Шумы операционного усилителя: неинвертирующая схема

15 мая

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

Давайте рассмотрим некоторые базовые основы шумов усилителя с учетом особенностей, выявленных в предыдущей части. Неинвертирующая схема усилителя является наиболее распространенной для малошумящих приложений, поэтому я сосредоточусь именно на ней.

Модель источника входного сигнала на рисунке 58 представлена в виде источника шумового напряжения с последовательным сопротивлением RS. Известно, что сопротивление RS обладает собственным шумом, пропорциональным корню сопротивления (прямая линия на рисунке 59). Цель малошумящего усилителя состоит в том, чтобы добавлять как можно меньше дополнительного шума к уже имеющемуся шуму источника сигнала.

Рис. 58. Шумовая модель усилителя

Рис. 58. Шумовая модель усилителя

Шумовая модель усилителя включает в себя источник шумового напряжения, подключенный последовательно с одним из входов, и пару источников шумового тока, подключенных к каждому из входов (рисунок 58). Рассматривайте шумовое напряжение как изменяющийся во времени компонент напряжения смещения. Аналогичным образом шумовой ток представляет собой переменную составляющую входного тока смещения. Для этой схемы можно игнорировать шумовой ток на инвертирующем входе – его влияние, как правило, можно минимизировать.

На рисунке 59 показан общий приведенный ко входу шум для двух операционных усилителей: шум биполярного ОУ OPA209 и шум ОУ OPA140 с JFET-входами. Значения шумов показаны относительно величины сопротивления источника сигнала при 25°C. Для каждого операционного усилителя три источника шума складываются как корень из суммы квадратов. Возможно, вы видели подобный график в документации на некоторые ОУ.

Рис. 59. Шумовая характеристика операционных усилителей OPA209 и OPA140

Рис. 59. Шумовая характеристика операционных усилителей OPA209 и OPA140

При уменьшении сопротивления источника сигнала сопровождающий его шум Джонсона также уменьшается (обратно пропорционально корню сопротивления). В какой-то точке начинает преобладать шумовое напряжение усилителя, которое вносит основной вклад в общий шум усилителя. По мере увеличения сопротивления источника протекающий через него шумовой ток создает дополнительный линейно возрастающий шум, который увеличивается быстрее и в конечном итоге превышает тепловой шум исходного резистора. Таким образом, при высоком сопротивлении источника доминирует влияние шумового тока.

Наибольшие проблемы в схемах с малошумящими усилителями возникают при малом значении сопротивления источника сигнала от 2 кОм и меньше. При меньших сопротивлениях потребуется ОУ с очень маленьким шумовым напряжением. В общем случае результаты ОУ с биполярными входами в этом диапазоне оказываются лучше. Отметим также, что полный шум OPA209 на рисунке 59 приближается к сопротивлению источника в точке наилучших шумовых характеристик при RS = VN/IN.

При сопротивлениях источника выше 20 кОм операционные усилители с FET-входами вносят совсем небольшой дополнительный шум. Шумовой ток FET-усилителя, как правило, не играет важной роли, пока вы не достигнете мультигигаомного диапазона. Таким образом, можно дать следующие рекомендации: при сопротивлениях источника ниже 10 кОм малошумящие усилители с биполярными входами обычно обеспечивают более низкий уровень шума. При сопротивлениях выше 10 кОм КМОП- или JFE-усилители, скорее всего, будут иметь преимущество.

Цепь обратной связи R1 и R2 также вносит свой вклад в общий шум усилителя, но вы можете минимизировать его влияние. Если параллельное сопротивление R1 и R2 составляет одну десятую (или меньше) от величины сопротивления источника сигнала RS, то оно будет добавлять менее 10 процентов (<1 дБ) к суммарному шуму. Это справедливо для любого соотношения резисторов обратной связи, которые, как известно, определяют коэффициент усиления в замкнутом контуре. Стоит отметить, что на рисунке 59 шум компонентов обратной связи полагали равным нулю.

Конечно, это только малая часть полной картины шумов в схемах с ОУ, но это отличное начало для понимания всей темы. Хотите больше? Я рекомендую брошюру “Operational Amplifer Noise: Techniques and Tips for Analyzing and Reducing Noise”, написанную моим коллегой Артом Кеем.

Вопрос к размышлению: усилитель OPA140 демонстрирует отличные шумовые характеристики в широком диапазоне  сопротивлений источника (от 10 кОм и выше). Есть ли способ перенести эти преимущества в диапазон меньших значений сопротивлений источника?

Оригинал статьи

Список ранее опубликованных глав

  1. Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу
  2. Что нужно знать о входах rail-to-rail
  3. Работа с напряжениями близкими к земле: случай однополярного питания
  4. Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи — двоюродные братья
  5. SPICE-моделирование напряжения смещения: как определить чувствительность схемы к напряжению смещения
  6. Где выводы подстройки? Некоторые особенности выводов коррекции напряжения смещения
  7. Входной импеданс против входного тока смещения
  8. Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей
  9. Температурная зависимость входного тока смещения и случайный вопрос на засыпку
  10. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
  11. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
  12. Почему в схемах с ОУ возникают колебания: интуитивный взгляд на две наиболее частые причины
  13. Приручаем нестабильный ОУ
  14. Приручаем колебания: проблемы с емкостной нагрузкой
  15. SPICE-моделирование устойчивости ОУ
  16. Входная емкость: синфазная? дифференциальная? или…?
  17. Операционные усилители: с внутренней компенсацией и декомпенсированные
  18. Инвертирующий усилитель с G = -0,1: является ли он неустойчивым?
  19. Моделирование полосы усиления: базовая модель ОУ
  20. Ограничение скорости нарастания выходного сигнала ОУ
  21. Время установления: взгляд на форму сигнала
  22. Шум резисторов: обзор основных понятий

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее

Товары
Наименование
OPA209AIDBVT (TI)
OPA209AID (TI)
OPA209AIDGKT (TI)
OPA209AIDBVR (TI)
OPA209AIDR (TI)
OPA140AIDBVT (TI)
OPA140ATDD1 (TI)
OPA140AIDGKR (TI)
OPA140ATDD2 (TI)
OPA140AID (TI)
OPA211AID (TI)
OPA211AIDGKT (TI)
OPA211ID (TI)
OPA2111KP (TI)
OPA211MDGKTEP (TI)
OPA376AIDBVT (TI)
OPA376AID (TI)
OPA376AIDCKT (TI)
OPA376AIDBVTG4 (TI)
OPA376AIDCKTG4 (TI)