Lợi ích của nhiều giai đoạn tăng op-amp trong chuỗi?

Tôi hơi lạc lõng về việc nhiều op-amps trong chuỗi sẽ hoạt động như thế nào. Trường hợp sử dụng của tôi sẽ là khuếch đại tín hiệu âm thanh điện áp thấp (4-50mVRMS) lên khoảng 8VRMS.

Tôi chỉ tìm thấy tài liệu về mức tăng sẽ ảnh hưởng đến sản phẩm băng thông của amp, nhưng tôi bị mất khi bị nhiễu và méo tiếng. Tôi đã hy vọng đạt được hiệu suất tốt hơn về việc khuếch đại tín hiệu khi sử dụng nhiều giai đoạn khuếch đại nối tiếp, nhưng không tìm thấy bất kỳ tài liệu nào có thể đề xuất cải thiện hiệu suất khi thực hiện.

Có bất kỳ lợi ích nào trong việc kết nối nhiều ampe với nhau ngoài việc cải thiện sản phẩm băng thông của mạch không?

Tiếng ồn:

Giả sử opamp của bạn có GBW là 10 MHz và tiếng ồn là 1 EDV (để mọi thứ đơn giản). Nguồn này cũng có 1 tiếng ồn RMS RMS.

Mỗi opamp sẽ khuếch đại tiếng ồn riêng của nó bằng mức tăng nhiễu của mạch, cộng với tiếng ồn của mọi thứ ngược dòng, tất nhiên, bằng mức tăng của mạch. Vì vậy, bạn muốn mức tăng của giai đoạn đầu tiên đủ cao (giả sử, ít nhất là 10) để tiếng ồn của nguồn và opamp đầu tiên (hiện được khuếch đại 10 lần) chi phối tiếng ồn được thêm vào bởi các opamp khác ở phía dưới.

Nên ở đây:

• nói rằng chúng tôi muốn tăng 100, opamp thứ nhất có được G1 = 10, thứ 2 có được G2 = 10.

Opamp thứ nhất khuếch đại nhiễu nguồn (1 ĐVV), cộng với (1 LV) của G1, điều này cộng vào RMS, do đó, ở đầu ra của OPA1, chúng tôi đã nhận được 14VV, sau đó được khuếch đại bởi G2 và chúng tôi có nhiễu 141.7.

• G1 = 1, G2 = 100

Opamp thứ nhất chỉ đơn giản là thêm tiếng ồn của riêng nó vào nguồn (1,4 ĐVV ở đầu ra), sau đó opamp thứ hai thêm tiếng ồn riêng và khuếch đại 100 lần. Chúng tôi nhận được tiếng ồn 172VV ở đầu ra.

Điều này chỉ quan trọng nếu nguồn có độ ồn thấp. Nếu tiếng ồn nguồn cao hơn những gì OPA1 sẽ thêm vào, thì nó ít quan trọng hơn nhiều.

Lưu ý: Điều này cũng áp dụng cho điện áp bù, đôi khi có thể là bộ giải quyết.

Méo mó:

Opamp của bạn có GBW là 10 MHz. Bạn muốn đạt được 160-2000.

Với một opamp, bạn dành 2000 GB GBW để kiếm được. Vì vậy, chỉ còn lại 10M / 2000 = 5kHz GBW để sửa méo và, thậm chí quan trọng hơn, thực sự xử lý tín hiệu!

Ở đây, mạch sẽ có băng thông vòng kín khoảng 5kHz, và độ méo khủng khiếp trên vài trăm hertz, vì có rất ít vòng lặp để điều chỉnh các phi tuyến opamp.

Nếu cả hai opamp giống hệt nhau, độ méo tốt nhất sẽ đạt được bằng cách chúng chia sẻ mức tăng bằng nhau, tức là cả hai đều có mức tăng 44, sản phẩm trong đó là 1936.

Điều này có thể can thiệp vào các cân nhắc tiếng ồn, nhưng trong trường hợp này, nó không nên.

Nếu điều này là cho DC chính xác, hãy nhớ độ chính xác của vòng lặp kín phụ thuộc vào mức tăng vòng lặp mở có sẵn (GBW chia cho Gain).

Gotchas

Các opamp đầu tiên không cần phải là ray với đường ray, cũng không phải dòng điện đầu ra cao, điều này mang đến sự lựa chọn rộng hơn cho các opamp có độ ồn thấp hoặc độ chính xác. Ổ đĩa hiện tại đầu ra và tốc độ quay của nó ít hơn so với opamp thứ hai (xem câu trả lời của Null).

Bộ khuếch đại thứ hai không cần phải có giai đoạn đầu vào có độ chính xác cao, cũng không cần phải là FET, vì nó được điều khiển từ trở kháng thấp. Nó có thể có ổ đĩa đầu ra mạnh mẽ, hoặc đường sắt đến đường sắt, nếu cần. Hoặc nó chỉ có thể rẻ hơn ...

Nhưng ... méo chế độ chung ở giai đoạn đầu vào ở chế độ không đảo ngược sẽ tồi tệ hơn trong opamp thứ hai (điều tốt là đó không phải là JFE).

Ngoài việc cải thiện sản phẩm băng thông khuếch đại của mạch, việc chia bộ khuếch đại thành nhiều giai đoạn cho phép bạn sử dụng chọn các ampe kế khác nhau được thiết kế để vượt trội ở các đặc điểm cụ thể. Ví dụ: bạn có thể chọn op amp có các đặc tính đầu vào tốt (nghĩa là bù thấp, nhiễu thấp, v.v.) cho giai đoạn đầu tiên và op amp (có thể khác nhau) với các đặc tính đầu ra tốt (xoay điện áp đầu ra tối đa, dòng điện đầu ra tối đa, v.v.) cho giai đoạn cuối. Chỉ với một giai đoạn, bạn sẽ phải tìm một amp op toàn bộ giao dịch có các đặc tính đầu vào và đầu ra đủ tốt (chưa kể đến một sản phẩm có băng thông khuếch đại đủ cao).

Các đặc tính đầu vào của op amp giai đoạn đầu là quan trọng nhất vì tất cả các tính phi lý tưởng đầu vào của op amp (bù, nhiễu, v.v.) đều được khuếch đại đầy đủ cùng với tín hiệu (vì chúng được khuếch đại bởi tất cả các giai đoạn). Không lý tưởng trong các ampe kế cho các giai đoạn thứ hai, thứ ba, v.v. không được khuếch đại đầy đủ và không đáng lo ngại lắm. Ngược lại, op amp giai đoạn đầu tiên không cần các đặc tính đầu ra tốt vì đầu ra của nó sẽ không dao động nhiều như các giai đoạn sau và đang điều khiển tải trở kháng tương đối cao (giai đoạn op amp tiếp theo).

Op amp giai đoạn cuối có thể có các đặc tính đầu vào tồi tệ nhất vì tín hiệu ở đầu vào của nó được khuếch đại gần như hoàn toàn và lớn hơn nhiều so với offset của op amp, nhiễu, v.v. Tuy nhiên, op amp giai đoạn cuối cần các đặc tính đầu ra tốt. Ví dụ, xoay điện áp đầu ra tối đa của op amp phải đủ cho dao động điện áp đầu ra tín hiệu yêu cầu (8 Vrms trong trường hợp của bạn) và nó phải có tốc độ xoay đủ cho tín hiệu khuếch đại của bạn. Op amp giai đoạn cuối cùng cũng có thể cần phải lái một tải trở kháng thấp, trong trường hợp đó nó cần có khả năng nguồn / chìm thêm dòng điện đầu ra.

Nếu tiếng ồn là một mối quan tâm, bạn cũng có thể xem xét sử dụng các giai đoạn lọc băng thông hoạt động op amp bổ sung để giảm tiếng ồn ngoài băng tần. Các giai đoạn này có thể không cung cấp mức tăng tín hiệu, nhưng chúng sẽ cải thiện hiệu suất của bộ khuếch đại tổng thể.

Để đưa ra một ví dụ cụ thể, tôi đã từng thiết kế một bộ tiền khuếch đại micro có độ ồn thấp dựa trên amp amp độ chính xác độ ồn thấp TLE2027 . Nó có các đặc tính đầu vào rất tốt, nhưng các đặc tính đầu ra của nó không phải là tốt nhất. Đặc biệt, tốc độ quay của nó chỉ được đảm bảo theo thứ tự$1\text{ V}/{\mu\text{s}}$qua nhiệt độ (giới hạn thông số kỹ thuật khác nhau giữa các phiên bản - xem biểu dữ liệu). Tuy nhiên, đối với tín hiệu đầu ra 8 Vrms ở 20 kHz, bạn sẽ cần tốc độ xoay$8\text{ V}\times \sqrt{2} \times 2\pi\times 20{\text{ kHz}} \approx 1.4\text{ V}/{\mu\text{s}}$. Nó cũng không phải là rail-to-rail ở đầu ra - tín hiệu đầu ra có thể được cắt bằng op amp này, tùy thuộc vào điện áp cung cấp của bạn (ví dụ: nếu bạn sử dụng pin 9 V). Bạn có thể sẽ cần phải sử dụng một op amp khác cho giai đoạn cuối trong bộ khuếch đại của mình.

Thiết kế của bạn [Av = 2.000x, DC - 20KHz + -0.1dB, SNR = 120dB (sàn 20 bit)] có thể được thực hiện với một OpAmp không? Đây là cho âm thanh 20 hoặc 24 bit?

chỉnh sửa [một opamp có thể điều khiển nhu cầu sạc đầu vào ADC của mạch giữ mẫu ADC, nhưng giải quyết rất nhanh không?]

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Đầu tiên, Rnoise cần gì? Với độ ồn 120dB dưới 4 milliVolts RMS, bạn cần 4 nanoVol TOTAL INEGUT INPUT-REAXRED NOISE. Nghĩa là, nhiễu phải nhỏ hơn 10 ^ -6 so với mức đầu vào tối thiểu; 4mV * 1e-6 = 4 nanoVolts RMS. Trong băng thông 20KHz. Để tính toán Rnoise (tổng của tất cả những người đóng góp tiếng ồn ngẫu nhiên trong giai đoạn đầu tiên đó), hãy chia tổng số nhiễu tham chiếu đầu vào tích hợp cho bình phương băng thông, do đó: 4nV / sqrt (20.000) = 4nV / 141 = 30 mật độ nhiễu picoVolt cho mỗi gốc hertz . Với 66 Ohms Rnoise tạo ra mật độ nhiễu 1nanovolt / rtHz và 66 milliOhms Rnoise (vâng, << một ohm) tạo ra 1nV / sqrt (1.000) = 33 picoVolts, bạn không thể đạt được tín hiệu RMS 120dB chỉ với 4 milliVolts. Tại sao? OpAmp Rnoise thấp nhất là khoảng 10 ohms, và thường là 50 ohms; các điện trở được thiết lập bên ngoài phải khá lớn [>>> 66 milliOhms, để tránh biến dạng nhiệt; ngay cả như vậy, bạn sẽ cần bao gồm bộ đệm đầu ra sau opamp, để tránh biến dạng nhiệt].

Bây giờ về UnityGainBandWidth của OpAmp: bạn sẽ cần F3dB khoảng 200KHz để có 20KHz + -0.1dB. Và bạn muốn đạt được độ chính xác 2.000X. UGBW là F3dB * Av = 200.000Hz * 2.000 = 400.000.000. Sử dụng một opamp với UGBW cao đó là một thách thức lớn.

Nếu bạn muốn chụp ảnh âm thanh nổi, bạn sẽ cần tăng / pha kênh trái phải, do đó, các opamp của bạn cần đủ mức tăng vượt mức để kiểm soát chính xác mức tăng / pha lên tới 20.000Hz. Tóm lược? 0,1dB? đặt F3dB ở mức 200.000Hz. Một opamp UGBW 10 MHz cho phép đạt được 10.000.000 / 200.000 = 50X.

Điều gì là hợp lý để cố gắng? Chuỗi tín hiệu opamp nhiều tầng; opamp đầu tiên với Rnoise 50 hoặc 60 ohms và UGBW là 10 MHz; bạn sẽ cần đầu ra RMS 50m * 50X = 2,5 volt ở 20KHz. SlewRate là 2,5 * 1.414 * 20.000 * 6.28 = 500.000 volt / giây. Từ đó opamp đầu tiên.

Ở giữa opamp thứ nhất và thứ hai, bạn sẽ cần một số loại suy hao biến đổi, hay còn gọi là điều khiển âm lượng.

Opamp thứ 2 có thể giống như lần đầu tiên, với mức tối thiểu 15 volt / uS. Walt Jung có lời khuyên về việc chọn opamp để cung cấp độ méo thấp ở độ cao cao.

Kết quả? độ chính xác đạt 2.500x hoặc 2.000x; SNR là 4mV / (1nV * sqrt (20.000) hoặc 4mVolt / 141nanoVolt hoặc 28.000 (89dB SNR). Biến dạng SlewRate là tùy thuộc vào bạn.

biên tập

Nếu đầu ra RMS 8 volt này cần để điều khiển ADC, ADC đó sẽ yêu cầu tăng phí lấy mẫu và OpAmp sẽ cần phải THIẾT LẬP trở lại điện áp cơ sở theo thứ tự 0,1uSecond. Việc tăng phí lấy mẫu sẽ làm trục trặc các bộ lọc VDD và gây ra tiếng chuông. Bạn sẽ không muốn khuếch đại tiếng chuông đó, vì vậy BA opamp có vẻ phù hợp.