Шум операционных усилителей: когда резистор находится на пути прохождения сигнала?

8

Меня смущает, когда резистор считается находящимся на пути прохождения сигнала, а когда его нет, когда дело доходит до расчета шума операционного усилителя. Например, возьмем следующую схему:

схематический

смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab

очень похожая схема опубликована в книге Дугласа Селфа, он упоминает, что единственным резистором в тракте сигнала (на неинвертирующем входе) является резистор 100 Ом R3, поэтому R1 и R2 не вносят вклад в шум. Насколько я понимаю, резистор можно смоделировать как идеальный резистор или резистор без шума последовательно с генератором шума, так что я думаю, например, что если я заменю R1 генератором шума, заданным как4КTВрс R1 последовательно, этот генератор шума должен быть усилен усилением шума операционного усилителя. Почему тогда R1 и R2 не находятся на пути прохождения сигнала?

Автор также упоминает следующую схему, которая представляет собой простой инвертирующий усилитель с резистором на неинвертирующем входе для компенсации токов смещения.

схематический

смоделировать эту схему

В этом случае автор упоминает, что резистор R3 вызывает шум, поэтому я не получаю его, в обеих цепях есть резистор, подключенный к неинвертирующему входу, но в первой цепи он не производит шум, но он производит шум в вторая цепь, так как я знаю, когда резистор производит шум (в тракте сигнала), а когда нет? это не кажется очень интуитивным.

Редактировать: я смоделировал первую схему и провел анализ шума, но я обнаружил, что если R3 малозначен, то изменение значения R1 или R2 не влияет на выходной шум, а шум зависит только от R3 (плюс резисторы обратной связи и шум усилителя и т. д. Я просто фокусируюсь на неинвертирующем входе), однако, если R3 не мало, тогда значение R1 или R2 действительно влияет на выходной шум, однако, я полагаю, это из-за эффекта делителя напряжения ослабляет шум первого резистора R3, а не потому, что R1 или R2 вносят вклад в общий выходной шум, так что, да, чтобы добавить к путанице, может показаться, что только R3 находится на пути сигнала неинвертирующего входа и R1 и R2 не дают никакого теплового шума на выходе, я не понимаю этого. Делая более простую симуляцию,

Я также смоделировал второй контур, и фактически R3 (из второго контура) влияет на выходной шум, если я изменяю его значение. Итак, мои наблюдения таковы: шунтирующие резисторы на неинвертирующем входе при использовании в качестве неинвертирующего усилителя не вносят вклад в шум, в то время как резистор на неинвертирующем входе при использовании в качестве инвертирующего усилителя действительно вносит вклад в шум.

Ss
источник
Ну, либо он допустил ошибку, либо вы не правильно ее прочитали. Ваша интуиция верна.
Эдгар Браун
Привет, Эдгар, пожалуйста, посмотри на мой отредактированный вопрос. Спасибо!
Сс

Ответы:

3

Все резисторы способствуют шуму. Глядя на схему более внимательно, я замечаю две вещи.

  1. Источники шума R1 и R2 сталкиваются с очень большим делителем, обеспечивающим ослабление шума примерно на 60 дБ.
  2. Эти источники шума сталкиваются с очень сильным фильтром нижних частот, еще больше снижая их спектр шума.

Но это не имеет ничего общего с «нахождением в тракте сигнала», если бы R3 был больше, а конденсаторы меньше, тогда их шумовой вклад был бы доминирующим, сохраняя при этом ту же топологию и частотную характеристику.

«Нахождение на пути прохождения сигнала» в лучшем случае является своего рода мнемоническим устройством, которое приводит вас к правильному выбору конструкции (т. Е. Делает R3 маленьким), но это не инструмент анализа цепей.

Когда резистор находится «на пути прохождения сигнала», это действительно означает, что на него и на сигнал влияют в равной степени, и в проекте вы ничего не можете сделать, чтобы уменьшить этот шум, который также не повлияет на сигнал. Поэтому вы должны сделать этот шумовой вклад как можно меньшим или постараться вообще его избежать.

Я разработал схемы с низким уровнем шума, в которых основными источниками шума являются транзисторы источника тока, смещающие транзистор в хвостовой части дифференциальных пар (в противоположном углу ИС). Там действительно не может быть что-то дальше от «пути сигнала», чем это.

Эдгар Браун
источник
Я смоделировал подобную схему только с резистором на неинвертирующем входе и источником напряжения параллельно, результаты одинаковы, никакого вклада в общий шум, поэтому даже без фильтра низких частот или делителя напряжения результаты одинаковы ,
Сс
1
@Ss Вам не нужен фильтр нижних частот, когда вы явно устанавливаете делитель с резистором 0 Ом. Что там остается на низких частотах? Вместо этого используйте текущий источник и посмотрите, что произойдет.
Эдгар Браун
Да, я думаю, что это просто щелкнуло, так что вы имеете в виду, что без R3 есть только источник напряжения параллельно с резистором, эффективно замыкающим R1 на землю?
Сс
@ Ss Да точно.
Эдгар Браун
Я сделал петли фазовой автоподстройки частоты, где в фазе-шуме преобладали текущие ссылки на зарядные насосы. В целом, это был малошумный дизайн с несколькими основными участниками, уже продвинутыми вниз; Изучив модель вкладчиков MATLAB для оценки нового доминирующего шума (мне не нужно было добиваться такой чистоты), смещение зарядного насоса было бы следующим. Забавно, что все лекарства, которые я реализовал, были в основном: СЖИГАТЬ БОЛЬШЕ ТОКА или увеличить емкость узла.
analogsystemsrf
1

В 1-м контуре, поскольку C1 достаточно высокий, мы можем считать его коротким:

схематический

смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab

Вы можете смоделировать резистор с любым из них;

  • бесшумный резистор с источником напряжения генератора шума последовательно,
  • или резистор без шума с параллельным источником тока генератора шума.

Итак, если мы заменим R2 и R1 на 2-ую модель, мы увидим, что источник тока генератора полного шума, n1 + n2, увидит тяжелый фильтр нижних частот (C2 = 100nF & R2 || R1 = 69k, что дает f C = 23 Гц):

схематический

смоделировать эту схему

Таким образом, шум, скорее всего, будет отфильтрован (помните, что параллельный RC-фильтр работает только в том случае, если он управляется источником тока)

Во втором контуре, если вы замените резистор моделью шума, вы увидите, что фильтрация отсутствует. Вероятно, поэтому шум полностью отражается на выходе.

Рохат Килич
источник
Обратите внимание, что я смоделировал схему без конденсаторов, например, только R1 и R3, и результаты такие же, без шума, поэтому должно быть что-то другое на работе, а не фильтр ...
Ss