ОУ, стабилизированные прерыванием: действительно ли они шумные?

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

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. Выходной ток, вызванный напряжением смещения, заряжает выходной конденсатор С1. Напряжение на С1 то увеличивается, то уменьшается с равной скоростью. Внутренняя логика обеспечивает равное время нарастания и спада, поэтому среднее выходное напряжение на C1 равно нулю. Таким образом, мы получаем нулевое смещение.

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

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

Список всех 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
  23. Шумы операционного усилителя: неинвертирующая схема
  24. Шумы ОУ: как насчет резисторов обратной связи?
  25. 1/f-шум: фликкер-шум

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
OPA211AID (TI)
OPA211AIDGKT (TI)
OPA211ID (TI)
OPA2111KP (TI)
OPA2111 (TI)
OPA211AIDRGR (TI)
OPA211IDRGR (TI)
OPA140AIDBVT (TI)
OPA140AIDGKR (TI)
OPA140ATDD2 (TI)
OPA140AID (TI)
OPA140AIDGKT (TI)
OPA140AIDBVR (TI)
OPA140AIDR (TI)
OPA376AIDBVT (TI)
OPA376AID (TI)
OPA376AIDCKT (TI)
OPA376AIDBVR (TI)
OPA376AIDCKR (TI)
OPA376AIDG4 (TI)