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Solución:
Además de mejorar el producto de ganancia-ancho de banda del circuito, dividir el amplificador en múltiples etapas le permite elegir diferentes amplificadores operacionales que están diseñados para sobresalir en características particulares. Por ejemplo, puede elegir un amplificador operacional con buenas características de entrada (es decir, baja compensación, bajo ruido, etc.) para la primera etapa y un amplificador operacional (posiblemente diferente) con buenas características de salida (oscilación máxima del voltaje de salida, corriente de salida máxima, etc.) etc.) para la última etapa. Con solo una etapa, tendría que encontrar un amplificador operacional de todo tipo que tenga características de entrada y salida lo suficientemente buenas (sin mencionar un producto de ancho de banda de ganancia lo suficientemente alto).
Las características de entrada del amplificador operacional de la primera etapa son más importantes ya que todas las no idealidades de entrada de ese amplificador operacional (compensación, ruido, etc.) se amplifican completamente junto con la señal (ya que son amplificadas por todas las etapas). Las no idealidades en los amplificadores operacionales para la segunda, tercera, etc. etapas no están completamente amplificadas y no son tan preocupantes. Por el contrario, el amplificador operacional de la primera etapa no necesita buenas características de salida, ya que su salida no oscilará tanto como las etapas posteriores y está impulsando una carga de impedancia relativamente alta (la siguiente etapa del amplificador operacional).
El amplificador operacional de la última etapa puede tener las peores características de entrada ya que la señal en su entrada está casi completamente amplificada y es mucho más grande que la compensación, el ruido, etc. del amplificador operacional. Sin embargo, el amplificador operacional de la última etapa necesita buenas características de salida. Por ejemplo, la variación máxima del voltaje de salida del amplificador operacional debe ser suficiente para la variación de voltaje de salida de la señal requerida (8 Vrms en su caso), y debe tener una velocidad de respuesta suficiente para su señal amplificada. El amplificador operacional de última etapa también puede necesitar conducir una carga de baja impedancia, en cuyo caso debe poder generar / absorber más corriente de salida.
Si el ruido es un problema, también puede considerar el uso de etapas de filtro de paso de banda activas de amplificador operacional adicionales para reducir el ruido fuera de banda. Es posible que estas etapas no proporcionen ganancia de señal, pero mejorarían el rendimiento del amplificador general.
Para dar un ejemplo concreto, una vez diseñé un preamplificador de micrófono de bajo ruido basado en el amplificador operacional de precisión de bajo ruido TLE2027. Tiene muy buenas características de entrada, pero sus características de salida no son las mejores. En particular, solo se garantiza que su velocidad de respuesta sea del orden de $ 1 text V / mu text s $ a través de la temperatura (el límite de especificaciones varía entre las versiones; consulte la hoja de datos). Sin embargo, para una señal de salida de 8 Vrms a 20 kHz, necesitaría una velocidad de respuesta de $ 8 text V times sqrt 2 times 2 pi times 20 text kHz approx 1.4 text V / mu text s $. Tampoco es de riel a riel en la salida: la señal de salida puede cortarse con este amplificador operacional, dependiendo de los voltajes de suministro (por ejemplo, si usó baterías de 9 V). Probablemente necesite usar un amplificador operacional diferente para la última etapa de su amplificador.
Ruido:
Digamos que su amplificador operacional tiene GBW de 10MHz y ruido de 1µV (para simplificar las cosas). La fuente también tiene ruido RMS de 1µV.
Cada amplificador operacional amplificará su propio ruido por la ganancia de ruido del circuito, más el ruido de todo lo que está aguas arriba, por supuesto, por la ganancia del circuito. Entonces, desea que la ganancia de la primera etapa sea lo suficientemente alta (digamos, al menos 10) para que el ruido de la fuente y el primer amplificador operacional (que ahora están amplificados 10x) domine el ruido agregado por los otros amplificadores operacionales aguas abajo.
Entonces, aquí:
- digamos que queremos una ganancia de 100, el primer amplificador operacional tiene una ganancia G1 = 10, el segundo tiene una ganancia G2 = 10.
El primer amplificador operacional amplifica el ruido de la fuente (1µV), más el suyo propio (1µV) por G1, esto se suma en RMS, por lo que en la salida de OPA1 obtuvimos 14µV, luego G2 lo amplifica y tenemos 141.7µV de ruido en la salida.
- G1 = 1, G2 = 100
El primer amplificador operacional simplemente agrega su propio ruido a la fuente (1.4µV en la salida), luego el segundo amplificador operacional agrega su propio ruido y amplifica 100x. Obtenemos un ruido de 172µV en la salida.
Esto solo importa si la fuente es de poco ruido. Si el ruido de la fuente es más alto de lo que agregará OPA1, entonces importa mucho menos.
Nota: Esto también se aplica al voltaje de compensación, que a veces puede ser el factor decisivo.
Distorsión:
Su amplificador operacional tiene GBW de 10MHz. Quieres una ganancia de 160-2000.
Con un opamp, gastas 2000 de tu GBW en ganancia. Así que solo quedan 10M / 2000 = 5kHz GBW para corregir la distorsión y, lo que es más importante, ¡procesar realmente la señal!
Aquí, el circuito tendrá un ancho de banda de bucle cerrado de alrededor de 5 kHz y una distorsión horrible por encima de unos pocos cientos de hercios, ya que hay muy poca ganancia de bucle para corregir las no linealidades del opamp.
Si ambos amplificadores operacionales son idénticos, la mejor distorsión se logrará haciendo que compartan la ganancia por igual, es decir, ambos con una ganancia de 44, cuyo producto es 1936.
Esto puede interferir con las consideraciones de ruido, pero en este caso, no debería.
Si se trata de una CC de precisión, recuerde que la precisión de la ganancia de bucle cerrado depende de la ganancia de bucle abierto disponible (GBW dividido por la ganancia).
Gotchas
No es necesario que el primer amplificador operacional sea de riel a riel, ni de alta corriente de salida, lo que brinda una opción más amplia de amplificadores operacionales de precisión o de bajo ruido. Su unidad de corriente de salida y su velocidad de respuesta importan menos que el segundo opamp (consulte la respuesta de Null).
El segundo amplificador no necesita tener una etapa de entrada de alta precisión, tampoco necesita ser FET, ya que se maneja desde una impedancia baja. Puede tener un fuerte impulso de salida o de riel a riel, si es necesario. O simplemente puede ser más barato …
Pero … la distorsión del modo común de la etapa de entrada en el modo no inversor será peor en el segundo opamp (lo bueno es que no es JFET entonces).
¿Puede tu diseño [ Av = 2,000x, DC–20KHz +-0.1dB, SNR = 120dB (20 bit floor) ] realizarse con un OpAmp? ¿Es esto para audio de 20 o 24 bits?
editar[can that one opamp drive the ADC input charge demands of the ADC sample-hold circuit, yet settle very quickly?]
simular este circuito: esquema creado con CircuitLab
Primero, ¿qué Rnoise se necesita? Con un ruido de 120dB por debajo de 4 milivoltios RMS, necesita 4 nanovoltios TOTAL DE RUIDO REFERIDO DE ENTRADA INTEGRADA. Es decir, el ruido debe ser 10 ^ -6 menor que el nivel mínimo de entrada; 4mV * 1e-6 = 4 nanoVoltios RMS. En ancho de banda de 20 KHz. Para calcular el Rnoise (suma de todos los contribuyentes de ruido aleatorio en esa primera etapa), divida el ruido referido de entrada integrado total por la raíz cuadrada del ancho de banda de esta manera: 4nV / sqrt (20,000) = 4nV / 141 = 30 picoVolt densidad de ruido por raíz hertz . Con un ruido de 66 ohmios que produce una densidad de ruido de 1 nanovoltio / rtHz y un ruido de 66 miliOhmios (sí,< one ohm) producing 1nV/sqrt(1,000) = 33 picoVolts, you cannot achieve 120dB SNR with only 4 milliVolts RMS input signal. Why? the lowest OpAmp Rnoise is about 10 ohms, and more usually 50 ohms; the external gain-set resistors must be rather large [>>> 66 miliOhms, para evitar la distorsión térmica; aun así, necesitará incluir búferes de salida después del opamp, para evitar la distorsión térmica].
Ahora sobre el UnityGainBandWidth del OpAmp: necesitará F3dB de aproximadamente 200KHz para tener 20KHz + -0.1dB. Y desea una ganancia de precisión de 2000X. El UGBW es F3dB * Av = 200,000Hz * 2,000 = 400,000,000. Usar un opamp con un UGBW tan alto es un gran desafío.
Si desea imágenes estéreo, necesitará una ganancia / fase de canal izquierdo-derecho coincidente, por lo que sus amplificadores operacionales necesitan suficiente ganancia en exceso para controlar con precisión la ganancia / fase hasta 20,000Hz. ¿Preciso? 0.1dB? que coloca el F3dB a 200.000 Hz. Un amplificador operacional UGBW de 10MHz permite una ganancia de 10,000,000 / 200,000 = 50X.
¿Qué es razonable intentar? Cadena de señal de amplificador operacional de varias etapas; primer amplificador operacional con Rnoise de 50 o 60 ohmios y UGBW de 10MHz; necesitará 50 m * 50X = 2,5 voltios de salida RMS a 20 KHz. SlewRate es 2.5 * 1.414 * 20,000 * 6.28 = 500,000 voltios / segundo. Desde ese primer opamp.
Entre el primer y el segundo amplificador operacional, necesitará algún tipo de atenuador variable, también conocido como control de volumen.
El segundo amplificador operacional puede ser el mismo que el primero, con una velocidad mínima de 15 voltios / uS. Walt Jung tiene consejos sobre la selección de amplificadores operacionales para proporcionar baja distorsión a altas velocidades.
¿Resultado? ganancia de precisión de 2.500x o 2.000x; SNR de 4mV / (1nV * sqrt (20.000) o 4mVolt / 141nanoVolt o 28.000 (89dB SNR). La distorsión de SlewRate depende de usted.
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Si esta salida RMS de 8 voltios necesita impulsar un ADC, ese ADC exigirá picos de carga de muestreo, y el OpAmp deberá ESTABLECERSE de nuevo al voltaje de línea de base en el orden de 0.1uSegundo. Los aumentos repentinos de la carga de muestreo producirán fallas en los filtros VDD y provocarán un zumbido. No querrá amplificar ese timbre, por lo que TRES amplificadores operacionales parecen apropiados.
Nos encantaría que puedieras dar recomendación a esta reseña si te ayudó.