Повторитель напряжения ОУ со слабой положительной обратной связью

Я пытаюсь получить некоторое интуитивное понимание следующей схемы:

схематический

смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab

Это простой повторитель напряжения с короткой дорожкой между выходом и инвертирующим входом. Также имеется обратная связь на неинвертирующий вход с существенно более высоким сопротивлением. Поэтому я бы предположил, что обратная связь практически полностью отрицательная, и схема должна вести себя как простой повторитель напряжения. Действительно, кажется, что рабочая точка воспроизводит V1 как выходное напряжение.

Однако при моделировании в LTspice я наблюдаю сильный шум, исходящий от R2. Теперь тепловой шум резистора R2 будет около 0,41 нВ/ртГц. И коэффициент усиления схемы равен 1, как упоминалось ранее. Но LTspice сообщает о 41 нВ/ртГц как о шуме на выходе и приписывает практически все это шуму R2.

Почему шум R2 увеличивается с коэффициентом R1/R2?

Шум резистора R3 усиливается во столько же раз, хотя и не в этом пути обратной связи.

Почему шум R3 увеличивается с коэффициентом R1/R2?

Может быть полезно, если вы нарисуете модель схемы, показывающую источники шума, как показано в этом справочнике «Анализ шума в схемах операционных усилителей»: ti.com/lit/an/slva043b/slva043b.pdf . Изоляция источника шума может дать представление о коэффициенте усиления шума.
Какую модель вы используете для операционного усилителя в LTspice? Вы уверены, что он не колеблется?
Я полагаю, что шум, который вы видите, связан с R1. Он в 100 раз выше, чем R2, и шум в 100 раз выше, чем у резистора 10 Ом при 30°C, И R1 в сто раз выше, чем R2. Может совпадение?
@ElliotAlderson Это универсальный операционный усилитель уровня 1 по умолчанию. Сам операционный усилитель бесшумный. Операция Point and Transient выглядит стабильно.

Ответы (1)

Любое напряжение, генерируемое на резисторе R2 из-за шума, вызовет дисбаланс напряжений на двух входах операционного усилителя.

Выход будет двигаться в таком направлении, чтобы противодействовать этому дисбалансу.

Из-за затухания между выходом и входом, вызванного соотношением резисторов R1 и R2, для компенсации выход должен двигаться примерно в 100 раз больше.

Аналогичный эффект наблюдается для любого шума, создаваемого резистором R3.

Шум от R1 испытывает общее усиление единицы.

Очень редко конфигурация, подобная показанной, будет использоваться в какой-либо практической схеме по причинам, которые вы обнаружили. Тем не менее, иногда это может быть хорошим решением для повышения стабильности схемы за счет намеренного уменьшения коэффициента усиления контура, даже если это ухудшит шумовое усиление.

Проблема подпадает под общий термин «усиление шума», когда усиление шума может значительно отличаться от усиления полезного сигнала. Это особенно проблема в некоторых схемах, таких как трансимпедансные усилители, где емкость устройства, такого как фотодетектор, может вызвать усиление шума непропорционально сигналу фотодетектора.

Спасибо. Звучит настолько логично, что кажется неловким спрашивать вообще - признак хорошего ответа 😊. Однако разве напряжение на резисторе R1 не вызовет такой же дисбаланс и отклик 🤔 Шумовое усиление резистора R1, по данным LTspice, кажется равным ~1.
@tobalt - шумовое усиление R3 также составляет около 100. Если, например, вы замените R3 батареей на 1 В, напряжение на R2 должно быть 1 В, чтобы операционный усилитель был сбалансирован. Для этого потребуется 100 В на R1, что приведет к 101 В на выходе из сигнала 1 В на R3.
@tobalt - ой. Да, шумовое усиление R1 равно единице. Оно неотличимо от напряжения на входе V1. Любой шум от R1 ослабляется в 101 раз на неинвертирующем входе, а затем умножается на 101 на выходе, что дает общее усиление, равное единице.
It is very rare that a configuration such as that shown would be used in any practical circuit for the reasons you have found.Проблема в том, что иногда этого нельзя избежать: рассмотрим повторитель напряжения с R3=1МОм, R2=1ГОм. Обычно это нормально, но если импеданс вашего источника равен 10 ГОм, шум резко возрастает. Чтобы не усиливать шум, R2 всегда должно быть выше импеданса источника, что становится проблемой для конструкций электрометров.
@tobalt - В электрометре R2 не было бы.
R2 существует всегда. Вопрос в том, насколько большим его можно сделать.
@tobalt - редко бывает обратная связь от вывода к вводу. Произойдет утечка на землю или питание. Эта утечка может быть фемтоампер на современном электрометре.
Повторитель напряжения ОУ со слабой положительной обратной связью
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v