Выявление источника периодического артефакта на выходе операционного усилителя

36

Мой двойной операционный усилитель MAX44251 имеет очень маленький нежелательный периодический артефакт 131 кГц на выходе, по-видимому, независимо от того, как он настроен.

Мое предположение было EMI, но я не могу видеть этот сигнал 131 кГц на любой другой части схемы. Я также проверил это в нескольких зданиях, с несколькими зондами, с выключенной всей остальной электроникой и в окружении защитной пленки.

Что я должен попытаться удалить это? Я хотел бы по крайней мере добиться повторителя напряжения с шумом ниже 1 мВ.

Микросхема изначально использовалась в более сложной схеме, когда я впервые заметил проблему. НО, чтобы изолировать эту проблему, я сделал совершенно новую тестовую плату со свежими компонентами. При тестировании я оставил дополнительные колодки, чтобы по-разному конфигурировать чип.

Прямо сейчас это настраивается очень просто:

схематический

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Обходные заглушки находятся на нижнем слое заземления. Vias ручной пайки.

Я наблюдал эффект как с помощью пассивного датчика Agilent 10X (это трудно увидеть), так и с помощью датчика, подобного следующему, с помощью которого я могу увеличивать изображение до 2 мВ / дел. Первоначально это наблюдалось потому, что выходной сигнал подается на компаратор, а выходной сигнал компаратора показывает, что амплитуда входного сигнала была> желаемой 2 мВ.

Форма волны периодическая, но довольно странная. Вот несколько фотографий с разных точек зрения:

200 нс остановлен

50 нс Free Running

20 нс Свободный ход

10 нс остановлено

operational-amplifier noise emc

— Киган Джей
источник

6

схема качества, описание настройки теста, снимок экрана наблюдаемого сигнала, максимально возможное устранение проблемы, постановка четко определенного вопроса ... Ваш вопрос - чистое удовольствие для моей души!

— Маркус Мюллер

3

Какой у вас блок питания? Это похоже на то, как мне звонит конвертер обратного или обратного действия ... Попробуйте использовать батарейки в качестве источника питания вместо того, что вы используете. Можете ли вы увеличить один из шипов?

— Дэн Миллс

1

Ооо Посмотрите на таблицу данных, стр. 7, второй ряд рисунков, рисунок справа. «Шум входного напряжения в зависимости от частоты». При ... 65 кГц наблюдается отвратительный всплеск, который составляет половину вашего наблюдения, но этот график даже не достигает 131 кГц.

— Маркус Мюллер

2

@DanMills Я попробовал это с +/- 9 В от двух батарей 9 В, артефакт идентичен.

— Киган Джей

1

@JayKeegan У Opamp есть активная температурная компенсация или автоматическая коррекция смещения? Похоже на импульсную реакцию чего-то, видящего короткий импульс для меня ... если бы это была цифровая система, я бы сказал, что есть однополюсный БИХ, сбрасываемый каждые , но я почти наверняка этот операционный усилитель является аналоговым.

\frac{1}{131 kHz}

$\frac1{131\text{ kHz}}$

— Маркус Мюллер

15

Я не могу точно сказать, является ли это на самом деле симптомом того, что описано в таблице данных:

Обратите внимание, что есть пик, который превышает на частоте 65 кГц - почти половина частоты, на которой вы наблюдаете свой шум; однако они не характеризуют частоту до 131,5 кГц. $30 \frac{\text{nV}}{\sqrt{\text{Hz}}}$

Что я должен попытаться удалить это? Я хотел бы по крайней мере добиться повторителя напряжения с шумом ниже 1 мВ.

Если вам просто нужен повторитель напряжения с низкой пропускной способностью: используйте фильтр нижних частот.

Если вам нужен сигнал с частотой до 65 кГц и выше: отметка RLC (остановка полосы), вероятно, будет работать лучше; быстрый и ленивый дизайн моего любимого инструмента для проектирования пассивных фильтров позволил получить R = 0,16 Ом, L = 1 мкГн, C = 1,5 мкФ в качестве возможной конфигурации.

Обратите внимание, что вы можете попытаться использовать обратную цепь (RLC bandpass; поменяйте местами (L - C) с R) в ветви обратной связи вашего повторителя напряжения.

— Маркус Мюллер
источник

2

Спасибо за вашу помощь в изучении этого. Я дам посту время, чтобы другие могли его проверить, но я думаю, что вы правы.

— Киган Джей

3

Ничего себе, это неприятно иметь в операционном усилителе, еще хуже то, насколько плохо таблица данных отображает это, я уверен, что большинство людей не

— заметят

1

@PlasmaHH быть справедливым, техническое описание действительно есть фигура размещена выше - но я согласен, если вы продаете что - то явно с коэффициентом усиления * м.т. мегагерц, вы можете отметить , что есть периодические шпоры в спектре.

— Маркус Мюллер

22

Обратите внимание, что это усилитель с автоматическим обнулением (также называемый стабилизированным прерывателем) - многие операционные усилители с очень низким смещением работают путем периодической выборки входного смещения и введения корректирующего смещения для смещения счетчика во входном конце. Для этого в операционном усилителе есть генератор с набором аналоговых переключателей на входе. Это может привести к подаче тактового сигнала на выход, а также к инжекции заряда на входных контактах.

Предположительно, это устройство использует 131 кГц в качестве частоты переключения.

Я не могу найти подробную информацию о части Maxim, но вот некоторая информация для части Analog Devices, которая, вероятно, похожа:

Analog Devices Zero дрейф операционный усилитель

Если вам действительно нужны низкие смещения и дрейф, то это лучший тип устройств для использования - вам может понадобиться просто ограничить полосу пропускания и отфильтровать часы.

Ширина полосы автоматического обнуления достаточна для охвата 1 / f-шума в КМОП-усилителях, поэтому они могут быть очень малошумящими для частот ниже 1 кГц, области, где КМОП-усилители, как правило, имеют проблемы.

Если вы не можете отфильтровать тактовый шум, посмотрите, можете ли вы использовать обычные детали - они часто будут иметь худшие характеристики дрейфа и смещения, но вы можете получить их лучше, чем смещение 100 мкВ. Вам также может потребоваться компромисс между входным током смещения, потому что биполярные входные усилители обычно лучше, чем CMOS для этого параметра. Биполярные, как правило, также с низким уровнем шума.

Схожая проблема, с которой я столкнулся в аналогичной части линейной технологии (LTC2051), заключается в том, что автоматическому обнулению схемы может потребоваться очень много времени для восстановления после перегрузки, когда выходной сигнал насыщается - многие миллисекунды для части с GBW многих МГц. Это делает их непригодными для любого применения, которое насыщается как обычная часть его работы, такого как генераторы или пороговые детекторы.

— Кевин Уайт
источник

Все ли аналогичные операционные усилители с нулевым дрейфом имеют такие большие импульсы? Или по этой причине этот конкретный операционный усилитель так дешев? Является ли амплитуда пика следствием этой конкретной конфигурации? Я предполагаю, что существует большое перекрытие между приложениями, требующими очень низкого смещения, и приложениями, которым требуется только постоянный ток, но 6 мВ при 131 кГц все еще кажется довольно существенным.

— Киган Джей

3

Усилители, стабилизированные с помощью прерывателя или с автоматическим обнулением, как правило, имеют возможность сквозной синхронизации, воспринимаемой как шум на выходе. Все поставщики заявляют, что уровень шума очень низкий. Приложение с заметкой от LT ( cds.linear.com/docs/en/lt-journal/LTC2050_1100_Mag.pdf ) выглядит немного лучше, чем у вас, но не намного.

— Кевин Уайт

1

Я должен согласиться. Использование любой аналоговой части, которая вводит технологию прерывателя или дискретизации в аналоговый тракт ваших сигналов, должно быть применено осторожно, чтобы вы использовали его с соответствующим ограничением полосы пропускания, чтобы частоты прерывателя были исключены из используемого вами частотного спектра.

— Майкл Карас

6

Я согласен с Маркусом: ~ 130 кГц будет второй гармоникой частоты переключения прерывателя ~ 65 кГц.

Уменьшение «полосы пропускания замкнутого контура» вашего операционного усилителя может привести к тому, что вторая гармоника (~ 130 кГц) будет иметь большую амплитуду, чем первая гармоника (~ 65 кГц), для решения этой проблемы, как отметил Маркус, можно добавить решение пассивный фильтр для фильтрации этого шума.

Есть статья Art Kay , " 1 / f Noise and Zero-Drift Amplifiers ", в которой говорится о шуме в Zero-Drift Op Amp.

Если вы хотите узнать больше об операционном шуме, обратитесь в TI Precision Labs за шум .

— Виктор С
источник

2

У меня нет ответа, но я могу сказать вам, для вдохновения, как бы я отладил это.

Сначала я бы попытался припаять крышку байпаса прямо к чипу. Часть 0603, 100 нФ, и используйте оплетку для подключения к другому контакту (для низкой индуктивности). Обходные колпачки находятся за достаточно высокими индуктивными отверстиями, и это может сделать их неэффективными для пиков. Пики на частоте 131 кГц, но частотное содержание намного выше, поэтому хороший байпас очень важен.

Это, вероятно, потерпит неудачу :-).

Затем я бы заменил усилитель: 1. Analog Devices производит несколько очень низко смещенных усиленных усилителей. Смещение не такое низкое, как у усилителя с автоматическим обнулением, но проверьте его. Это немного дороже, так что проверьте свой бюджет и офсетные требования. Посмотрите на AD8615 и аналогичные. Единственное, что дорого обходится тем, кто покупает большие объемы.

2 Кроме того, рассмотрим старый добрый инструментальный биполярный операционный усилитель из буро-коричневого происхождения (сейчас Texas Instruments.). Используйте один и тот же импеданс на обоих входах, чтобы избавиться от тока смещения, и убедитесь, что входной импеданс достаточно низок, чтобы ток смещения не имел значения. Нечто похожее на opa237.

Попробуйте другой усилитель с автоматическим обнулением, возможно, с синхроимпульсом. Опять же, посмотрите на аналоговые части устройства.

Удачи

— user131782
источник

1

Самоиндуктивность этого провода составляет 0,834 нГн. Любой математический способ определить значимость его эффекта?

— Киган Джей