ОУ, стабилизированные прерыванием: действительно ли они шумные?

Продолжаем публикацию глав руководства Брюса Трампа, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей. Главы 25 и 26 посвящены такому явлению как фликкер-шум и операционным усилителям, стабилизированным прерыванием, и их влиянию на 1/f-шум
2344
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.

1/f-шум: фликкер-шум

Низкочастотный 1/f-шум – довольно загадочное явление, его также называют фликкер-шумом (?icker-noise). На осциллографе с высоким разрешением развертки он имеет вид медленно меняющегося сигнала, на который накладывается более высокочастотный шум (рисунок 61). Еще одно название этого шума – розовый шум – также предполагает наличие значительных низкочастотных составляющих. Кажется, что фликкер-шум присутствует во всех физических системах и во всех естественных науках. Например, погодные/климатические модели имеют 1/f-компонент. Рассуждать о причинах его наличия в полупроводниках – слишком глубокая тема для данного руководства.

Сравнение белого шума (сверху) и 1/f-шума (снизу)

Рис. 61. Сравнение белого шума (сверху) и 1/f-шума (снизу)

Спектр фликкер-шума имеет номинальный наклон -10 дБ на декаду, что вдвое меньше, чем у RC-цепи. Обратите внимание, что квадрат его напряжения (или мощности) уменьшается со скоростью 1/f. Напряжение шума падает со скоростью 1/√f (F). Фактический наклон частотной характеристики может несколько меняться, но это не сильно сказывается на его поведении и не отменяет сделанных выводов.

Обычно спектр фликкер-шума выглядит неравномерным, с провалами и плоскими участками. Для получения плавного распределения потребуется накапливать и усреднять сигналы в течение длительного времени. Период переменных сигналов в полосе частот от 0,1 Гц составляет от 10 с, поэтому для получения хороших результатов для полосы 0,1 Гц необходимо усреднить много 10-секундных интервалов, что займет от пяти минут или больше. Сбор данных для диапазона частот от 0,01 Гц займет весь обед. При этом если вы выполните повторное измерение, результат, вероятно, будет выглядеть иначе. Шум сам по себе шумный, а 1/f-шум кажется более шумным, чем большинство других шумов (неужели я такое написал?).

Чтобы вычислить общий шум VB для частотного диапазона f1…f2, необходимо проинтегрировать функцию 1/f, что в результате даст натуральный логарифм от отношения частот f2/f1 (формула 1).

$$V_{B}^2=v_{a}^2\times f_{a}\times \int_{f_{1}}^{f_{2}}{\frac{1}{f}df}=v_{a}^2\times f_{a}\times \ln \left(\frac{f_{2}}{f_{1}} \right);\:V_{B}=v_{a}\times \sqrt{f_{a}\times \ln \left(\frac{f_{2}}{f_{1}} \right)},\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где va – плотность шума на частоте fa.

Рекомендуем обратить внимание:

  • Каждое увеличение частоты на декаду в равной степени влияет на значение полного шума. Каждая последующая декада имеет более низкую плотность шума, но больший диапазон частот.
  • По внешнему виду спектра можно сделать вывод о том, что 1/f-шум растет безгранично по мере увеличения периода измерений. Так и происходит, но рост очень медленный. Шум в полосе 0,1…10 Гц приблизительно удваивается с расширением диапазона частот до 3,17e-8 Гц при накоплении измерений в течение одного года. Добавьте еще шесть процентов в течение 10 лет.
  • Сложно, но не невозможно отфильтровать 1/f-шум. Фликкер-шум 0,1 Гц…1 кГц (четыре декады), отфильтрованный до 10 Гц (две декады), уменьшается всего на 3 дБ. Значения резисторов должны быть небольшими для получения малого уровня шума, что вынуждает использовать конденсаторы большой емкости для низкочастотного фильтрования.

Шум усилителя представляет собой комбинацию 1/f-шума и белого шума. Хотя белый шум присутствует на низких частотах, но основной вклад здесь вносит фликкер-шум (рисунок 62). Шум 1/f распространяется и на область высоких частот, но здесь уже доминирует белый шум. Эти две составляющие смешиваются на частоте излома (Corner Frequency), достигая 3 дБ.

Шум усилителя представляет собой комбинацию 1/f-шума и белого шума

Рис. 62. Шум усилителя представляет собой комбинацию 1/f-шума и белого шума

Для расчета значения полного шума усилителя необходимо проинтегрировать 1/f-шум по полосе f1…f2, а затем просуммировать с белым шумом с помощью корня из суммы квадратов этих составляющих.

Еще немного информации для размышлений:

  • N-кратное увеличение плотности фликкер-шума увеличивает частоту излома на N2;
  • значение общего шума полосы частот на декаду выше и ниже частоты излома, определяется белым шумом (68%), хотя составляющая 1/f-шума кажется больше.

Вы можете скачать файл excel, который вычисляет 1/f-шум и шум в полосе частот, а также строит график спектра, подобный представленному на рисунке 62. Поработайте с этим файлом, чтобы лучше понять суть проблемы.

Обычно усилители со входным каскадом на биполярных транзисторах (OPA211) имеют более низкий уровень фликкер-шума, но интегральные технологии нового поколения значительно улучшили качество FET- (JFET-) и КМОП-транзисторов. Операционные усилители OPA140 (JFET) и OPA376 (КМОП), например, имеют частоту излома 10 и 50 Гц соответственно. ОУ, стабилизированные прерыванием, или чопперные усилители (Chopper amplifiers) практически устраняют шум 1/f путем корректировки напряжения смещения.

ОУ, стабилизированные прерыванием: действительно ли они шумные?

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.

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).

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.

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
Доступно: 349 шт. от 1 шт. от 681,12
Выбрать
условия
поставки
Universal EVM for Single/Dual/Quad OpAmps with/without Shutdown in SOIC Packages
OPAMPEVM-SOIC от 1 шт. от 681,12
349 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPAMPEVM-PDIP
OPAMPEVM-PDIP
Texas Instruments
Арт.: 160423 ИНФО
Доступно: 124 шт. от 1 шт. от 681,12
Выбрать
условия
поставки
Universal EVM for Single/Dual/Quad OpAmps with/without Shutdown in PDIP Packages
OPAMPEVM-PDIP от 1 шт. от 681,12
124 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPAMPEVM-SOT23SHDN
OPAMPEVM-SOT23SHDN
Texas Instruments
Арт.: 160424 ИНФО
Доступно: 139 шт. от 1 шт. от 681,12
Выбрать
условия
поставки
Universal EVM for Single/Dual OpAmps with Shutdown in MSOP/SOIC/SOT-23 Packages
OPAMPEVM-SOT23SHDN от 1 шт. от 681,12
139 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPAMPEVM-MSOPTSSOP
OPAMPEVM-MSOPTSSOP
Texas Instruments
Арт.: 160425 ИНФО
Доступно: 154 шт. от 1 шт. от 681,12
Выбрать
условия
поставки
Universal EVM for Single/Dual/Quad OpAmps with/without Shutdown in MSOP/TSSOP Packages
OPAMPEVM-MSOPTSSOP от 1 шт. от 681,12
154 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPA211AID
OPA211AID
Texas Instruments
Арт.: 242832 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 597 шт. 414,00
Operational Amplifier (Op-Amp) IC; No. of Amplifiers:1; Op Amp Type:Low Offset Voltage; Gain Bandwidth -3db:45MHz; Slew Rate:27V/чs; Supply Voltage Min:4.5V; Supply Voltage Max:36V; No. of Pins:8
OPA211AID 414,00
206 шт.
(на складе)
391 шт.
(под заказ)
DEM-OPA-SO-1A
DEM-OPA-SO-1A
Texas Instruments
Арт.: 269936 ИНФО PDF
Доступно: 561 шт. от 1 шт. от 681,12
Выбрать
условия
поставки
DEM-OPA-SO-1A Unpopulated PCB Compatible w/High Speed Wide Bandwidth Op Amps in 8-lead SOIC (D) Pkg
DEM-OPA-SO-1A от 1 шт. от 681,12
561 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
DEM-OPA-SO-1B
DEM-OPA-SO-1B
Texas Instruments
Арт.: 269937 ИНФО PDF
Доступно: 113 шт. от 1 шт. от 681,12
Выбрать
условия
поставки
Single op-amp SO-8 (Non-Inverting) generic evaulation module
DEM-OPA-SO-1B от 1 шт. от 681,12
113 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPA376AIDBVT
OPA376AIDBVT
Texas Instruments
Арт.: 272024 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 2932 шт. 75,00
Operational Amplifier (Op-Amp) IC; No. of Amplifiers:1; Op Amp Type:Low Offset Voltage; Gain Bandwidth -3db:5.5MHz; Slew Rate:2V/чs; Supply Voltage Min:2.2V; Supply Voltage Max:5.5V; No. of Pins:5
OPA376AIDBVT 75,00
1518 шт.
(на складе)
1414 шт.
(под заказ)
OPA211AIDG4
OPA211AIDG4
Texas Instruments
Арт.: 321237 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 385 шт. от 1 шт. от 991,32
Выбрать
условия
поставки
IC, OP AMP LOW NOISE, PRECISION
OPA211AIDG4 от 1 шт. от 991,32
385 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPA2111AM
OPA2111AM
Texas Instruments
Арт.: 385752 ИНФО PDF AN RD NRND
Доступно: 141 шт. от 3 шт. от 2695,85
Выбрать
условия
поставки
IC OPAMP GP 2 CIRCUIT TO99-8
OPA2111AM от 3 шт. от 2695,85
141 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPA2111KM
OPA2111KM
Texas Instruments
Арт.: 385754 ИНФО PDF AN RD NRND
Доступно: 149 шт. от 3 шт. от 2553,67
Выбрать
условия
поставки
IC OPAMP GP 2MHZ DUAL TO-99-8
OPA2111KM от 3 шт. от 2553,67
149 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPA211AIDRG4
OPA211AIDRG4
Texas Instruments
Арт.: 385758 ИНФО PDF AN RD
от 2500 шт. от 393,94
Поиск
предложений
IC OPAMP GP R-R 80MHZ SGL 8SOIC
OPA211AIDRG4 от 2500 шт. от 393,94
-
Поиск
предложений
OPA376AID
OPA376AID
Texas Instruments
Арт.: 386524 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 2153 шт. 78,00
Precision, Low Noise, Low Iq Operational Amplifier 8-SOIC -40 to 125
OPA376AID 78,00
368 шт.
(на складе)
1785 шт.
(под заказ)
OPA376AIDCKR
OPA376AIDCKR
Texas Instruments
Арт.: 386528 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 2319 шт. от 1 шт. от 164,81
Выбрать
условия
поставки
OP-AMP, 5.5MHZ, 2V/US, SC-70-5
OPA376AIDCKR от 1 шт. от 164,81
2319 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPAMPEVM-SOT23
OPAMPEVM-SOT23
Texas Instruments
Арт.: 387061 ИНФО
Доступно: 561 шт. от 1 шт. от 681,12
Выбрать
условия
поставки
Universal EVM for Single/Dual OpAmps without Shutdown in MSOP/SOIC/SOT-23 Packages
OPAMPEVM-SOT23 от 1 шт. от 681,12
561 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPA140AID
OPA140AID
Texas Instruments
Арт.: 623675 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 892 шт. от 1 шт. от 428,04
Выбрать
условия
поставки
11MHz, Single Supply, Low Noise, Precision, Rail-to-Rail Output, JFET Amplifier 8-SOIC -40 to 125
OPA140AID от 1 шт. от 428,04
892 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPA140AIDGKT
OPA140AIDGKT
Texas Instruments
Арт.: 623677 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 931 шт. от 1 шт. от 410,49
Выбрать
условия
поставки
OP AMP, 11MHZ, 20V/US, 120UV, MSOP-8
OPA140AIDGKT от 1 шт. от 410,49
931 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
OPA140AIDBVT
OPA140AIDBVT
Texas Instruments
Арт.: 791296 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 1057 шт. 179,00
11MHz, Single Supply, Low Noise, Precision, Rail-to-Rail Output, JFET Amplifier 5-SOT-23 -40 to 125
OPA140AIDBVT 179,00
224 шт.
(на складе)
833 шт.
(под заказ)
DIP-ADAPTER-EVM
DIP-ADAPTER-EVM
Texas Instruments
Арт.: 1111445 ИНФО
Доступно: 373 шт. 678,00
Макетная плата  DIP-адаптеров SMD микросхем.
DIP-ADAPTER-EVM 678,00
16 шт.
(на складе)
357 шт.
(под заказ)
AMPQUICKKIT-EVM
AMPQUICKKIT-EVM
Texas Instruments
Арт.: 1903294 ИНФО PDF
Доступно: 126 шт. от 1 шт. от 3016,74
Выбрать
условия
поставки
TI Precision Amplifier Quickstart Kit
AMPQUICKKIT-EVM от 1 шт. от 3016,74
126 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
DIYAMP-SOIC-EVM
DIYAMP-SOIC-EVM
Texas Instruments
Арт.: 2301535 ИНФО
Доступно: 183 шт. от 1 шт. от 2080,51
Выбрать
условия
поставки
Универсальная PCB  для усилителей TI в корпусах SOIC.
DIYAMP-SOIC-EVM от 1 шт. от 2080,51
183 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
DIYAMP-SOT23-EVM
DIYAMP-SOT23-EVM
Texas Instruments
Арт.: 2320760
Доступно: 183 шт. от 1 шт. от 2080,51
Выбрать
условия
поставки
DIYAMP-SOT23-EVM от 1 шт. от 2080,51
183 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
DIYAMP-SC70-EVM
DIYAMP-SC70-EVM
Texas Instruments
Арт.: 2549437 ИНФО
Доступно: 176 шт. от 1 шт. от 2080,51
Выбрать
условия
поставки
Оценочный модуль универсального DIY усилителя.
DIYAMP-SC70-EVM от 1 шт. от 2080,51
176 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()