Каков эффект асимметрии напряжения питания в топологиях операционных усилителей?

Приведенные выше ответы в некотором смысле неудовлетворительны. У Энди неверное предположение и расчет, в то время как «заполнитель», по сути, говорит вам, что нельзя сказать ничего конкретного ... что не так.

Ошибка Энди состоит в том, что он предположил, что в числовом примере PSRR следует учитывать при частоте 1 кГц, но на самом деле его необходимо учитывать при постоянном токе, учитывая следующую постановку задачи (я цитирую на случай, если она изменится без предварительного уведомления [снова]):

Предположим, что я разрабатываю неинвертирующий усилитель с R1=100кОм и R2=1кОм. Напряжения питания; V+=+5,0 В и V-=-4,5 В. И мой операционный усилитель - MCP6V31. Каким будет выходное напряжение, если входное напряжение будет синусоидальным с частотой 1 кГц и размахом 10 мВ?

Таким образом, на графике мы ожидаем примерно -90 дБ PSRR при 0 Гц (постоянный ток), что соответствует смещению постоянного тока около 3 мВ на выходе. Для указанного входного сигнала это будет едва заметно, поскольку на выходе будет переменная составляющая 1 Впик-пик. Однако, если вы понизите входной сигнал до 10 мкВ, смещение постоянного тока на выходе, вызванное дисбалансом шины, безусловно, будет заметным. Доказательство от LTspice.

Вопрос в том виде, в котором он был задан:

Теперь сбрасываем входной сигнал до десяти микровольт pp.

Теперь на выходе есть видимое смещение постоянного тока. Просто чтобы убедить вас, что это вызвано в основном дисбалансом питания, ниже показано, что происходит, если вы используете идеально сбалансированные шины при том же входном сигнале 10 микровольт.

Здесь тоже есть некоторое смещение, вызванное другими неидеальными характеристиками ОУ (входное напряжение смещения, входные токи смещения), но оно намного меньше, чем то, которое было вызвано дисбалансом шин питания.

Очевидно, вы также можете быстрее обрезать негативную шину, если она смещена вверх более значительно (при достаточно большом входном сигнале). Я не добавляю график для этого, так как это довольно очевидно.

Если шины питания перемещаются вверх и вниз, вы можете увидеть, как это влияет на усилитель, посмотрев на график коэффициента отклонения источника питания (PSRR): -

Я взял это изображение из таблицы данных, и для сигнала 1 кГц, наложенного на шину питания (положительного или отрицательного), подавление составляет 45 дБ. Это означает, что если 1Vp-p 1kHz находится на шине питания, на входе есть эквивалентное напряжение: -

$V_{INPUT} = 10^{(\frac{-45}{20})} = 5.62mV_{P-P}$

Если ваш коэффициент усиления равен единице, вы увидите это напряжение на выходе. Если ваш коэффициент усиления равен 10, вы увидите в десять раз больше этого напряжения.

РЕДАКТИРОВАТЬ Строго говоря, вы должны использовать неинвертирующее усиление, чтобы определить шум источника питания, наблюдаемый на выходе операционного усилителя. Это означает, что для конфигурации инвертирующего операционного усилителя с коэффициентом усиления всего 0,01 шум источника питания на выходе умножается на 1,01, а не на 0,01. Входное напряжение 1 Впик-пик 1кГц, подаваемое через инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 0,01, будет давать выходное напряжение 10мВпик-пик, и если PSRR на частоте 1кГц составляет 45дБ и на любой шине питания имеется 1Впик-пик 1кГц, то все равно будет практически Шум на выходе 5,62 мВпик-пик, и это испортит сигнал.

ПССР в Википедии

Асимметрию рельсов трудно определить, не зная внутренней топологии операционного усилителя. Многие люди думают, что операционный усилитель — это операционный усилитель, но на самом деле существует множество различных реализаций, технологий и компромиссов.

Однозначных ответов вы не получите (разве что дизайнер тут притаился), но в целом асимметрия проявляется двояко. Во-первых, это отклонение сигнала, при смещении рельса диапазон работы также смещается, если у вас есть операционный усилитель с переключением между рельсами и вы перемещаете рельс, сигнал также будет двигаться.

Вторая проблема проявляется в продуктах искажения, часто внутренняя схема имеет дополнительные функции, одна относится к верхней направляющей, а другая - к нижней, и обе с немного разными рабочими точками, поскольку сигнал проходит через разные режимы работы преобразователя. В операционных усилителях возникают различные эффекты, проявляющиеся главным образом в виде продуктов искажения (или разницы в скорости нарастания).

Чтобы полностью понять это, вам нужно изучить операционный усилитель гораздо больше, чем вам действительно нужно.

Большинство ограничений встроены в таблицу данных. Если вы знаете, что делаете, вы можете получить подсказки относительно внутренней топологии.