Welche Parameter eines echten Operationsverstärkers bestimmen die niedrigste Spannung, die er verstärken kann?

Ich versuche, ein 0,5-mV-Wechselstromsignal (von etwa 4 kHz bis 8 kHz, das von einem Elektretmikrofon erzeugt wird) auf etwa 50 mV zu verstärken. Ich denke an die Verwendung eines invertierenden Verstärkers mit LM358-Operationsverstärker.

Das Datenblatt gibt an, dass es eine Eingangsoffsetspannung von 2 mV hat. Bedeutet dies, dass es nicht möglich ist, Signale in der Größenordnung von 2 mV zu verstärken?

Was sind die Parameter, nach denen ich suchen sollte, wenn ich versuche, einen Verstärker für diese Art von Anwendung zu entwickeln?

Welche Parameter eines echten Operationsverstärkers bestimmen die niedrigste Spannung, die er verstärken kann?

Es geht um das Verhältnis von Signal (erwünscht) zu Rauschen (nicht erwünscht) (SNR). Der LM358 hat ein äquivalentes Eingangsspannungsrauschen von 55 nV pro Quadratmeter (Hz). Das klingt wahrscheinlich verwirrend, ist es aber nicht. Angenommen, Ihre Bandbreite beträgt 10 kHz$^1$ - Das Gesamtrauschen beträgt 55 nV x sqrt (10.000) = 5,5 uV RMS.

Wenn Ihr Signalpegel 500 uV beträgt, beträgt Ihr SNR 20 log (500 / 5,5) = 39 dB.

Ist das akzeptabel? Ich weiß es nicht, aber es wäre gut für ein Telefongespräch.

Bedeutet dies, dass es nicht möglich ist, Signale in der Größenordnung von 2 mV zu verstärken?

Nein, die 2-mV-Zahl sagt Ihnen, dass bei einer Verstärkung von 100 eine Ausgangsoffsetspannung (ein Fehler) von 0,2 V angezeigt wird - dies sollte normalerweise bei einem Wechselstromverstärker kein Problem sein.

$^1$ Es liegt in der Verantwortung des Entwicklers, eine Filterung zu integrieren, die Rauschen über 10 kHz ausreichend entfernt - beispielsweise reicht ein Filter 1. Ordnung (ein einfacher Kondensator über dem Rückkopplungswiderstand zur Verstärkungseinstellung) normalerweise aus, aber für diesen Filtertyp reicht die "Rauschbandbreite" aus etwas größer sein als durch die CR-Komponenten bestimmt ($\pi/2$größer). Mit anderen Worten, ein 10-kHz-Filter hat eine Rauschbandbreite von 15,7 kHz und dies würde das Rauschen von 5,5 uV RMS auf 6,9 uV RMS erhöhen.

Nein, der LM358 funktioniert nicht wie beschrieben für Ihre Anwendung. Aber nicht wegen der Eingangsoffsetspannung.

Die Eingangsoffsetspannung ist die Spannung, die an die Eingangsanschlüsse angelegt werden muss, damit der Ausgang auf 0 V gebracht wird (oder was auch immer der Ausgang ist und was Sie als Masse wählen). Dies ist jedoch möglicherweise nicht die hilfreichste Beschreibung, daher möchte ich die Eingangsoffsetspannung in der Schaltung sehen.

Die Eingangsoffsetspannung kann als Spannung in Reihe mit einem (aber nicht beiden) der Eingänge betrachtet werden. Es spielt keine Rolle, welche, und die Offset-Spannung kann eine der beiden Polaritäten haben und irgendwo in den im Datenblatt angegebenen Bereich fallen. Es ist eine Quelle für Gleichstromfehler , da alles, was Sie verstärken, die Spannung ist, an der Sie interessiert sind ± die Offset-Spannung, die mit einem der Eingänge in Reihe geschaltet ist. Selbst wenn Sie 500 µV verstärken und Ihr Offset im schlimmsten Fall bei 2 mV liegt und Sie eine Verstärkung von 100 wünschen, führt der 0-V-Eingang zu 0,2 V am Ausgang. 500µV am Eingang führen zu 0,25V am Ausgang. Das verstärkt sicherlich das Signal, aber es ist nur dieser Fehler überlagert.

Die Eingangsoffsetspannung ist also einfach das, ein Gleichspannungsoffset, der immer vorhanden ist und zusammen mit allem anderen am Eingang verstärkt wird. Wenn Sie einen bestimmten DV-Spannungspegel messen möchten und diesen verstärkt benötigen, ist der Offset in der Tat ein sehr reales Problem. Bei der Verstärkung von Wechselstromsignalen ist dies jedoch kein so großes Problem. Dies verringert Ihren Dynamikbereich und Ihre maximale Verstärkung, da 2 mV Gleichspannung am Ausgang 2 V mit einer Verstärkung von 1000 betragen, sodass Ihr Ausgang 2 V weniger schwingen kann, sodass ein Übersteuern auftreten kann.

Die schlechte Nachricht ist, dass diese Offset-Spannung selbst zwischen Geräten, die auf demselben Wafer hergestellt wurden, ziemlich zufällig sein wird. Einer könnte 2 mV sein, ein anderer 1 mV, wer weiß. Schlimmer noch, der Offset driftet mit der Zeit und der Temperatur.

Die gute Nachricht ist, dass dies zu einem DC-Fehler beiträgt. Sie verstärken ein Wechselstromsignal. Es wird Wechselstrom gekoppelt. Denken Sie daran, dass der Gleichstromversatz genau das ist - eine Gleichspannung, der das Wechselstromsignal überlagert wird. Wenn Sie die Gleichstromkomponente mit einem Kondensator blockieren, erhalten Sie das Wechselstromsignal.

In diesem Sinne würde der LM358 perfekt funktionieren. Nur wird es nicht. Es ist zu langsam. Es tut uns leid. Es hat ein Verstärkungsbandbreitenprodukt von 0,7 MHz. Das heißt, die Verstärkung fällt bei dieser Frequenz auf 1. Da Ihre Verstärkung 100 beträgt, können nur Signale mit 7000 Hz (700.000 Hz / 100) oder weniger verstärkt werden. Signale darüber sehen wesentlich weniger als das 100-fache der Verstärkung, was bedeutet, dass der Ausgang eine erhebliche frequenzabhängige Verzerrung aufweist.

Wenn Sie sich nun mit einer etwas geringeren Verstärkung zufrieden geben können, z. B. 80 statt 100, können Sie die volle Verstärkung über den gewünschten Frequenzbereich beibehalten. In diesem Fall funktioniert der LM358 einwandfrei. Also gut". Es hat eine Menge Crossover-Verzerrungen, aber ich bezweifle, dass dies die Audio-Wiedergabetreue erheblich verschlechtern wird, wenn Ihr Eingang ein Elektretmikrofon ist. Das heißt, der LM358 ist ein ziemlich beschissener Audioverstärker, aber er funktioniert hervorragend, wenn Ihr Audio noch beschissener ist, was definitiv von einem elektrischen Mikrofon mit enger Reichweite kommen wird.

Reduzieren Sie Ihre Verstärkung auf 80 und erwarten Sie kein Audio in CD-Qualität oder ähnliches. Dann sollte der LM358 einwandfrei funktionieren.

Neben dem Produkt für die Verstärkungsbandbreite (das wahrscheinlich der wichtigste Parameter für die Verstärkung von Wechselstromsignalen ist) können Sie diesen Operationsverstärker einfach nicht verwenden, wenn er zu niedrig ist, und müssen einen schnelleren finden. Aber solange Sie nicht fragen Um dies zu übertreffen, ist es nicht mehr besonders wichtig. Es ist ein Alles-oder-Nichts-Parameter. Dinge wie CMRR (das ist, wie gut der Operationsverstärker Signale zurückweist, die beiden Eingängen gemeinsam sind - mit anderen Worten, all der Mist, den ISN ' Das Signal), das Eingangsspannungsrauschen und die Spannungsverstärkung in einer Last sind wahrscheinlich ziemlich wichtig.

Das Eingangsspannungsrauschen wird durch Ihre Verstärkung genau wie Ihr Signal und Ihr Offset verstärkt. Wenn Ihr Eingangsrauschen also 50 µV beträgt, entspricht dies viel eher der harten Grenze, die Sie sich als Offset-Spannung vorstellen. Jedes Signal, das 50µV oder weniger beträgt, wird nur im Rauschen übertönt, und es gibt zufällige Schwankungen von 50µV und überall darunter, die ständig der Eingangsspannung überlagert werden. Denken Sie also daran. Ich stelle mir gerne Rauschen, Offset und all das Zeug als Spannungsquellen in Reihe mit einem Eingang vor, und tatsächlich können sie auf diese Weise modelliert werden. Aber ich finde, es hilft mir auch von einer intuitiven Verständnisposition aus.

Die Spannungsverstärkung, die normalerweise in scheinbar albernen Einheiten wie V / mV gemessen wird, gibt an, wie viel Verstärkung Sie bei einer bestimmten Belastung des Ausgangs erwarten können. Viele Operationsverstärker verlieren einen Großteil ihrer Verstärkung, wenn Sie fordern, dass sie eine zu niedrige Impedanzlast betreiben. Überprüfen Sie dies einfach, um sicherzugehen.

Auf jeden Fall sind Operationsverstärker dankenswerterweise etwas einfacher zu verwenden und es gibt weniger kritische Parameter, wenn Sie sie in einer AC-Verstärkeranwendung verwenden. Solange es nicht zu langsam und nicht zu laut ist und der Eingang die Eingangsimpedanz steuern kann und der Ausgang des Operationsverstärkers die Impedanz steuern kann, die den Ausgang lädt, werden Sie im Allgemeinen keine Überraschungen erleben. Die Dinge werden viel schlimmer, wenn Sie sie für DC-Sachen verwenden.

Das Transformieren des Signals von 0,5 mV auf 50 mV erfordert eine Verstärkung von 100. Der Eingangsversatz von 2 mV am Operationsverstärker verschiebt den Ausgang des Verstärkers um den Betrag multipliziert mit der Verstärkung, sodass in diesem Fall bis zu 200 mV Gleichstromversatz zum Signal beitragen können . Dieser Versatz kann abhängig von der Polarität des Eingangsversatzes und der Verstärkungskonfiguration entweder invertierend oder nicht invertierend -200 mV oder + 200 mV betragen.

Wenn Sie das Signal mit der nächsten Stufe mit Wechselstrom koppeln können, ist dieser Offset möglicherweise nicht von großer Bedeutung, solange das verstärkte Signal in der Mitte des Verstärkerausgangsbereichs bleibt.

Wenn Sie ein DC-gekoppeltes Signal benötigen, können Sie eine bessere Verstärkerqualität mit kleiner maximaler Offset-Spannung auswählen oder eine Offset-Nullungseinstellung mit einem Trimpot einrichten, um den Verstärker-Offset auszugleichen.

Aus Ihrer Frage ergibt sich anscheinend ein Gewinn von 100.

Das $V_{OS}$Der Term wird auch mit dieser Verstärkung multipliziert, sodass der Verstärkerausgang einen Gleichstromversatz von +/- 200 mV (typisch bei 25 ° C) aufweist, der jedoch bis zu +/- 700 mV betragen kann. Beachten Sie, dass der DC-Ausgangsoffset entweder positiv oder negativ sein kann.

Wenn dieser Versatz keine Rolle spielt, weil sich das 50-mV-Wechselstromsignal beim Fahren auf diesem Versatz nicht den Stromschienen nähert, vorausgesetzt, Sie versorgen das Gerät mit einer geeigneten Versorgung, die sicherstellt, dass sich der Ausgang der positiven Schiene nicht näher als 1,5 V und der negativen Schiene nähert Bei 2 V sollte es Ihnen gut gehen, wenn Sie sich nur um das Wechselstromsignal im Ausgang kümmern.

Beachten Sie, dass der Eingangswiderstand 1 k beträgt, da der normalerweise verwendete maximale Rückkopplungswiderstand etwa 100 k beträgt. Dies ist die Last, die Ihr Eingangssignal sehen würde. Sie müssen sicherstellen, dass Ihr Eingangssignal diese Last ansteuern kann.