Шумы ОУ: как насчет резисторов обратной связи?

Продолжаем публикацию глав руководства Брюса Трампа, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей. В главах 23 и 24 автор исследует шум неинвертирующего усилителя и затрагивает вопрос о вкладе компонентов цепи обратной связи в общий шум схемы
905
В избранное

На сайте нашего партнера компании Компэл опубликованы главы руководства Брюса Трампа, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ). 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. Представляем вашему вниманию очередные главы из него.

Шумы операционного усилителя: неинвертирующая схема

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.

ris_58.png (38 KB)

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.

ris_59.png (83 KB)

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?

Шумы ОУ: как насчет резисторов обратной связи?

В главе, описанной выше, 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?

ris_60.png (36 KB)

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.

Предыдущие главы:

Источник: www.compel.ru

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
OPAMPEVM-SOIC
OPAMPEVM-SOIC
Texas Instruments
Арт.: 160396 ИНФО
Поиск
предложений
Universal EVM for Single/Dual/Quad OpAmps with/without Shutdown in SOIC Packages
OPAMPEVM-SOIC
-
Поиск
предложений
OPAMPEVM-PDIP
OPAMPEVM-PDIP
Texas Instruments
Арт.: 160423 ИНФО
Поиск
предложений
Universal EVM for Single/Dual/Quad OpAmps with/without Shutdown in PDIP Packages
OPAMPEVM-PDIP
-
Поиск
предложений
OPAMPEVM-SOT23SHDN
OPAMPEVM-SOT23SHDN
Texas Instruments
Арт.: 160424 ИНФО
Поиск
предложений
Universal EVM for Single/Dual OpAmps with Shutdown in MSOP/SOIC/SOT-23 Packages
OPAMPEVM-SOT23SHDN
-
Поиск
предложений
OPAMPEVM-MSOPTSSOP
OPAMPEVM-MSOPTSSOP
Texas Instruments
Арт.: 160425 ИНФО
Поиск
предложений
Universal EVM for Single/Dual/Quad OpAmps with/without Shutdown in MSOP/TSSOP Packages
OPAMPEVM-MSOPTSSOP
-
Поиск
предложений
DEM-OPA-SO-1A
DEM-OPA-SO-1A
Texas Instruments
Арт.: 269936 ИНФО PDF
Поиск
предложений
DEM-OPA-SO-1A Unpopulated PCB Compatible w/High Speed Wide Bandwidth Op Amps in 8-lead SOIC (D) Pkg
DEM-OPA-SO-1A
-
Поиск
предложений
DEM-OPA-SO-1B
DEM-OPA-SO-1B
Texas Instruments
Арт.: 269937 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Single op-amp SO-8 (Non-Inverting) generic evaulation module
DEM-OPA-SO-1B
-
Поиск
предложений
OPAMPEVM-SOT23
OPAMPEVM-SOT23
Texas Instruments
Арт.: 387061 ИНФО
Поиск
предложений
Universal EVM for Single/Dual OpAmps without Shutdown in MSOP/SOIC/SOT-23 Packages
OPAMPEVM-SOT23
-
Поиск
предложений
OPA209AIDBVT
OPA209AIDBVT
Texas Instruments
Арт.: 666162 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
2.2nV/rtHz, 18MHz, Precision, RRO, 36V Operational Amplifier 5-SOT-23 -40 to 125
OPA209AIDBVT
-
Поиск
предложений
OPA140AIDBVT
OPA140AIDBVT
Texas Instruments
Арт.: 791296 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
11MHz, Single Supply, Low Noise, Precision, Rail-to-Rail Output, JFET Amplifier 5-SOT-23 -40 to 125
OPA140AIDBVT
-
Поиск
предложений
DIP-ADAPTER-EVM
DIP-ADAPTER-EVM
Texas Instruments
Арт.: 1111445 ИНФО
Поиск
предложений
Макетная плата  DIP-адаптеров SMD микросхем.
DIP-ADAPTER-EVM
-
Поиск
предложений
AMPQUICKKIT-EVM
AMPQUICKKIT-EVM
Texas Instruments
Арт.: 1903294 ИНФО
Поиск
предложений
TI Precision Amplifier Quickstart Kit
AMPQUICKKIT-EVM
-
Поиск
предложений
DIYAMP-SOIC-EVM
DIYAMP-SOIC-EVM
Texas Instruments
Арт.: 2301535
Поиск
предложений
DIYAMP-SOIC-EVM
-
Поиск
предложений
DIYAMP-SOT23-EVM
DIYAMP-SOT23-EVM
Texas Instruments
Арт.: 2320760
Поиск
предложений
DIYAMP-SOT23-EVM
-
Поиск
предложений
DIYAMP-SC70-EVM
DIYAMP-SC70-EVM
Texas Instruments
Арт.: 2549437 ИНФО
Поиск
предложений
Оценочный модуль универсального DIY усилителя.
DIYAMP-SC70-EVM
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()