Vorteile mehrerer Verstärkerstufen in Reihe?

Ich bin etwas verloren in Bezug auf die Leistung mehrerer Operationsverstärker in Serie. Mein Anwendungsfall wäre die Verstärkung von Niederspannungs-Audiosignalen (4-50 mVRMS) auf ungefähr 8VRMS.

Ich habe nur eine Dokumentation darüber gefunden, wie die Verstärkung das Bandbreitenprodukt des Verstärkers beeinflusst, aber ich bin verloren, wenn es um Rauschen und Verzerrungen geht. Ich hatte gehofft, eine bessere Leistung hinsichtlich der Verstärkung des Signals zu erzielen, wenn mehrere Verstärkungsstufen in Reihe verwendet wurden, fand jedoch keine Dokumentation, die eine Verbesserung der Leistung nahe legen würde.

Gibt es einen anderen Vorteil bei der Verkettung mehrerer Verstärker in Reihe als die Verbesserung des Bandbreitenprodukts der Schaltung?

Lärm:

Angenommen, Ihr Operationsverstärker hat ein GBW von 10 MHz und ein Rauschen von 1 µV (um die Dinge einfach zu halten). Die Quelle hat auch 1µV RMS Rauschen.

Jeder Operationsverstärker verstärkt sein eigenes Rauschen durch die Rauschverstärkung der Schaltung sowie das Rauschen von allem, was sich stromaufwärts befindet, natürlich durch die Verstärkung der Schaltung. Sie möchten also, dass die Verstärkung der ersten Stufe hoch genug ist (z. B. mindestens 10), damit das Rauschen der Quelle und des ersten Operationsverstärkers (die jetzt um das 10-fache verstärkt werden) das von den anderen nachgeschalteten Operationsverstärkern hinzugefügte Rauschen dominiert.

Also hier:

• Angenommen, wir wollen eine Verstärkung von 100, der 1. Opamp hat die Verstärkung G1 = 10, die 2. hat die Verstärkung G2 = 10.

Der erste Operationsverstärker verstärkt das Quellenrauschen (1µV) plus sein eigenes (1µV) durch G1. Dies summiert sich in RMS, sodass wir am Ausgang von OPA1 14µV erhalten, dies wird dann durch G2 verstärkt und wir haben 141,7µV Rauschen am Ausgang.

• G1 = 1, G2 = 100

Der erste Operationsverstärker fügt der Quelle einfach sein eigenes Rauschen hinzu (1,4 µV am Ausgang), der zweite Operationsverstärker fügt sein eigenes Rauschen hinzu und verstärkt das 100-fache. Wir bekommen 172µV Rauschen am Ausgang.

Dies ist nur wichtig, wenn die Quelle rauscharm ist. Wenn das Quellenrauschen höher ist als das, was OPA1 hinzufügt, ist es viel weniger wichtig.

Hinweis: Dies gilt auch für Offset-Spannungen, die manchmal der Dealbreaker sein können.

Verzerrung:

Ihr Opamp hat ein GBW von 10 MHz. Sie wollen einen Gewinn von 160-2000.

Mit einem Opamp geben Sie 2000 GBW für Gewinn aus. Es verbleiben also nur noch 10M / 2000 = 5kHz GBW, um Verzerrungen zu korrigieren und, was noch wichtiger ist, das Signal tatsächlich zu verarbeiten!

Hier hat die Schaltung eine geschlossene Bandbreite von etwa 5 kHz und eine schreckliche Verzerrung über einigen hundert Hertz, da es nur eine sehr geringe Schleifenverstärkung gibt, um Opamp-Nichtlinearitäten zu korrigieren.

Wenn beide Operationsverstärker identisch sind, wird die beste Verzerrung erzielt, indem sie die Verstärkung gleichmäßig teilen, dh beide mit einer Verstärkung von 44, deren Produkt 1936 ist.

Dies kann die Überlegungen zum Rauschen beeinträchtigen, sollte dies jedoch in diesem Fall nicht tun.

Wenn dies für Präzisions-Gleichstrom gilt, denken Sie daran, dass die Genauigkeit der Verstärkung im geschlossenen Regelkreis von der verfügbaren Verstärkung im offenen Regelkreis abhängt (GBW geteilt durch Verstärkung).

Fallstricke

Der erste Operationsverstärker muss weder Schiene zu Schiene noch ein hoher Ausgangsstrom sein, was eine größere Auswahl an rauscharmen oder präzisen Operationsverstärkern bietet. Der Ausgangsstromantrieb und die Anstiegsgeschwindigkeit sind weniger wichtig als der zweite Operationsverstärker (siehe Nulls Antwort).

Der zweite Verstärker muss keine hochpräzise Eingangsstufe haben und muss auch kein FET sein, da er von einer niedrigen Impedanz angesteuert wird. Bei Bedarf kann der Antrieb stark sein oder von Schiene zu Schiene. Oder es kann einfach billiger sein ...

Aber ... die Gleichtaktverzerrung der Eingangsstufe im nicht invertierenden Modus ist im zweiten Operationsverstärker schlechter (gut, dass es dann kein JFET ist).

Durch die Aufteilung des Verstärkers in mehrere Stufen können Sie nicht nur das Produkt der Verstärkungsbandbreite der Schaltung verbessern, sondern auch verschiedene Operationsverstärker auswählen, die für bestimmte Eigenschaften ausgelegt sind. Sie können beispielsweise einen Operationsverstärker mit guten Eingangseigenschaften (dh geringem Offset, geringem Rauschen usw.) für die erste Stufe und einen (möglicherweise anderen) Operationsverstärker mit guten Ausgangseigenschaften (maximaler Ausgangsspannungshub, maximaler Ausgangsstrom) auswählen. etc.) für die letzte Stufe. Mit nur einer Stufe müssten Sie einen Allround-Operationsverstärker finden, der über genügend Eingangs- und Ausgangseigenschaften verfügt (ganz zu schweigen von einem Produkt mit ausreichender Verstärkungsbandbreite).

Die Eingangseigenschaften des Operationsverstärkers der ersten Stufe sind am wichtigsten, da alle Nichtidealitäten des Eingangs des Operationsverstärkers (Offset, Rauschen usw.) zusammen mit dem Signal vollständig verstärkt werden (da sie von allen Stufen verstärkt werden). Nichtidealitäten in den Operationsverstärkern für die zweite, dritte usw. Stufe werden nicht vollständig verstärkt und sind weniger besorgniserregend. Im Gegensatz dazu benötigt der Operationsverstärker der ersten Stufe keine guten Ausgangseigenschaften, da sein Ausgang nicht so stark schwingt wie spätere Stufen und eine Last mit relativ hoher Impedanz ansteuert (die nächste Stufe des Operationsverstärkers).

Der Operationsverstärker der letzten Stufe kann die schlechtesten Eingangseigenschaften aufweisen, da das Signal an seinem Eingang nahezu vollständig verstärkt ist und viel größer ist als der Offset, das Rauschen usw. des Operationsverstärkers. Der Operationsverstärker der letzten Stufe benötigt jedoch gute Ausgangseigenschaften. Zum Beispiel muss der maximale Ausgangsspannungshub des Operationsverstärkers für den erforderlichen Signalausgangsspannungshub (in Ihrem Fall 8 Veff) ausreichend sein und eine ausreichende Anstiegsrate für Ihr verstärktes Signal aufweisen. Der Operationsverstärker der letzten Stufe muss möglicherweise auch eine Last mit niedriger Impedanz ansteuern. In diesem Fall muss er in der Lage sein, mehr Ausgangsstrom zu liefern / abzusenken.

Wenn Rauschen ein Problem darstellt, können Sie auch zusätzliche aktive Bandpassfilterstufen für Operationsverstärker verwenden, um das Außerbandrauschen zu reduzieren. Diese Stufen liefern möglicherweise keine Signalverstärkung, würden jedoch die Leistung des Gesamtverstärkers verbessern.

Um ein konkretes Beispiel zu geben, habe ich einmal einen rauscharmen Mikrofonvorverstärker entwickelt, der auf dem rauscharmen Präzisions-Operationsverstärker TLE2027 basiert . Es hat sehr gute Eingabeeigenschaften, aber seine Ausgabeeigenschaften sind nicht die besten. Insbesondere wird garantiert, dass die Anstiegsgeschwindigkeit nur in der Größenordnung von liegt$1\text{ V}/{\mu\text{s}}$über die Temperatur hinweg (die Spezifikationsgrenze variiert zwischen den Versionen - siehe Datenblatt). Für ein 8-Veff-Ausgangssignal bei 20 kHz benötigen Sie jedoch eine Anstiegsgeschwindigkeit von$8\text{ V}\times \sqrt{2} \times 2\pi\times 20{\text{ kHz}} \approx 1.4\text{ V}/{\mu\text{s}}$. Es ist auch nicht Rail-to-Rail am Ausgang - das Ausgangssignal kann mit diesem Operationsverstärker abhängig von Ihren Versorgungsspannungen (z. B. wenn Sie 9-V-Batterien verwendet haben) abgeschnitten werden. Sie müssten wahrscheinlich einen anderen Operationsverstärker für die letzte Stufe Ihres Verstärkers verwenden.

Kann Ihr Design [Av = 2.000x, DC - 20KHz + -0,1dB, SNR = 120dB (20-Bit-Floor)] mit einem OpAmp ausgeführt werden? Ist das für 20 oder 24 Bit Audio?

edit [Kann dieser eine Operationsverstärker die ADC-Eingangsladeanforderungen der ADC-Sample-Hold-Schaltung steuern und sich dennoch sehr schnell erledigen?]

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Erstens, welche Rnoise wird benötigt? Bei einem Rauschen von 120 dB unter 4 Millivolt RMS benötigen Sie 4 NanoVolt TOTAL INTEGRATED INPUT-REFERRED NOISE. Das heißt, das Rauschen muss 10 ^ -6 kleiner als der minimale Eingangspegel sein; 4 mV * 1e-6 = 4 nanoVolt RMS. In 20KHz Bandbreite. Um den Rnoise (Summe aller zufälligen Rauschbeiträge in dieser ersten Stufe) zu berechnen, dividieren Sie das gesamte integrierte eingangsbezogene Rauschen durch die Quadratwurzel der Bandbreite wie folgt: 4 nV / sqrt (20.000) = 4 nV / 141 = 30 picoVolt-Rauschdichte pro Wurzel-Hertz . Mit 66 Ohm Rnoise, das eine Rauschdichte von 1nanovolt / rtHz erzeugt, und 66 MilliOhm Rnoise (ja, << ein Ohm), das 1nV / sqrt (1.000) = 33 picoVolt erzeugt, können Sie mit nur 4 MilliVolt RMS-Eingangssignal kein SNR von 120 dB erreichen. Warum? der niedrigste OpAmp Rnoise beträgt ungefähr 10 Ohm und üblicherweise 50 Ohm; Die externen Verstärkungswiderstände müssen ziemlich groß sein [>>> 66 Milliohm, um thermische Verzerrungen zu vermeiden; Trotzdem müssen Sie nach dem Operationsverstärker Ausgangspuffer einfügen, um thermische Verzerrungen zu vermeiden.

Nun zur UnityGainBandWidth des OpAmp: Sie benötigen F3dB von ungefähr 200KHz, um 20KHz + -0,1dB zu haben. Und Sie möchten einen Präzisionsgewinn von 2.000X. Der UGBW beträgt F3dB * Av = 200.000 Hz * 2.000 = 400.000.000. Die Verwendung eines Opamps mit einem so hohen UGBW ist eine große Herausforderung.

Wenn Sie Stereo-Imaging wünschen, benötigen Sie eine angepasste Verstärkung / Phase des Links-Rechts-Kanals. Daher benötigen Ihre Operationsverstärker genügend überschüssige Verstärkung, um die Verstärkung / Phase bis zu 20.000 Hz präzise zu steuern. Präzise? 0,1 dB? Damit liegt der F3dB bei 200.000 Hz. Ein 10-MHz-UGBW-Operationsverstärker ermöglicht eine Verstärkung von 10.000.000 / 200.000 = 50X.

Was ist vernünftig zu versuchen? Mehrstufige Opamp-Signalkette; erster Operationsverstärker mit Rnoise von 50 oder 60 Ohm und UGBW von 10 MHz; Sie benötigen einen RMS-Ausgang von 50 m * 50X = 2,5 Volt bei 20 kHz. Die Anstiegsgeschwindigkeit beträgt 2,5 * 1,414 * 20.000 * 6,28 = 500.000 Volt / Sekunde. Von diesem ersten Opamp.

Zwischen dem ersten und zweiten Operationsverstärker benötigen Sie eine Art variablen Abschwächer, auch bekannt als Lautstärkeregler.

Der 2. Operationsverstärker kann mit mindestens 15 Volt / US-Anstiegsgeschwindigkeit mit dem ersten identisch sein. Walt Jung hat Ratschläge zur Auswahl von Opamps, um eine geringe Verzerrung bei hohen Drehzahlen zu erzielen.

Ergebnis? Präzisionsgewinn von 2.500x oder 2.000x; SNR von 4 mV / (1 nV * sqrt (20.000) oder 4 mVolt / 141 nanoVolt oder 28.000 (89 dB SNR). Die Anstiegsverzerrung liegt bei Ihnen.

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Wenn dieser 8-Volt-RMS-Ausgang einen ADC ansteuern muss, fordert dieser ADC Abtastladeschübe an, und der OpAmp muss in der Größenordnung von 0,1 uSecond wieder auf die Grundspannung zurückgesetzt werden. Die Ladestöße der Abtastung stören die VDD-Filter und verursachen ein Klingeln. Sie werden dieses Klingeln nicht verstärken wollen, daher scheinen DREI Operationsverstärker angemessen zu sein.