Операционный Усилитель, вопрос

[Philimon]

Доброго времени!
Нужно построить простой Операционный Усилитель(ОУ) на микросхеме AD8551AR. Пока физически микрухи нет и нет осцилографа - моделирую в Multisim. Вроде работает, но полоса пропускания очень узкая и не соответствует Даташиту, вот:

35.JPG

(109.73 КБ) 953 скачивания

- на входе прямоугольники длительностью 2мс(милисекунды), напряжение 1мВ
- усиление 1000раз, т.е. на выходе около 1В
В даташите указана полоса пропускания 1,5Мгц(-3дБ), скорость нарастания выходного напряжения - 0.4В/мкс.
На выходе имеем черти что : нарастание до 0.4В длится аж 140мкс, что недопустимо даже для звуковой частоты.
ОБЪЯСНИТЕ пожалуйста в чем дело???
Проверил и другие ОУ, ситуация та же, причем, как и должно быть, нарастание на более быстродействующих ОУ более стремительное, но в сотни раз больше заявленных характеристик. Поэтому и спрашиваю, т.к. хочу сделать УЗЧ, где нужно нарастания как максимум 20мкс.

[Martin76]

Полоса пропускания и коэффициент усиления взаимосвязаны, чем больше усиление, тем уже будет полоса.

[Philimon]

Полоса пропускания и коэффициент усиления взаимосвязаны, чем больше усиление, тем уже будет полоса.

Вот оно что!!! Спасибо, а скажите, это справедливо только для ОУ на микрухах?? Хотелось бы понять почему так.. Это связано с паразитными емкостями внутри микрухи и чем больше усиление - тем больше выход влияет на вход через эти емкости.. Я правильно понял???

[Philimon]

Я углубил ООС, теперь усиление всего 2 раза а полоса пропускания все равно далека от заявленных значений: на графике видно, что выход нарастает аж 30мкс всего до 2мВ, т.е. 0.06мВ/мкс (!!!)
НУ КАК тогда добиться заявленных 400мВ/мкс, что в сотни раз больше?????

78.JPG

(128 КБ) 815 скачиваний

[HariusHek]

Надо понимать, заявленные в datasheet параметры гарантируются при указанных там же условиях: напряжении питания, сопротивлении и ёмкости нагрузки, схеме включения, наконец.

[Philimon]

Надо понимать, заявленные в datasheet параметры гарантируются при указанных там же условиях: напряжении питания, сопротивлении и ёмкости нагрузки, схеме включения, наконец.

Да, спасибо, разобрался наконец-то, и моделирование вполне соответствует даташиту. Схема включения стандартная, в ней всего лишь два резистора - делитель выходного напряжения, которое подается на вход(ООС), соотношение сопротивлений которых определяют глубину ООС. Здесь главное учитывать все факторы- паразитные емкости и т.д. и полностью разобраться с графиками даташита..
Опытным путем определил, что микруху AD8551 можно использовать для УЗЧ с полосой пропускания до 20кГц выбрав коэффициент усиления 100, а лучше 50. при больших Ку "падает" полоса ...

[pryanic]

https://www.youtube.com/watch?v=ZvT9hHG17tQ

Посмотрите видео) там автор объясняет проблемы сужения полосы пропускания.
И рекомендую уяснить что такое GBP

[HariusHek]

Добавлю ещё, что при охвате ОУ глубокой ООС быстродействие схемы уменьшается (не путать с полосой пропускания, прямой связи между этими понятиями нет, как ни странно).

[Philimon]

Народ! Построил я усилитель на микрухе OPA2277P. Именно ее выбрал недаром - это суперпрецизионный ОУ с очень малым напряжением смещения и полоса пропускания подходит для звука. Думаю нет смысла приводить здесь схему т.к. это обычный двухкаскадный усилок, т.е. два канала схемы соединены последовательно. Каждый каскад имеет свою регулируемую обратную связь, поэтому усиление можно регулировать от 1 до практически бесконечности.
В общем спаял - все заработало, подключил на вход обычные наушники в роли микрофона, на выход - такие же наушники. Звук почему-то очень зашумленный, т.е. уровень шума недопустимо высок.
Сначала подумал, что такая микруха просто не подходит для УЗЧ, нашел в нете микруху TS472 о которой сказано "сверхмалошумящий микрофонный предусилитель"...Мало не побежал сразу в радиомагазин прикуплять эту микруху, но посмотрел на уровень шума в даташите:
TS472 - 10 nV/√Hz at F = 1 kHz
OPA2277P - 8 nV/√Hz для 1kHz.
Выходит OPA2277P имеет еще меньше шум нежели эта сверхмалошумящая TS472.
Хто мне может ОБЪЯСНИТЬ почему такой шум??
Какой примерно должен быть коэффициент усиления для микрофонного усилка??
Возможно это наушники не подходят в роли микрофона из-за низкого уровня сигнала на выходе??
Помню когда-то записывал звук на старом магнитофоне МАЯК-232, в роли микрофона била колонка, включенная через конденсатор(чтоб урезать слишком сильные НЧ), звук был потрясающим, почти без шума, слышно было даже тикание часов в большой комнате.
Тогда почему современная Сверхмалошумящая микруха так шумит а старый МАЯК нет??

[El-Eng]

Вы, все же, приведите полную схему устройства вместе с цепями развязки питания (надеюсь, вы не забыли поставить конденсаторы по 0.1мкФ между выводами питания и землей). Заодно скажите, от какого источника вы питаете усилитель. То, что вы описываете, очень похоже на самовозбуждение, или на то, что вы используете для питания не очень качественный импульсный сетевой адаптер.

[Philimon]

Вы, все же, приведите полную схему устройства вместе с цепями развязки питания...

Вот схема, извините за плохое качество, если нужно перерисую в программе. Сразу отвечу, что столько резистивных цепей и джамперов мне нужно т.к. этот усилок экспериментальный и универсальный и рассчитан на возможность усиления постоянного напряжения. Я его составил для проверки возможности собрать схему для измерения падения напряжения на минусовом проводе от аккумулятора к кузову автомобиля, чтобы таким образом замерять ток аккумулятора в двух направлениях на симметричном вольтметре. А вообще-то идея - перевести показания на указатель уровня топлива, где показания "0.5" соответствует нулю и переключать кнопочкой. Поэтому питание двухполярное, симметричное, подстроечники - для регулировки смещения т.е. установки нуля. Когда я подключал наушники на вход - резистор R1 закорачивал джампером. Если вовсе замкнуть вход на среднюю точку т.е. "массу" - ШУМ сохраняется. Шум на звук - не самовозбуждение, он Гауссовский т.е. "белый", его природа - явно шум усилительных входных транзисторов микрухи.
Меня мучает вопрос почему этот шум такой сильный, подключал на вход обычный динамик - ситуация та же. Например если в комнате кто-то говорит на расстоянии пару метров, то если бы он говорил полушепотом - его бы не было слышно за этим шумом??
ПОМОГИТЕ РАЗОБРАТЬСЯ!! Что сделать, чтобы звук был качественным??
Если нужно могу записать звук в файл.

0005.jpg

(249.52 КБ) 1050 скачиваний

DSCF5130.jpg

(196.19 КБ) 868 скачиваний

DSCF5131.jpg

(205.67 КБ) 492 скачивания

[El-Eng]

Вообще-то для вашей цели (измерение падения напряжения на проводе) усилитель проектируется по-другому, но давайте сначала разберемся с этим.
Итак, начнем:
1. Для питания нужно использовать только батарею (аккумулятор) или блок питания (не импульсный!) с линейным стабилизатором. Импульсный блок питания (стабилизатор) при недостаточной фильтрации создает на выходе широкополосную помеху, которая легко проходит через LM317 и воспринимается на выходе усилителя как шум.
2. Обязательно нужно соединить выводы 4 и 8 ОУ через керамические конденсаторы 0.1мкФ на землю. Их нужно разместить как можно ближе к ОУ. Они устранят самовозбуждение на ВЧ (~100КГц-1МГц), которое тоже воспринимается как шум.
3. Городули из резисторов R2-R3-R4-R5-R6-R7 (и то же самое во втором каскаде) не нужны, от них только вред. Достаточно резистора в 100К от + входа на землю.
4. Диоды VD1 и VD2, которые, как я понимаю, установлены для защиты, не должны быть открыты во время нормальной работы, т.е. напряжение на них должно быть меньше 0.5В по модулю. Во втором каскаде они не нужны вовсе.
5. Сопротивление резистора R1 крайне желательно уменьшить до 1КОм-5.1КОм, R11 - не нужен.
6. В качестве входного и разделительного конденсаторов (C1-C2, C3-C4) достаточно пленочного конденсатора порядка 1 мкФ, электролиты плохо работают без смещения и могут быть источником шума. Кстати, так как вы их подсоединили, соединять нельзя. Нужно соединить их одноименными полюсами последовательно, и эту точку соединения подключить через резистор ~1МОм к соответствующему питающему напряжению. Так можно сделать для C5-C6 но они, вообще-то, лишние.

[Philimon]

Вообще-то для вашей цели...

Спасибо за ответ, причина шума вроде немного приоткрылась, буду пробовать исправлять по вашим указаниям. Давайте по порядку:
1) Питать пробовал как от обычного зарядного устройства так и от АКБ - разницы никакой. Видимо LM317 со всеми этими конденсаторами фильтрует полусинусоиду от обычного выпрямительного мостика на славу.
2) Насчет керамических С по 0,1мкФ - не совсем понимаю.. У меня два электролита по 220мкФ(С7,С8) на землю(растояние 2-3см от микрухи), что нужно еще керамику возле самой микрухи???
3) Насчет R2-R7, если усилок в роли УЗЧ - понимаю, что они лишние. Они мне нужны для точной корректировки смешения когда усилок в роли усилителя постоянного напряжения работает. Но когда я подключаю на вход наушники в роли микрофона, R1 я закорачиваю джампером. Мне кажется, что при этом шумы этих городуль нивелируются?? Или мне отпаять R2, R3 чтоб не мешало???
4) Защитные диоды - ограничивают максималки по входах (4,5) микрухи 0,7Вольт. Хммм.. возможно это они шумят... уже включил паяльник чтоб отпаять..
5) R1, R11 закорачиваю джамперами.
6)Насчет С1,С2 непонял?? Почему параллельно нельзя а последовательно можно?? там ведь микровольты на входе. Или они могут шуметь без смещения?? Впрочем для них тоже есть джампер, можно закоротить, если на входе микрофон.
З.Ы. Пока я отпаиваю R2,R3 и диоды на входе - посмотрим что будет с шумом. Второй каскад пока не трогаю, т.к. его шум мизерный в сравнении с первым. Еще насчет самовозбуждения на ВЧ: если начнется генерация разве усилок будет работать вообще?? или будет работать, но повышенно шуметь "белым" шумом?? такое возможно??

[Philimon]

Ну вот диоды отпаял, резисторы на входе тоже, R1 и С1 закоротил, между выводами питания и землей подсоединил кондер 100нФ, правда не знаю керамика ли это(на вид подушечка, от какого-то старого телевизора 70х годов) и результата никакого!! Тот же шум : в наушниках слышно телевизор работающий в комнате на расстоянии 4м не очень громко, слова различимы, но шум как будто бы возле этого телевизора стоял второй с ненастроенным каналом т.е. шумящий на таком же уровне громкости. Я думаю как для высококачественной современной микрухи это слишком сильный шум. Или, возможно, эта микруха все-же не предназначена для УЗЧ т.к. это ОУ и нужно взять другую в описании которой пишет "сверхмалошумящий усилитель используемый как микрофонный предусилитель"???

[El-Eng]

Отвечаю по порядку:
1) ОК. АКБ - лучше всего для экспериментов, гарантированно нет помех по питанию.
2) Конденсаторы по 0.1мкФ на питание рядом с м/с нужно ставить всегда. Электролиты, из-за сравнительно большой внутренней индуктивности, малоэффективны на ВЧ.
3) Для уменьшения шума нужно использовать как можно меньше элементов, подключенных к чувствительным входам. Кроме того, этот ОУ в первую очередь предназначен для прецизионных измерений на постоянном напряжении. Он не требует дополнительной балансировки. Если требуется начальное смещение, его лучше делать в цепи обратной связи.
4) Эти диоды можно вообще не ставить, если входные напряжения у вас не будет выходить за напряжения питания больше чем на 0.7В.
5) ОК.
6) Если электролит включен в обратной полярности, у него наблюдается существенная проводимость и он начинает разрушаться. Кроме того, в этом режиме скорее всего возрастет его фликкер-шум. При параллельном включении как у вас, один конденсатор всегда включен в обратной полярности.

Насчет самовозбуждения. Да, самовозбуждение на ВЧ очень часто проявляется на НЧ в виде повышенного шума.

Или, возможно, эта микруха все-же не предназначена для УЗЧ...

Вообще-то использованный вами ОУ, как я уже говорил, в первую очередь предназначен для прецизионных измерений на постоянном напряжении. Для микрофонного усилителя лучше использовать другие ОУ - OP27, OPA211 и т.д. Но, судя по вашему описанию, шум у вас, кажется, великоват. Вполне возможно, что шумит у вас "микрофон". Попробуйте подсоединить на землю напрямую, перемычкой, вход 3 ОУ DA1.1 и послушать шум (это будет собственный шум усилителя).

[Philimon]

...

Спасибо, многое прояснилось...
Вот я и задал здесь вопрос т.к. немогу понять где этот подводный камень. Ведь в даташите подробные характеристике в т.ч. и шумовые и они даже лучше чем в специализированных микрофонных "сверхмалошумящих" микрухах. Естественно я замыкал вход на землю - шум тот же.
Я уже заказал самую прецизионную на сегодняшний день микруху AD8572ARZ, и только вчера обратил внимание на ее шум : 51 nV/√Hz а моя OPA2277 : 8 nV/√Hz.
Вот в том то и дело что шум помешает мне сделать микровольтметр пост. напряжения с разрешением 0,5мкВ. С этой ОРА2277P мне удалось измерить минимум 2-5мкВ, при бОльшем усилении на выходе флуктуации, размером с 1мкВ(приведенным ко входу). Но все-же как для современной "сверхточной" микрухи, которая не может без шума усилить "микрофон", должен быть какой-то ньюанс.
Возможно дело в спектральном распределении шума??? Например в ОУ для постоянных напряжений шум низок в СНЧ(0-100Гц) а на СЧ-ВЧ(>100Гц) - "гуляй поле"???
В даташите на OPA2277P указано следующее:
Input Voltage Noise:
f=0.1 to 10Hz 0.22μVpp
0.035μVrms
Input Voltage Noise Density, En:
f=10Hz 12nV/√Hz
f=100Hz 8nV/√Hz
f=1kHz 8nV/√Hz
f=10kHz 8nV/√Hz
Current Noise Density, In:
f=1kHz 0.2pA/√Hz

OP27:
Input Voltage Noise:
f=0.1 to 10Hz 0.08μVpp
Input Voltage Noise Density, En:
f=10Hz 3.5nV/√Hz
f=30Hz 3.1nV/√Hz
f=1kHz 3nV/√Hz
Current Noise Density, In:
f=1kHz 0.4pA/√Hz
Можете расшифровать это??? Спасибо!

[El-Eng]

Я уже говорил, что малошумящий усилитель звукового сигнала и усилитель для измерения малых постоянных или медленно изменяющихся напряжений проектируются совершенно по-разному. И дело здесь не только в шумах. Но давайте сначала разберемся с шумом.
Сначала, определимся, какие составляющие собственного шума обычно наблюдаются в усилителях (про помехи говорить не будем). Обычно их две: частотнонезависимая (белый шум) и частотнозависимая (розовый, коричневый и т.д. шумы). Они действуют одновременно, но следует отметить, что частотнозависимая компонента обычно превалирует на частотах ниже 5-10Гц и увеличивается с уменьшением частоты. Для описания белого шума в ДШ обычно приводят его плотность, а для частотнозависимой компоненты - значение шумового напряжения или тока в фиксированной полосе. Если не оговорено особо, то под значениями шумового напряжения или тока подразумевается среднеквадратичная (действующая, RMS) величина.

Перейдем теперь к данным ДШ:

Input Voltage Noise, f=0.1 to 10Hz: шум напряжения на входе в полосе 0.1-10Гц. Если вы построите усилитель с такой полосой пропускания на OPA2277P, то на его выходе вы увидите осциллографом напряжение размахом (от пика до пика) 0.22*Ку микровольт, а СКЗ-вольтметр покажет напряжение 0.035*Ку микровольт. Почему от 0.1Гц: ниже этой частоты дополнительно сказывается дрейф напряжения смещения ОУ.

Input Voltage Noise Density: плотность шума напряжения в полосе около центральной частоты. Если вы построите усилитель с полосой пропускания от 100Гц до 10.1КГц (полоса - 10КГц) на OPA2277P, то на его выходе СКЗ-вольтметр покажет напряжение 0.008*SQRT(10000)*Ку=0.8*Ку микровольт. Осциллограф покажет размах примерно в 6 раз больше. Для вашей схемы при усилении 2500 и учитывая полосу в 20КГЦ плюс избыток шума на НЧ, СКЗ-вольтметр должен показать величину порядка 3.5 милливольт, а размах шума на осциллографе будет порядка 20-25 милливольт. Если эта величина существенно больше, значит где-то есть дополнительный источник шума.

Current Noise Density: плотность шума входного тока в полосе около центральной частоты. Эту величину нужно умножить на внутреннее сопротивление источника сигнала (с учетом всех резисторов на входе) и дальше считать как для плотности шума напряжения. После этого общее напряжение шума вычислить как Uш=SQRT(U1*U1+U2*U2) где U1 - компонент шума напряжения, а U2 - компонент шума входного тока.

Теперь, на что ориентироваться при проектировании: если вы проектируете звуковой усилитель, то для вас важен белый шум в усиливаемой полосе 20Гц-20КГц, на полосу 0-10Гц вам не нужно обращать внимания, поскольку в грамотно спроектированном усилителе, усиление в этой полосе должно быть минимальным. Если же вы проектируете усилитель постоянного или медленно изменяющегося напряжения, то основное внимание следует уделить шуму в этой полосе, и, самое главное, - температурному дрейфу напряжения смещения: шум можно уменьшить разумным сужением полосы пропускания плюс индикатор сам по себе является ФНЧ, смещение можно скомпенсировать, но вы ничего не сможете поделать с дрейфом, поскольку он не отличим от реального сигнала.

[Philimon]

...

Спасибо за содержательный ответ. Пол часа читал, похоже понял, но не все:

СКЗ-вольтметр покажет напряжение 0.008*SQRT(10000)*Ку=0.8*Ку микровольт.

Sqrt - это квадратный корень??

Осциллограф покажет размах примерно в 6 раз больше.

А что среднеквадратическое значение белого шума в 6раз меньше размаха??

Current Noise Density: плотность шума входного тока в полосе около центральной частоты. Эту величину нужно умножить на внутреннее сопротивление источника сигнала

Выходит если вход оставить открытым то эту величину нужно умножить на входное сопротивление микросхемы?? А если вход замкнуть на массу, то это значение равно НУЛЮ. Я правильно понял???

но вы ничего не сможете поделать с дрейфом, поскольку он не отличим от реального сигнала.

Насчет дрейфа есть идея, нужно строить схему цифрового управления. Буду обсуждать это в этой ветке viewtopic.php?f=1&t=101550

[El-Eng]

Sqrt - это квадратный корень??

Да.

А что среднеквадратическое значение белого шума в 6раз меньше размаха??

Для грубой оценки можно считать Vpp=(5...6)*Vrms.

Выходит если вход оставить открытым то эту величину нужно умножить на входное сопротивление микросхемы?? А если вход замкнуть на массу, то это значение равно НУЛЮ.

Полностью открытым не получится, обязательно нужен резистор для протекания входного тока. Его сопротивление (он может быть равным нулю) и нужно брать при отсутствии источника. Шум входного тока следует принимать во внимание для ОУ с биполярными транзисторами на входе, при выходном сопротивлении источника сигнала (или резистора на землю) больше порядка 1КОм. Правда, у таких ОУ обычно меньше шум напряжения. Это - один из критериев подбора малошумящего ОУ в зависимости от источника сигнала.

Насчет дрейфа есть идея, нужно строить схему цифрового управления.

Если вы не боитесь микроконтроллеров и программируемых АЦП, я бы посоветовал для вашей задачи АЦП наподобие AD7730, он может показаться сложным, но на нем одном, без усилителей, можно эту задачу решить (конечно, еще понадобится микроконтроллер), бонусом будет возможность автоматического выбора пределов измерения.

[Philimon]

Давайте в этой ветке разберемся именно со звуковой частотой.
А в этой ветке речь пойдет о инфразвуковых частотах viewtopic.php?f=1&t=101550.
Итак в даташите на OPA в полосе до 10кГц указана плотность шума 8nV/√Hz, надеемся, что такая же плотность будет и до 20кГц. Значит среднеквадратическое напряжение шума, приведенное ко входу будет:
8nV*√(20000)=1.1μV
А размах примерно 7μV.
Уровень токового шума если сопротивление источника 15Ом(микрофон) = 0.2рА√Hz*Rвх. = 0.2*141*15 = 0.4μV.
Общее напряжение шума = √(1.1^2 + 0.4^2) = 1.2μV.
А теперь давайте посмотрим на магнитофон Маяк-232. В микрофонном предусилителе используется микруха К157УП1А. В ее параметрах указано:
Микрофонный вход - 6мВ
Uш.вх. <= 0.6мкв.
Я так понимаю, что это именно среднеквадратическое(rms) значение шума приведенное ко входу??? Или это размах?? Если rms, то выходит, что старый Маяк в 2 раза меньше шумит по микрофонному входу по напряжению нежели моя схемка на OPA2277P. Кстати на входе тоже полно резисторов и электролит 10мкФ.Вот:

4488.JPG

(151.04 КБ) 722 скачивания

Но в Маяке при записи с микрофона качество звука намного выше. Неужели уровень шума в 2 раза меньше дает намного более качественный звук??
И еще как понять даташит микрухи TS472:
10 nV/√Hz at F = 1 kHz.
Об этой микрухе сказано "сверхмалошумящий микрофонный предусилитель"???