов.
В неинвертирующей схеме требуется как минимум 350 мВ, чтобы достичь ограничения по скорости нарастания, независимо от коэффициента усиления. На рисунке 51 показано поведение усилителя в состоянии ограничения для входного сигнала 1 В при коэффициентах усиления 1, 2 и 4. Скорость нарастания одинакова для каждого коэффициента усиления. При G = 1 выходной сигнал переходит в область малых сигналов на величине 350 мВ. При G = 2 и G = 4 область малых сигналов пропорционально увеличивается, потому что сигнал ошибки, подаваемый обратно на инвертирующий вход, ослабляется в цепи обратной связи. Если ОУ работает с коэффициентом усиления больше 50, то ограничение скорости не будет столь заметно из-за того что напряжение 350 мВ будет перегружать также и выход.
Рис. 51. Выход из области ограничения скорости нарастания при больших коэффициентах усиления происходит более плавно и при более высоком выходном напряжении
Скорость нарастания напряжения традиционно измеряется в вольтах в микросекунду, возможно, потому что ранние операционные усилители общего назначения имели скорость нарастания в диапазоне 1 В/мкс.
Хотя для современных высокоскоростных усилителей значения скоростей находятся в диапазоне 1000 В/мкс, увидеть запись 1 кВ/мкс или 1 В/нс можно все-таки редко. Аналогично для маломощного ОУ будет приведено значение 0,02 В/мкс, и значительно реже используется запись 20 В/мс или 20 мВ/мкс. Таким образом мы отдаем дань традициям.
Оригинал статьи
- Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу
- Что нужно знать о входах rail-to-rail
- Работа с напряжениями близкими к земле: случай однополярного питания
- Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи — двоюродные братья
- SPICE-моделирование напряжения смещения: как определить чувствительность схемы к напряжению смещения
- Где выводы подстройки? Некоторые особенности выводов коррекции напряжения смещения
- Входной импеданс против входного тока смещения
- Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей
- Температурная зависимость входного тока смещения и случайный вопрос на засыпку
- Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения.
Действительно ли они нужны?
- Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
- Почему в схемах с ОУ возникают колебания: интуитивный взгляд на две наиболее частые причины
- Приручаем нестабильный ОУ
- Приручаем колебания: проблемы с емкостной нагрузкой
- SPICE-моделирование устойчивости ОУ
- Входная емкость: синфазная? дифференциальная? или…?
- Операционные усилители: с внутренней компенсацией и декомпенсированные
- Инвертирующий усилитель с G = -0,1: является ли он неустойчивым?
- Моделирование полосы усиления: базовая модель ОУ
Действительно ли они нужны?Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ
•••
ПРЯЖА | О, это не желейный пистолет, солнышко. | Гадкий я 2 (2013) | Видеоклипы по цитатам | dd195f7d
ПРЯЖА | О, это не желейный пистолет, солнышко. | Гадкий я 2 (2013) | Видеоклипы по цитатам | дд195f7d |紗Объявление:
Пряжа — лучший способ найти видеоклипы по цитате.
Найдите точное
момент в телешоу, фильме или музыкальном видео, которым вы хотите поделиться. Легко
двигаться вперед или назад, чтобы добраться до идеального места. Он доступен на
сети, а также на Android и iOS.
io/yarn-clip/dd195f7d-aea0-4b11-bf0b-697e8859a6b6
— Думаешь, у меня нет пистолета?
красивая | Знай свой мем
В меме персонаж Дядюшка Стэн называет отфотошопленный снимок экрана из сериала «красивым».
