¿Beneficios de múltiples etapas de ganancia de op-amp en serie?

Noise:

Digamos que su opamp tiene GBW de 10MHz y un ruido de 1µV (para mantener las cosas simples). La fuente también tiene ruido de 1 µV RMS.

Cada opamp amplificará su propio ruido por la ganancia de ruido del circuito, más el ruido de todo el flujo ascendente, por supuesto, por la ganancia del circuito. Así que desea que la ganancia de la primera etapa sea lo suficientemente alta (por ejemplo, al menos 10) para que el ruido de la fuente y la primera opamp (que ahora se amplifican 10x) domine el ruido agregado por las otras opamps en sentido descendente.

Entonces, aquí:

• digamos que queremos una ganancia de 100, 1st opamp tiene ganancia G1 = 10, 2nd tiene ganancia G2 = 10.

1st opamp amplifica el ruido de la fuente (1µV), más su propio (1µV) por G1, esto se suma en RMS, por lo que en la salida de OPA1 obtuvimos 14µV, esto se amplificó luego por G2 y tenemos un ruido de 141.7µV salida.

• G1 = 1, G2 = 100

1st opamp simplemente agrega su propio ruido a la fuente (1.4µV en la salida), luego el segundo opamp agrega su propio ruido y amplifica 100x. Obtenemos 172 µV de ruido en la salida.

Esto solo importa si la fuente es de bajo ruido. Si el ruido de la fuente es más alto de lo que agregará OPA1, entonces importa mucho menos.

Nota: Esto también se aplica a la tensión de compensación, que puede ser el factor de ruptura a veces.

Distortion:

Tu opamp 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 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 hertz, ya que hay muy poca ganancia de bucle para corregir las no linealidades opamp.

Si ambas opamps son idénticas, la mejor distorsión se logrará haciendo que compartan la ganancia por igual, es decir, ambas con una ganancia de 44, cuyo producto es 1936.

Esto puede interferir con las consideraciones de ruido, pero en este caso, no debería.

Si esto es por CC de precisión, recuerde que la precisión de ganancia de bucle cerrado depende de la ganancia de bucle abierto disponible (GBW dividido por Ganancia).

Gotchas

El primer opamp no necesita ser riel a riel, ni alta corriente de salida, lo que brinda una opción más amplia de opamps de bajo ruido o precisión. Su unidad de corriente de salida y velocidad de respuesta son menos importantes que las del segundo operador (vea la respuesta de Null).

El segundo amplificador no necesita tener una etapa de entrada de alta precisión, tampoco tiene que ser FET, ya que es impulsado desde una baja impedancia. Puede tener una unidad de salida fuerte, o 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 la segunda operación (cosa buena, entonces no es JFET).

Además de mejorar el producto de ancho de banda de ganancia del circuito, dividir el amplificador en múltiples etapas le permite elegir diferentes amplificadores operacionales diseñados para sobresalir en características particulares. Por ejemplo, puede elegir un amplificador operacional con buenas características de entrada (es decir, baja desviación, bajo ruido, etc.) para la primera etapa y un amplificador operacional (posiblemente diferente) con buenas características de salida (máxima variación de voltaje de salida, máxima corriente de salida, etc.) para la última etapa. Con solo una etapa, tendría que encontrar un amplificador operacional de todos los comercios que tenga características de entrada y salida suficientemente buenas (sin mencionar un producto con un ancho de banda de ganancia lo suficientemente alto).

Las características de entrada del amplificador operacional de la primera etapa son las más importantes, ya que todas las no idealidades de entrada del amplificador operacional (compensación, ruido, etc.) se amplifican completamente junto con la señal (ya que se amplifican en todas las etapas). Las no idealidades en los amplificadores operacionales para las etapas segunda, tercera, etc. no están completamente amplificadas y no son una preocupación tan grande. En contraste, 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, el cambio de voltaje máximo de salida del amplificador operacional debe ser suficiente para el cambio de voltaje de salida de señal requerido (8 Vrms en su caso), y debe tener una tasa de variación suficiente para su señal amplificada. Es posible que el amplificador operacional de la última etapa también deba manejar una carga de baja impedancia, en cuyo caso debe ser capaz de generar / hundir más corriente de salida.

Si el ruido es una preocupación, también puede considerar el uso de etapas adicionales de filtro de paso de banda activo y amplificador operacional 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 TLE2027 bajo amplificador op de ruido de precisión . Tiene muy buenas características de entrada, pero sus características de salida no son las mejores. En particular, solo se garantiza que su velocidad de giro sea del orden de \ $ 1 \ text {V} / {\ mu \ text {s}} \ $ en toda 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, necesitará 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 se trata de un riel a riel en la salida; la señal de salida puede recortarse utilizando este amplificador operacional, dependiendo de los voltajes de suministro (por ejemplo, si usó baterías de 9 V). Probablemente necesitarías usar un amplificador operacional diferente para la última etapa en tu amplificador.

¿Se puede realizar su diseño [Av = 2,000x, DC - 20KHz + -0.1dB, SNR = 120dB (piso de 20 bits)] con una OpAmp? ¿Esto es para audio de 20 o 24 bits?

edite [¿puede uno opamp manejar las demandas de carga de entrada de ADC del circuito de retención de muestras de ADC, pero resolver muy rápidamente?]

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

Primero, ¿qué se necesita Rnoise? Con un ruido de 120dB por debajo de 4 miliVolts RMS, necesita 4 nanoVolts RUIDO CON REFERENCIA DE ENTRADA INTEGRADO TOTAL. Es decir, el ruido debe ser 10 ^ -6 más pequeño que el nivel de entrada mínimo; 4mV * 1e-6 = 4 nanoVolts RMS. En 20KHz de ancho de banda. Para calcular el Rnoise (la suma de todos los contribuyentes de ruido aleatorio en esa primera etapa), divida el ruido total integrado de entrada referido por squareroot del ancho de banda así: 4nV / sqrt (20,000) = 4nV / 141 = 30 picoVolt densidad de ruido por hertz de raíz . Con 66 Ohms Rnoise produciendo una densidad de ruido de 1 nanovoltio / rtHz, y 66 miliOhms Rnoise (sí, < < un ohmio) produciendo 1nV / sqrt (1,000) = 33 picoVolts, no puede alcanzar 120dB SNR con solo 4 milliVolts RMS de señal de entrada. ¿Por qué? el OpAmp Rnoise más bajo es de unos 10 ohmios, y más generalmente de 50 ohmios; las resistencias externas de ajuste de ganancia deben ser bastante grandes [> > > 66 miliOhms, para evitar la distorsión térmica; aún así, deberás incluir buffers de salida después del opamp, para evitar la distorsión térmica].

Ahora acerca de UnityGainBandWidth de OpAmp: necesitará un F3dB de aproximadamente 200 KHz para tener 20KHz + -0.1dB. Y quieres una ganancia de precisión de 2,000X. El UGBW es F3dB * Av = 200,000Hz * 2,000 = 400,000,000. Usar un opamp con ese alto UGBW es un gran desafío.

Si desea obtener imágenes estéreo, necesitará una ganancia / fase de canal izquierda-derecha coincidente, por lo que sus opamps necesitan suficiente ganancia en exceso para controlar con precisión la ganancia / fase hasta 20,000Hz. ¿Preciso? 0.1dB? que coloca el F3dB a 200,000Hz. Un opamp UGBW de 10MHz permite una ganancia de 10,000,000 / 200,000 = 50X.

¿Qué es razonable intentar? Cadena de señal opamp multietapa; primer opamp con Rnoise de 50 o 60 ohms y UGBW de 10MHz; necesitará 50m * 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 la primera y la segunda opamp, necesitarás algún tipo de atenuador variable, también conocido como control de volumen.

El segundo control óptico puede ser el mismo que el primero, con un mínimo de 15 voltios / uS. Walt Jung tiene consejos sobre la selección de opamps para proporcionar baja distorsión a altos índices de giro.

¿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 incrementos de carga de muestreo, y el OpAmp necesitará CONFIGURAR de nuevo a la tensión base en el orden de 0.1uSegundos. Las sobrecargas de carga de muestreo cambiarán a los filtros de VDD y causarán el timbre. No querrás amplificar ese timbre, por lo que TRES opamps parecen apropiados.