Что движущиеся рельсы (смещение напряжения на рельсах) делают с операционным усилителем?

Поскольку я потратил значительную часть своей карьеры, пытаясь сделать рельсы ОУ максимально устойчивыми при их предполагаемом напряжении, я действительно не тратил время на размышления о том, что произойдет, если рельсы отойдут от фиксированного значения. Поскольку я только кратко изучил внутреннюю работу операционных усилителей, я не уверен, что смогу дать определенный ответ.

Итак, что происходит с сигналом, если рельсы движутся? (давайте просто скажем, что там медленно, например, менее 5 Гц, может быть время от времени сдвиг на 1 В) Это больше, чем просто ограничение на разных уровнях?

Теоретически, операционный усилитель должен работать независимо от того, что делает источник питания.

Когда мы покидаем теоретическую модель операционного усилителя (помните, что на базовом символе даже нет контактов питания, только IN +, IN- и OUT), мы должны учитывать все больше и больше деталей, вносимых реальной схемой.

Многие, конечно, будут очевидны для вас, но, поверьте мне, мы в конечном итоге найдем ответ.

Во-первых, выход никогда не может превышать напряжение, подаваемое на усилитель.

Затем производительность ухудшается, когда выход пытается поднять или подтянуть напряжение рядом с рельсами. Это, конечно, будет сильно зависеть от конструкции операционных усилителей - и усилитель Rail-to-Rail обещает дать вам все доступное напряжение на выходе.

Пока мы смотрим на операционный усилитель с постоянным током, любой сигнал в пределах спецификации максимального выходного колебания будет работать, и вы можете обеспечить операционный усилитель любыми положительными и отрицательными напряжениями, допустимыми в техническом паспорте (относительно друг друга и на землю, но имейте в виду, что операционный усилитель не может узнать, где на самом деле находится заземление; подача +3 В и -7 В вообще не проблема - и ваш усилитель будет пытаться работать в этом диапазоне 10 В).

Внутренние источники тока, дифференциальные каскады и драйверы выходов спроектированы таким образом, что OpAmp устраняет любые изменения в шинах питания настолько быстро, насколько это возможно.

Только если изменения в рельсах питания меняются достаточно быстро, вы начнете замечать эффект. Обычно это устанавливается где-то между 100 Гц и примерно 10 кГц.

И лучшая часть: это указано в техпаспорте; ищите PSRR (коэффициент отклонения электропитания).

Это значение обычно очень высокое для постоянного тока на низких частотах (60 ... 120 дБ) и начинает ухудшаться с тем, что выглядит как простая характеристика нижних частот выше определенной точки. Обратите внимание, что мы говорим об отклонении , так что на самом деле это высокочастотный проход, хотя наклон на диаграмме уменьшается:

Обратите внимание, что текст на изображении говорит: ± 15 В - так что же на самом деле делается с выводами питания OpAmp?

Как и с любой хорошей спецификацией, есть также тестовая схема, которая сообщает вам, как она измеряется:

Это также объясняет, почему на диаграмме есть две линии (-PSR и + PSR). Например, внутренние источники тока OpAmp иногда подают свои нагрузки из положительного источника, иногда в отрицательный источник, и внутренняя конструкция не является абсолютно симметричной.

Возьмите добрый 741 в качестве примера:

Только выходной каскад с правой стороны симметричен, все остальное - нет. Более продвинутые части все еще будут следовать этому основному принципу в определенной степени.

В двух словах: для DC и низких частот посмотрите спецификации DC (от шины к шине с какими ограничениями для усиления и искажения?). Для более высоких частот, посмотрите на PSRR. Если вы примените шаг к напряжению питания, у вас будет смесь, потому что шаг состоит из некоторой высокочастотной части, помимо очевидного перехода с одного уровня постоянного тока на другой уровень постоянного тока, что приводит к возмущению на выходе, вызванному любым более высоким -частотная часть шага, которая не может быть отклонена операционным усилителем.

На то, что я не раскрыл здесь, можно ответить в учебном пособии Analog Devices MT-043 . Это также, где я взял изображения (кроме схемы 741).

Да, есть эффекты переменного тока. В техническом описании операционного усилителя должен быть указан коэффициент отклонения источника питания, который дает максимальный эффект, который изменение источника питания будет иметь на выходе. Это довольно высокая цифра - даже у древних 741 есть типичная цифра в диапазоне 90 дБ - но это может быть значительным, если изменение выходной мощности вызывает дальнейшие изменения напряжения источника питания и, следовательно, создает петлю обратной связи, которая может привести к колебаниям.

Очевидно, как вы понимаете, это в дополнение к любым прямым эффектам, таким как полагаться на работу между входами и выходами.

Есть принятый ответ, но я хотел бы привести конкретный пример: усилители мощности звука.

Они обычно питаются от нерегулируемых рельсов. Ожидайте пульсацию в несколько вольт на частоте выпрямленной сети переменного тока, часто больше в зависимости от текущих требований. Когда выпрямительные диоды не являются проводящими, что составляет большую часть времени, напряжение питания уменьшается в соответствии с выходным током, деленным на значение большого питающего конденсатора.

Кроме того, напряжение на шине будет меняться в зависимости от амплитуды сигнала. При прослушивании более громкие части будут потреблять больший ток, снижая напряжение на шине. Тихих частей не будет. Таким образом, напряжение на шине колеблется в диапазоне 0,1-2 Гц в дополнение к частоте выпрямленной сети.

Эти усилители обычно реализуются как дискретные операционные усилители, что позволяет несколько приемов увеличить PSRR. Дискретный операционный усилитель имеет клемму GND, поэтому внутренние узлы, наиболее чувствительные к источнику питания, можно обойти на землю с помощью дешевого конденсатора. Компенсационный конденсатор является основным источником плохого PSRR в операционных усилителях, поскольку он должен быть связан с одним из источников питания. В дискретном операционном усилителе это может быть смягчено.

В результате вы можете получить огромную рябь на рельсах без каких-либо проблем. Фактически, усилители мощности с регулируемыми рельсами очень экзотичны, встречаются только в мегабак-аудиофиле, и, на самом деле, трата денег.

Так вот пример из реальной жизни;)

что происходит с сигналом, если рельсы движутся? (давайте просто скажем, что там медленно, например, менее 5 Гц, может быть время от времени сдвиг на 1 В) Это больше, чем просто ограничение на разных уровнях?

LF PSRR огромен, поэтому ничего не происходит.

Операционные усилители имеют низкую ВЧ PSRR, и поэтому им не нравится плохая развязка, которая создает высокочастотные звуки на источниках питания или другие источники высокочастотных помех, такие как плохо отфильтрованные переключающие регуляторы. Изменение напряжения питания НЧ не должно иметь никакого значения. Возможно, смещение напряжения может дрейфовать из-за тепловых эффектов, но это должно быть крошечным.