¿Qué hacen los carriles móviles (desplazamiento de la tensión en los carriles) a un amplificador óptico?

Question

Dado que he pasado una buena parte de mi carrera tratando de conseguir que los raíles de los amplificadores operacionales sean lo más estables posible en su tensión prevista, no he dedicado realmente ningún tiempo a pensar en lo que sucedería si los raíles se alejan de un valor fijo. Como sólo he estudiado brevemente el funcionamiento interno de los op amps, no estoy seguro de poder dar una respuesta definitiva.

Entonces, ¿qué sucede con la señal si los rieles se mueven? (digamos que se mueven lentamente, como menos de 5Hz, tal vez un cambio de 1V de vez en cuando) ¿Es algo más que el recorte en diferentes niveles?

Answer 1

En teoría, el OpAmp debería funcionar bien independientemente de lo que haga la alimentación.

A medida que salimos del modelo teórico de un OpAmp (recuerde que ni siquiera hay pines de alimentación en el símbolo básico, sólo IN+, IN- y OUT), tenemos que considerar más y más detalles aportados por el circuito real.

Por supuesto, muchos serán obvios para ti, pero confía en mí: al final llegaremos a una respuesta.

En primer lugar, la salida nunca puede superar la tensión suministrada al amplificador.

Entonces, el rendimiento empeora cuando la salida intenta empujar o tirar de la tensión cerca de los raíles. Esto, por supuesto, dependerá en gran medida del diseño del OpAmp - y los amplificadores Rail-to-Rail prometen dar todo el voltaje disponible en la salida.

Si nos fijamos en un OpAmp alimentado con corriente continua, cualquier señal que esté dentro de la especificación de la oscilación máxima de salida funcionará, y puedes alimentar el OpAmp con cualquier tensión positiva y negativa permitida por la hoja de datos (con respecto a la otra y a la tierra, pero ten en cuenta que el OpAmp no tiene forma de saber dónde está realmente la tierra; suministrar +3 V y -7 V no es ningún problema, y tu amplificador intentará seguir funcionando dentro de este rango de 10 V).

Las fuentes de corriente internas, las etapas diferenciales y los controladores de salida están diseñados de tal manera que el OpAmp cancela cualquier variación en los carriles de alimentación lo más rápidamente posible.

Sólo si las variaciones en los carriles de alimentación cambian con la suficiente rapidez, se empezará a notar un efecto. Normalmente, esto se establece en algún punto entre unos 100 Hz y unos 10 kHz.

Y lo mejor: Está especificado en la hoja de datos; busque el PSRR (Power Supply Rejection Ratio).

El valor suele ser muy alto para las frecuencias de CC a bajas (60...120 dB) y empieza a degradarse con lo que parece una simple característica de paso bajo por encima de cierto punto. Tenga en cuenta que estamos hablando de rechazo Así que en realidad es un paso alto aunque la pendiente baje en el diagrama:

Tenga en cuenta que el texto de la imagen dice: ±15 V - entonces, ¿qué se hace realmente a los pines de alimentación del OpAmp?

Como toda buena especificación de una hoja de datos, también hay un circuito de prueba que indica cómo se mide:

Esto también explica por qué hay dos líneas en el diagrama (-PSR y +PSR). Las fuentes de corriente internas del OpAmp, por ejemplo, a veces alimentan sus cargas desde la alimentación positiva, a veces en la alimentación negativa, y el diseño interno no es absolutamente simétrico.

Tomemos como ejemplo el viejo 741:

Sólo la etapa de salida de la derecha es simétrica, todo lo demás no lo es. Las piezas más avanzadas seguirán este principio básico hasta cierto punto.

En pocas palabras: Para la CC y las bajas frecuencias, fíjate en las especificaciones de la CC (de carril a carril con qué limitaciones de ganancia y distorsión). Para frecuencias más altas, mira la PSRR. Si aplicas un escalón a la tensión de alimentación, tienes una mezcla, porque un escalón se compone de alguna parte de alta frecuencia además del salto obvio de un nivel de CC a otro nivel de CC, lo que resulta en una perturbación en la salida causada por cualquier parte de alta frecuencia del escalón que no puede ser rechazada por el OpAmp.

Lo que no he cubierto aquí puede ser respondido en la página de Analog Devices tutorial MT-043 . También es de donde he sacado las imágenes (excepto el circuito 741).

Answer 2

Sí, hay efectos de CA. La hoja de datos del amplificador óptico debería especificar una Relación de Rechazo de la Fuente de Alimentación que le da el efecto máximo que un cambio en la fuente de alimentación tendrá en la salida. Es una cifra bastante alta -incluso el antiguo 741 tiene una cifra típica en el rango de 90dB- pero puede ser significativa si el cambio en la salida produce más cambios en la tensión de la fuente de alimentación y, por lo tanto, crea un bucle de retroalimentación que podría conducir a oscilaciones.

Evidentemente, como ya sabes, esto se suma a cualquier efecto directo, como el de depender del funcionamiento carril a carril de las entradas y salidas.

Answer 3

Hay una respuesta aceptada, pero quería mencionar un ejemplo concreto: los amplificadores de potencia de audio.

Suelen alimentarse de raíles no regulados. Es de esperar una ondulación de varios voltios a la frecuencia de la red de CA rectificada, a menudo más dependiendo de las demandas de corriente. Cuando los diodos rectificadores no conducen, que es la mayor parte del tiempo, la tensión de alimentación disminuye según la corriente de salida dividida por el valor del gran condensador de alimentación.

Además, la tensión del raíl variará en función de la amplitud de la señal. Al escuchar, las partes más ruidosas consumirán más corriente, lo que reducirá la tensión del carril. Las partes silenciosas no lo harán. Por lo tanto, la tensión de carril se mueve en la región de 0,1-2 Hz, además de la frecuencia de la red rectificada.

Estos amplificadores suelen implementarse como opamps discretos, lo que permite varios trucos para aumentar la PSRR. Un opamp discreto tiene un terminal GND, por lo que los nodos internos más sensibles a la fuente de alimentación pueden derivarse a tierra mediante un condensador barato. El condensador de compensación es una fuente importante de mala PSR en los opamps, ya que tiene que estar referenciado a una de las fuentes. En un amplificador óptico discreto, esto puede mitigarse.

El resultado es que se puede obtener un enorme rizado en los carriles sin ningún problema. De hecho, los amplificadores de potencia con rieles regulados son muy exóticos, sólo se encuentran en equipos audiófilos megabuck, y realmente, una pérdida de dinero.

He aquí un ejemplo de la vida real ;)

¿Qué sucede con la señal si los rieles se mueven? (digamos que se mueven lentamente, como menos de 5Hz, tal vez un cambio de 1V de vez en cuando) ¿Es algo más que el recorte en diferentes niveles?

La PSRR de LF es enorme, así que no pasa nada.

Los opamps tienen una baja PSRR de HF, y por lo tanto no les gusta un mal desacoplamiento que crea un timbre de HF en los suministros, u otras fuentes de ruido de HF como los reguladores de conmutación mal filtrados. La variación de la tensión de alimentación en LF no debería importar en absoluto. Tal vez el voltaje de compensación podría derivar debido a los efectos térmicos, pero esto debería ser mínimo.