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

Question

Estoy un poco perdido en lo que respecta a cómo funcionarán varios op-amps en serie. Mi caso de uso sería la amplificación de señales de audio de bajo voltaje (4-50mVRMS) a aproximadamente 8VRMS.

Sólo he encontrado documentación sobre cómo influye la ganancia en el ancho de banda-producto del amplificador, pero estoy perdido en lo que se refiere al ruido y la distorsión. Esperaba conseguir un mejor rendimiento en cuanto a la amplificación de la señal al utilizar múltiples etapas de ganancia en serie, pero no encontré ninguna documentación que sugiriera una mejora en el rendimiento al hacerlo.

¿Hay alguna ventaja en encadenar varios amplificadores en serie aparte de mejorar el ancho de banda-producto del circuito?

Answer 1

Además de mejorar el producto de ganancia-ancho de banda del circuito, dividir el amplificador en varias etapas permite elegir diferentes amplificadores operacionales diseñados para sobresalir en determinadas características. Por ejemplo, puede elegir un amplificador óptico con buenas características de entrada (es decir, bajo desplazamiento, bajo ruido, etc.) para la primera etapa y un amplificador óptico (posiblemente diferente) con buenas características de salida (máxima oscilación de la tensión de salida, máxima corriente de salida, etc.) para la última etapa. Con una sola etapa tendrías que encontrar un amplificador óptico que tuviera unas características de entrada y salida lo suficientemente buenas (por no mencionar un producto de ganancia y ancho de banda lo suficientemente alto).

Las características de entrada del amplificador óptico de la primera etapa son las más importantes, ya que todas las no idealidades de entrada de ese amplificador óptico (desplazamiento, ruido, etc.) se amplifican completamente junto con la señal (ya que son amplificadas por todas las etapas). Las no idealidades en los amplificadores operacionales de la segunda, tercera, etc., no se amplifican completamente y no son tan preocupantes. Por el contrario, el amplificador óptico de la primera etapa no necesita buenas características de salida, ya que su salida no oscilará tanto como la de las etapas posteriores y conduce una carga de impedancia relativamente alta (la siguiente etapa del amplificador óptico).

El amplificador óptico de última etapa puede tener las peores características de entrada, ya que la señal en su entrada está casi totalmente amplificada y es mucho mayor que el offset del amplificador óptico, el ruido, etc. Sin embargo, el amplificador óptico de última etapa necesita buenas características de salida. Por ejemplo, la oscilación máxima de la tensión de salida del amplificador óptico debe ser suficiente para la oscilación de la tensión de salida de la señal requerida (8 Vrms en su caso), y debe tener una velocidad de giro suficiente para su señal amplificada. Es posible que el amplificador óptico de última etapa también tenga que manejar una carga de baja impedancia, en cuyo caso debe ser capaz de generar/enviar más corriente de salida.

Si el ruido es una preocupación, también se puede considerar el uso de etapas adicionales de filtro de paso de banda activo del amplificador óptico para reducir el ruido fuera de banda. Estas etapas pueden no proporcionar ganancia de señal, pero mejorarían el rendimiento del amplificador en general.

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Para dar un ejemplo concreto, una vez diseñé un preamplificador de micrófono de bajo ruido basado en el Amplificador operacional de precisión de bajo ruido TLE2027 . Tiene muy buenas características de entrada, pero sus características de salida no son las mejores. En particular, su slew rate sólo está garantizado en el orden de \$1\text{ V}/{\mu\text{s}}\$ a través de la temperatura (el límite de la especificación varía entre las versiones - ver la hoja de datos). Sin embargo, para una señal de salida de 8 Vrms a 20 kHz se necesitaría una velocidad de giro de \$8\text{ V}\times \sqrt{2} \times 2\pi\times 20{\text{ kHz}} \approx 1.4\text{ V}/{\mu\text{s}}\$ . La señal de salida se puede recortar con este amplificador óptico, dependiendo de las tensiones de alimentación (por ejemplo, si se utilizan pilas de 9 V). Probablemente necesitarás usar un amplificador operacional diferente para la última etapa de tu amplificador.

Answer 2

Ruido:

Digamos que tu amplificador tiene un GBW de 10MHz y un ruido de 1µV (para simplificar las cosas). La fuente también tiene un ruido RMS de 1µV.

Cada amplificador óptico amplificará su propio ruido por la ganancia de ruido del circuito, más el ruido de todo lo que está aguas arriba, por supuesto, por la ganancia del circuito. Por lo tanto, es necesario que la ganancia de la primera etapa sea lo suficientemente alta (digamos, al menos 10) para que el ruido de la fuente y del primer amplificador óptico (que ahora se amplifica 10 veces) domine el ruido añadido por los otros amplificadores ópticos aguas abajo.

Así que, toma:

• digamos que queremos una ganancia de 100, el primer amplificador tiene una ganancia G1=10, el segundo tiene una ganancia G2=10.

El primer amplificador óptico amplifica el ruido de la fuente (1µV), más el suyo propio (1µV) por G1, esto se suma en RMS por lo que a la salida de OPA1 tenemos 14µV, esto es entonces amplificado por G2 y tenemos 141,7µV de ruido a la salida.

• G1=1, G2=100

El primer amplificador óptico simplemente añade su propio ruido a la fuente (1,4µV a la salida), luego el segundo amplificador óptico añade su propio ruido y amplifica 100 veces. Obtenemos 172µV de ruido a la salida.

Esto sólo importa si la fuente es de bajo ruido. Si el ruido de la fuente es mayor que el que añadirá OPA1, entonces importa mucho menos.

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

Distorsión:

Tu amplificador tiene un GBW de 10MHz. Quieres una ganancia de 160-2000.

Con un opamp, gastas 2000 de tu GBW en ganancia. Así que sólo quedan 10M/2000=5kHz de GBW para corregir la distorsión y, lo que es más importante, para procesar realmente la señal.

En este caso, el circuito tendrá un ancho de banda en bucle cerrado de unos 5kHz, y una horrible distorsión por encima de unos cientos de hertzios, ya que hay muy poca ganancia de bucle para corregir las no linealidades del amplificador.

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

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

Si se trata de CC de precisión, recuerde que la precisión de la ganancia de bucle cerrado depende de la ganancia de bucle abierto disponible (GBW dividido por Gain).

Gotchas

No es necesario que el primer amplificador funcione de carril a carril, ni que la corriente de salida sea alta, lo que permite una mayor elección de amplificadores de bajo ruido o de precisión. Su corriente de salida y su velocidad de giro son menos importantes que la del segundo amplificador (véase la respuesta de Null).

El segundo amplificador no necesita tener una etapa de entrada de alta precisión, tampoco necesita ser FET, ya que se conduce desde una baja impedancia. Puede tener un fuerte impulso de salida, o de carril a carril, si es necesario. O simplemente puede ser más barato...

Pero... la distorsión en modo común de la etapa de entrada en modo no inversor será peor en el segundo amplificador (menos mal que no es JFET entonces).

Answer 3

¿Puede su diseño [ Av = 2.000x, DC--20KHz +-0,1dB, SNR = 120dB (20 bit floor) ] realizarse con un OpAmp? ¿Es para audio de 20 o 24 bits?

edit[¿puede ese único opamp manejar las demandas de carga de entrada del ADC del circuito de retención de muestra del ADC, y aún así asentarse muy rápidamente?]

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

En primer lugar, ¿qué Rnoise se necesita? Con un ruido de 120dB por debajo de 4 miliVoltios RMS, se necesitan 4 nanoVoltios de RUIDO TOTAL INTEGRADO DE ENTRADA. Es decir, el ruido debe ser 10^-6 menor que el nivel mínimo de entrada; 4mV * 1e-6 = 4 nanoVoltios RMS. En un ancho de banda de 20KHz. Para calcular el Rnoise (suma de todos los contribuyentes de ruido aleatorio en esa primera etapa), divida el ruido total integrado referido a la entrada por la raíz cuadrada del ancho de banda así 4nV/sqrt(20.000) = 4nV/141 = 30 picoVolt de densidad de ruido por hertzio raíz. Con 66 Ohms Rnoise produciendo una densidad de ruido de 1nanovolt/rtHz, y 66 miliOhms Rnoise (sí, << un ohmio) produciendo 1nV/sqrt(1,000) = 33 picoVolts, no se puede alcanzar 120dB SNR con sólo 4 miliVolts RMS de señal de entrada. ¿Por qué? el Rnoise más bajo del OpAmp es de unos 10 ohmios, y más habitualmente de 50 ohmios; las resistencias externas de ajuste de la ganancia deben ser bastante grandes [>>> 66 miliOhmios, para evitar la distorsión térmica; aun así, tendrá que incluir tampones de salida después del opamp, para evitar la distorsión térmica].

Ahora sobre el UnityGainBandWidth del OpAmp: necesitarás F3dB de aproximadamente 200KHz 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. Utilizar un amplificador óptico con una UGBW tan alta es un gran desafío.

Si quieres una imagen estéreo, necesitarás una ganancia/fase igualada para el canal izquierdo-derecho, por lo que tus amplificadores necesitan un exceso de ganancia suficiente para controlar con precisión la ganancia/fase hasta los 20.000 Hz. ¿Precisa? 0,1dB? que sitúa el F3dB en 200.000Hz. Un opamp de 10MHz UGBW permite una ganancia de 10.000.000 / 200.000 = 50X.

¿Qué es razonable intentar? Cadena de señal de amplificador múltiple; primer amplificador con Rnoise de 50 o 60 ohmios y UGBW de 10MHz; necesitarás 50m * 50X = 2,5 voltios RMS de salida a 20KHz. El SlewRate es 2,5*1,414 *20.000 * 6,28 = 500.000 voltios/segundo. De ese primer opamp.

Entre el primer y el segundo amplificador, necesitarás algún tipo de atenuador variable, también conocido como control de volumen.

El 2º opamp puede ser igual que el primero, con 15 voltios/uS de slewrate como mínimo. Walt Jung tiene consejos sobre la elección de los opamps para proporcionar una baja distorsión a altas slewrates.

¿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 SlewRate depende de ti.

editar

Si esta salida de 8 voltios RMS necesita conducir un ADC, ese ADC demandará sobrecargas de muestreo, y el OpAmp necesitará AJUSTARSE de nuevo al voltaje de línea base en el orden de 0,1uSegundo. Los picos de carga de muestreo provocarán un fallo en los filtros VDD y causarán timbres. Usted no querrá amplificar ese timbre, por lo que TRES opamps parecen apropiados.