Identifizieren der Quelle periodischer Artefakte am Operationsverstärkerausgang

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Mein MAX44251 Dual-Operationsverstärker hat ein sehr kleines unerwünschtes periodisches 131-kHz-Artefakt am Ausgang, anscheinend unabhängig von seiner Konfiguration.

Meine Annahme war EMI, aber ich kann dieses 131-kHz-Signal auf keinem anderen Teil der Schaltung sehen. Ich habe dies auch in mehreren Gebäuden mit mehreren Sonden getestet, bei denen alle anderen elektronischen Geräte ausgeschaltet und von einer Folienabschirmung umgeben waren.

Was soll ich versuchen, um es zu entfernen? Ich möchte mindestens einen Spannungsfolger mit Rauschen unter 1 mV erreichen.

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Der Chip wurde ursprünglich in einer komplexeren Schaltung verwendet, als ich das Problem zum ersten Mal bemerkte. ABER, um dieses Problem einzugrenzen, habe ich eine ganz neue Testplatine mit frischen Komponenten erstellt. Ich habe zusätzliche Pads belassen, um den Chip beim Testen auf unterschiedliche Weise neu zu konfigurieren.

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Im Moment ist es sehr einfach zu konfigurieren:

schematisch

simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab

Die Bypasskappen befinden sich auf der unteren Grundebenenschicht. Vias sind handgelötet.

Ich habe den Effekt sowohl mit der passiven Agilent 10X-Sonde (schwer zu erkennen) als auch mit einer Sonde wie der folgenden beobachtet, mit der ich bis zu 2 mV / div zoomen kann. Ursprünglich wurde dies beobachtet, weil der Ausgang einem Komparator zugeführt wird und der Komparatorausgang anzeigte, dass die Eingangssignalamplitude> die gewünschten 2 mV war.

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Die Wellenform ist periodisch, aber irgendwie seltsam. Hier sind ein paar Bilder aus verschiedenen Blickwinkeln:

200 ns gestoppt

200 ns gestoppt

50 ns Freilauf

50 ns Freilauf

20 ns Freilauf

20 ns Freilauf

10 ns angehalten

10 ns angehalten

Keegan Jay
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Qualitätsschema, Beschreibung des Testaufbaus, Screenshot des beobachteten Signals, Eingrenzen des Problems, Stellen einer genau definierten Frage ... Ihre Frage ist für meine Seele eine reine Freude!
Marcus Müller
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Wie ist Ihre Stromversorgung? Das sieht so aus, als würde ein Abwärts- oder Sperrwandler bei mir klingeln. Versuchen Sie es mit Batterien als Versorgung, anstatt mit dem, was Sie verwenden. Können Sie einen der Spikes vergrößern?
Dan Mills
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Oh, oh. Schauen Sie sich das Datenblatt, Seite 7, zweite Zahlenreihe, Abbildung ganz rechts an. "Eingangsspannungsrauschen gegen Frequenz". Es gibt eine hässliche Spitze bei ... 65 kHz, was die Hälfte Ihrer Beobachtung ist, aber dieser Graph geht nicht einmal auf 131 kHz.
Marcus Müller
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@DanMills Ich habe es mit +/- 9V aus zwei 9V Batterien versucht, das Artefakt ist identisch.
Keegan Jay
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@ JayKeegan Hat der Opamp eine aktive Temperaturkompensation oder eine automatische Offsetkorrektur? Sieht aus wie die Impulsantwort von etwas, das für mich einen kurzen Impuls sieht ... Wenn dies ein digitales System wäre, würde ich sagen, dass bei jedem einpoliger IIR zurückgesetzt wird , aber ich bin es Mit ziemlicher Sicherheit ist dieser Opamp analog. 1131 kHz
Marcus Müller

Antworten:

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Ich kann nicht wirklich sagen, ob dies tatsächlich ein Symptom für das ist, was im Datenblatt beschrieben wird:

Rauschen vs Frequenz

Beachten Sie, dass es bei 65 kHz einen Spitzenwert gibt, der überschreitet - ziemlich die Hälfte der Frequenz, bei der Sie Ihr Rauschen beobachten. Bis 131,5 kHz haben sie jedoch nicht charakterisiert.30nVHz

Was soll ich versuchen, um es zu entfernen? Ich möchte mindestens einen Spannungsfolger mit Rauschen unter 1 mV erreichen.

Wenn Sie nur einen Spannungsfolger mit niedriger Bandbreite benötigen: Verwenden Sie einen Tiefpassfilter.

Wenn Sie ein Signal mit bis zu 65 kHz und mehr benötigen: Eine RLC-Kerbe (Bandstopp) funktioniert wahrscheinlich am besten. Ein schneller und träger Entwurfslauf mit meinem bevorzugten passiven Filterentwurfswerkzeug ergab R = 0,16 Ω, L = 1 uH, C = 1,5 uF als mögliche Konfiguration.

RLC-Kerbe

Beachten Sie, dass Sie versuchen könnten, die inverse Schaltung (RLC-Bandpass; vertauschen Sie die (L - C) mit der R) im Rückkopplungszweig Ihres Spannungsfolgers.

Marcus Müller
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Vielen Dank für Ihre Hilfe. Ich werde der Post etwas Zeit geben, damit andere sie überprüfen können, aber ich denke, Sie haben Recht.
Keegan Jay
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Wow, das ist eine üble Sache in einem Opamp, noch schlimmer ist, wie schlecht das Datenblatt dies anzeigt, ich bin sicher, dass die meisten Leute dies übersehen würden
PlasmaHH
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@PlasmaHH um fair zu sein, auf dem Datenblatt ist die oben angegebene Zahl angegeben - aber ich stimme zu, wenn Sie etwas explizit mit einem Gewinn * bw von mehreren MHz verkaufen, möchten Sie möglicherweise erwähnen, dass es im Spektrum periodische Spurs gibt.
Marcus Müller
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Beachten Sie, dass dies ein Autozero-Verstärker ist (auch Chopper-stabilisiert genannt). Viele Opamps mit sehr geringem Offset arbeiten, indem sie den Eingangs-Offset periodisch abtasten und einen Kompensations-Offset einspeisen, um die Drift im Front-End auszugleichen. Dazu befindet sich im Operationsverstärker ein Oszillator sowie eine Reihe von Analogschaltern am Eingang. Dies kann zu einer Taktdurchführung zum Ausgang sowie zu einer Ladungsinjektion an den Eingangspins führen.

Vermutlich verwendet dieses Gerät 131 kHz als Schaltfrequenz.

Ich kann keine detaillierten Informationen zum Maxim-Teil finden, aber hier sind einige Informationen zu einem Analog Devices-Teil, die wahrscheinlich ähnlich sind:

Analog Devices Zero-Drift-Verstärker

Wenn Sie wirklich den niedrigen Offset und die Drift benötigen, sind sie die besten Geräte. Möglicherweise müssen Sie nur Ihre Bandbreite begrenzen und den Takt herausfiltern.

Die Bandbreite der automatischen Nullsetzung reicht aus, um 1 / f-Rauschen in CMOS-Opamps zu erfassen, sodass sie für Frequenzen unter 1 kHz, einem Bereich, in dem CMOS-Opamps häufig Probleme verursachen, sehr rauscharm sein können.

Wenn Sie das Taktrauschen nicht herausfiltern können, prüfen Sie, ob Sie ein herkömmliches Teil verwenden können. Oft haben sie eine schlechtere Drift- und Offset-Leistung, aber Sie können sie besser als 100-µV-Offset erzielen. Möglicherweise müssen Sie auch den Eingangsvorspannungsstrom abwägen, da bipolare Eingangsverstärker für diesen Parameter normalerweise besser als CMOS sind. Bipolar sind in der Regel auch leiser.

Ein verwandtes Problem, das ich mit einem ähnlichen Linear Technology-Teil (LTC2051) hatte, ist, dass es sehr lange dauern kann, bis sich die Autozero-Schaltung von der Überlastung erholt, wenn der Ausgang gesättigt ist - viele Millisekunden für ein Teil mit GBW von vielen MHz. Dies macht sie ungeeignet für jede Anwendung, die als normaler Teil ihres Betriebs gesättigt ist, wie z. B. Oszillatoren oder Schwellendetektoren.

Kevin White
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Haben alle ähnlichen Zero-Drift-Operationsverstärker so große Impulse? Oder ist das nur der Grund, warum dieser spezielle Operationsverstärker so billig ist? Ist die Spitzenamplitude eine Folge dieser speziellen Konfiguration? Ich nehme an, es gibt eine große Überlappung zwischen Anwendungen, die einen sehr geringen Offset erfordern, und Anwendungen, die nur Gleichstrom benötigen, aber 6 mV bei 131 kHz scheinen immer noch ziemlich erheblich zu sein.
Keegan Jay
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Verstärker mit Chopper-Stabilisierung oder automatischer Nullpunkteinstellung können im Allgemeinen als Rauschen am Ausgang angesehen werden. Alle Anbieter geben sehr niedrige Geräuschpegel an. Die App-Notiz von LT ( cds.linear.com/docs/de/lt-journal/LTC2050_1100_Mag.pdf ) sieht ein bisschen besser aus als deine, aber nicht viel.
Kevin White
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Ich muss zustimmen. Die Verwendung eines analogen Teils, der die Chopper- oder Sampling-Technologie in den analogen Pfad Ihrer Signale einspeist, muss sorgfältig durchgeführt werden, damit Sie ihn mit angemessener Bandbreitenbegrenzung verwenden, damit die Chopperfrequenzen aus Ihrem nutzbaren Frequenzspektrum herausgeschnitten werden.
Michael Karas
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Ich stimme Marcus zu, die ~ 130 kHz wären die zweite Harmonische der Chopper-Schaltfrequenz ~ 65 kHz.

Eine reduzierte "Closed Loop Bandwidth" Ihres Operationsverstärkers könnte dazu führen, dass die zweite Harmonische (~ 130 kHz) eine größere Stärke aufweist als die erste Harmonische (~ 65 kHz) ein passiver Filter, um dieses Rauschen zu filtern.

Es gibt einen Artikel von Art Kay , " 1 / f Noise and Zero-Drift Amplifiers ", der sich mit Rauschen in Zero-Drift-Operationsverstärkern befasst.

Wenn Sie mehr über Op Amp Noise erfahren möchten, besuchen Sie TI Precision Labs for Noise .

Victor S
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Ich habe keine Antwort, aber ich kann Ihnen zur Inspiration sagen, wie ich das debuggen würde.

Zuerst würde ich versuchen, eine Überbrückungskappe direkt auf den Chip zu löten. Ein 0603-Teil, 100nF, und mit einem Geflecht an den anderen Pin anschließen (für niedrige Induktivität). Ihre Bypass-Kappen befinden sich hinter Durchkontaktierungen mit relativ hoher Induktivität, und dies kann sie für die Spikes unwirksam machen. Die Spitzen liegen bei 131 kHz, aber der Frequenzinhalt ist viel höher, so dass ein guter Bypass sehr wichtig ist.

Das würde wohl scheitern :-).

Dann würde ich den Verstärker ersetzen: 1. Analog Devices stellt einige sehr niedrig abgesetzte, getrimmte Verstärker her. Der Offset ist nicht so niedrig wie bei einem Auto-Zero-Verstärker, aber probieren Sie es aus. Diese sind etwas teurer, prüfen Sie also Ihr Budget und Ihre Offset-Anforderungen. Schauen Sie sich AD8615 und ähnliches an. Das einzige, was für Massenkonsumenten etwas teuer wird.

2 Betrachten Sie auch einen guten alten Instrumenten-Bipolar-Opamp aus der burr-brown-Linie (Texas Instruments now.). Verwenden Sie an beiden Eingängen die gleiche Impedanz, um den Vorstrom zu beseitigen, und stellen Sie sicher, dass die Eingangsimpedanz niedrig genug ist, damit der Offset-Strom keine Rolle spielt. Etwas Ähnliches wie opa237.

  1. Probieren Sie einen anderen Auto-Zero-Verstärker aus, vielleicht einen mit Spread-Spectrum-Clock. Schauen Sie sich wieder die analogen Geräteteile an.

Viel Glück

user131782
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Diese Drahtselbstinduktivität beträgt 0,834 nH. Gibt es einen mathematischen Weg, um die Bedeutung seiner Wirkung zu bestimmen?
Keegan Jay