Шумы ОУ: как насчет резисторов обратной связи?

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

В предыдущей главе я исследовал шум неинвертирующего усилителя, но не поднял вопроса о вкладе компонентов цепи обратной связи в общий шум схемы. Итак, как насчет шумов от R1 и R2 на рисунке 60?

Рис. 60. Общий шум на инвертирующем входе включает тепловой шум резисторов обратной связи и шумовой ток ОУ, взаимодействующий с R1 и R2

Рис. 60. Общий шум на инвертирующем входе включает тепловой шум резисторов обратной связи и шумовой ток ОУ, взаимодействующий с R1 и R2

Общий шум на инвертирующем входе включает тепловой шум резисторов обратной связи и шумовой ток ОУ, взаимодействующий с R1 и R2. Вы можете рассчитать выходной сигнал, вызываемый этими источниками шума, используя базовые соотношения операционного усилителя:

  • напряжение теплового шума R1 усиливается с коэффициентом усиления -R2/R1;
  • напряжение теплового шума R2 поступает напрямую на выход;
  • шумовой ток инвертирующего входа, протекая через R2, формирует на выходе шум, равный IN ⋅ R2.

Эти источники шума не коррелированы, поэтому при расчете общего шума необходимо суммировать квадраты шумовых составляющих (формула 2). Существует более наглядный и интуитивно понятный способ оценить влияние этих источников шума. Было бы гораздо удобнее работать с источниками шума, если бы все они были подключены к неинвертирующему входу. Для этого можно разделить значение общего шума на выходе на значение коэффициента усиления. Этот способ приведения ко входу позволяет легко сравнивать влияние источников шума со входным сигналом.

Шум, приложенный к инвертирующему входу, определяется параллельным включением R1 и R2. При приведении к неинвертирующему входу общий тепловой шум R1 и R2 равен тепловому шуму сопротивления параллельно включенных резисторов R1 || R2. Вклад приведенного шумового тока на инвертирующем входе составляет IN ⋅ (R1 || R2). Таким образом, все определяется параллельным включением резисторов обратной связи.

Вклад шумового тока инвертирующего входа и резисторов R1 и R2 определяется по формуле 1:

$$Выходной\:шум^2=\left[V_{NR1}\times \left(\frac{R2}{R1} \right) \right]^2+V_{NR2}^2+(I_{N}\times R2)^2\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Для приведения шума к неинвертирующему входу необходимо разделить полученный результат на коэффициент усиления (формула 2):

$$Приведенный\:входной\:шум^2=V_{NR1\parallel R2}^2+\left(I_{N}\times R1\parallel R2 \right)^2 \qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

где VNR1 || R2 – тепловой шум параллельно включенных резисторов R1 || R2.

Этот результат открывает один из путей для достижения малого уровня шумов. Если сделать R1 || R2 < RS, то шумовой вклад от инвертирующего входа станет пренебрежимо мал. Если R1 || R2 = RS, то цепь обратной связи вносит такой же вклад в полный шум схемы, как и сопротивление источника RS, что может быть слишком большой величиной для некоторых приложений.

Обеспечить малое параллельное сопротивление достаточно легко при высоких коэффициентах усиления: значение R1 можно выбрать намного меньше, чем RS, а R2 может быть большим. При умеренном коэффициенте усиления добиться этого сложнее. G = 2 – худший случай, так как при этом номиналы R1 и R2 должны быть равны. Если, например, требуется сделать параллельное сопротивление 100 Ом, то R1 и R2 должны быть по 200 Ом. Тогда нагрузка резисторов обратной связи на выход усилителя составляет 400 Ом, что слишком мало в большинстве случаев.

Все вновь становится просто, когда коэффициент усиления приближается к G = 1. Тогда R1 имеет большой номинал, а R2 – маленький. Впрочем, такая схема встречается не часто, так как на первом усилительном каскаде малошумящего усилителя обычно используют высокое значение коэффициента усиления.

Хочется опровергнуть одно распространенное мнение: выбор большого номинала R2 не приводит к увеличению уровня шума. Если вы можете получить более высокий коэффициент усиления, увеличивая R2 и уменьшая R1, при этом поддерживая малое параллельное сопротивление, то шумовая характеристика остается постоянной.

Вы можете скачать excel-файл, чтобы рассчитать шумовые составляющие этого часто используемого входного усилительного каскада, включая шумы операционного усилителя и шум сопротивления источника. Excel-файл рассчитывает процентный вклад каждого источника шума и отображает общий шум в диапазоне значений сопротивления источника. Он также строит график шума в децибелах, который усилитель добавляет к тепловым шумам источника. Этот файл предоставляет простой и удобный способ оценки шумовых характеристик усилителя. Поработайте с ним, и вы быстро поймете, в чем заключаются проблемы и компромиссы при создании малошумящих схем.

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
  23. Шумы операционного усилителя: неинвертирующая схема

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
OPA828ID (TI)
OPA828IDR (TI)
OPA2210IDGKR (TI)
OPA2210IDGKT (TI)
OPA2156ID (TI)
OPA2156IDR (TI)
OPA1671IDCKT (TI)
OPA1671IDCKR (TI)
OPA2189IDGKT (TI)
OPA2189IDR (TI)
OPA2189ID (TI)
OPA2189IDGKR (TI)
Рубрики: