Оценка нелинейности некоторых  ОУ

Свинтенок В. А.

Вторая группа.

Микросхемы с полевыми транзисторами на входе

Напомню что отображено в таблицах.

Во второй строке «К_у» в скобках указаны номиналы резисторов цепи обратной связи.

В строке таблицы «R_н» указаны эквивалентное сопротивления нагрузки с учетом (где это нужно) резистора в цепи обратной связи усилителя.

В следующей строке «Спектр(db)» приведены значение третьей гармоники относительно второй, принятой за 0 db и значение одной из высших гармоник (с 4 по 9 гармоники и имеющее максимальное значение), относительно второй или третьей (что больше).

Строка «Характер спектра» качественно характеризует вид и степень затухания спектрального состава искажений. При разнице между максимальным значением 2 (или 3) гармоникой и максимальным значением одной из высших гармоник меньше 15 db и  при длинном и слабо затухающем спектре - спектр искажений характеризуется как «жесткий». В пределах 15 db - 30 db и количестве регистрируемых гармоник в спектре до семи – «средний». И при разнице более 30 db и количества регистрируемых гармоник в спектре до семи – «мягкий». Значения, взятые в скобки (например - (Средн.)) указывает на то, что одно из условий не выполняется.

В строке «U_{вых гран}» дается выходное напряжение (ориентировочное), начиная с которого начинается резкий рост высших гармоник.

И в последней строке: К_гп – коэффициент гармоник, полученный при измерении «прямым» методом и К_гк – «косвенным».

Начнем эту часть с хорошо известной многим микросхемы AD825.

AD825

Ранее эту микросхему часто предлагали для замены в различных устройствах. Вот ее нелинейные характеристики.

Выводы:

1.   Микросхема не очень хорошо «держит» большие напряжения: как дифференциальные, так и синфазные. В инвертирующем так и в неинвертирующем включении при напряжении U_вых меньше 2в и R_н =1ком спектр состоит из четырех гармоник. При увеличении R_н до 2,5ком – 5ком в спектре остаются две гармоники. При напряжении U_вых = 5в и R_н = 1ком спектр становится длинным.

2.   При уменьшении сопротивления нагрузки до 0,5ком в неинвертирующем включении  К_г несколько уменьшается, а спектр становится более жестким. При напряжении U_вых = 5в спектр становится длинным и медленно затухающим.

3.   К_г и характер спектра зависят от R_н .

4.   В режиме с «мягким» спектром микросхему рекомендуется использовать при выходном напряжении U_вых  ≤ 2в при R_н более 0,6ком.

OPA134

Эта микросхема все еще часто мелькает на форумах. Нагрузочная способность этой микросхемы невысокая, в связи с чем, данные теста приведены при нагрузке 1ком и 2,5ком.

Выводы:

1.   В инвертирующем так и в неинвертирующем включении при R_н = 1ком и напряжении U_вых меньше 2в спектр можно охарактеризовать как «средний». При R_н = 0,5ком спектр «жесткий» и длинный.

2.   К_г и характера спектра зависят от R_н.

3.   В режиме с «мягким» спектром микросхему рекомендуется использовать при выходном напряжении U_вых  менее 5в и при R_н 2ком и более.

THS4601

Коэффициент гармоник у этой микросхемы при нагрузке 500ом достаточно велик, в связи с чем, данные теста приведены при нагрузке 1ком и 2,5ком.

Выводы:

1.   В инвертирующем так и в неинвертирующем включении при R_н = 1ком и напряжении U_вых меньше 2в спектр можно охарактеризовать как «средний». При R_н = 0,5ком спектр «жесткий» и длинный.

2.   К_г и характера спектра зависят от R_н.

3.   В режиме с «мягким» спектром микросхему рекомендуется использовать при выходном напряжении U_вых  менее 5в и при R_н = 1ком и более.

TXS4631

Хочу обратить Ваше внимание на эту микросхему - она редкий гость на форумах. Микросхема имеет прекрасные скоростные характеристики (900 V/µs (G = 2) и 325 MHz in Unity Gain) и позиционируется производителем и как преобразователь ток в напряжение, в связи с чем, она и тестировалась при низком выходном напряжении. Снять ее нелинейные характеристики в «прямом» методе (в неинвертирующем включении) не удалось, видимо работала на грани возбуждения (искажение на уровне сотых).

Выводы:

1.   Микросхема в неинвертирующем включении имеет более жесткий спектр. Высшие гармоники, с уменьшением выходного напряжения, падают с меньшей скоростью, по отношению к низшим гармоникам.

2.   Зависимость К_г и характера спектра от R_н слабая.

3.   В режиме с «мягким» спектром микросхему рекомендуется использовать при выходном напряжении U_вых  ≤ 2в и при R_н до 0,5ком.

4.   Микросхема очень хорошо подходит в качестве высокоскоростных преобразователей ток-напряжение.

AD8065/66/67

Абсолютные рекордсмены по коэффициенту гармоник.

Добрались и до лидеров. В «тепличных» условиях эти микросхемы перешагнули рубеж 10^-5 %. Микросхемы достаточно скоростные, а скоростные характеристики для AD8067 еще лучше. Однако они имеют и свою специфику в неинвертирующем включении - при синфазном напряжении более 2,5 – 3 вольт спектр искажений резко изменяется и становится очень «жестким». Исходя из анализа тестов, можно предположить, что это вызвано специфической реакцией входного каскада на синфазное напряжение (это явление не наблюдается в инвертирующем включении, а в неинвертирующем включении К_г практически не зависит от нагрузки). Микросхемы этой серии имеют «двойной» входной каскад и схему управления переключением этими каскадами. Возможно, эти искажения  вызваны этими введениями. То, что искажения возникают на входе микросхемы, косвенно подтверждает и следующий тест. Микросхема AD8066 была включена по схеме усилителя с К_у = +11. В этом случае входной (синфазный) сигнал на входе микросхемы не превышает одного вольта, при этом резкого ухудшения спектра на выходе не наблюдается вплоть до восьми вольт. Этой проблемы нет и у AD8067, т.к. минимальный коэффициент усиления у нее десять.

AD8066

Выводы:

1.   Микросхема плохо работает в неинвертирующем включении при синфазном напряжении на входе более 2,5 вольт, спектр гармоник становится  жесткий, длинный и медленно затухает. Проверял на двух микросхемах – повторяемость хорошая.

2.   В инвертирующем включении преобладает вторая гармоника (четный спектр). Зависимость К_г и характера спектра зависит от R_н.

3.   В режиме с коротким спектром микросхему лучше использовать в инвертирующем включении при R_н более 1 ком и выходном напряжении менее пяти вольт, а при неинвертирующем включении – при выходном напряжении менее 2,5 вольт. Минимальные искажения получаются при нагрузке от 2ком и более (К_г уменьшается примерно в два раза). При нагрузке 2,5ком и напряжении менее 2в в К_г меньше 10^-5

4.   Микросхема хорошо подходит в качестве масштабирующих усилителей, активных фильтров, преобразователей ток-напряжение.

AD8067

Коэффициент усиления 10.

Выводы:

1.   Зависимость К_г и характера спектра зависит от R_н и сопротивлений обратной связи. С увеличением R_н и уменьшением R_ос коэффициент гармоник уменьшается. Для получения минимальных искажений лучше использовать режимы с R_н = 1ком и более, R_ос = 1,5к/15к и менее при выходном напряжении менее 5в и выравнивать резисторы, стоящие в цепи инвертирующего и неинвертирующего входа.

2.   В режиме с коротким спектром микросхему лучше использовать в обоих включениях при R_н более 1 ком и выходном напряжении менее 5 вольт. Минимальные искажения получаются при нагрузке более 2ком (К_г уменьшается более чем в два раза).

3.   Микросхема хорошо подходит для работы в качестве масштабирующих усилителей, фон -  корректоров.

Коэффициент усиления 1.

Этот режим искусственный – в инвертирующем включении использовалась дополнительная коррекция по входу (С = 150пф, R = 150ом), а в неинвертирующем – «косвенный» метод. В таком режиме микросхему вряд ли кто будет использовать. Хотелось посмотреть ее предельную возможность.

Выводы:

1.   Для узкого применения микросхему можно использовать и в единичном усилении. В последующих каскадах необходимо ограничить полосу частот, с целью снижения усиленных шумов в мегагерцовом диапазоне.

2.   Зависимость К_г и характера спектра зависит от R_н и сопротивлений обратной связи. С увеличением R_н и уменьшением R_ос коэффициент гармоник уменьшается.

3.   В режиме с коротким спектром микросхему лучше использовать в обоих включениях при R_н более 1 ком.

AD8620

Это прецизионный ОУ универсального применения, имеющий небольшие гармонические искажения. Особенностью этой микросхемы являются ярко выраженные четные гармоники (особенно вторая и четвертая) и более длинный и медленно затухающий спектр.

Выводы:

1.   Микросхема немного лучше работает в инвертирующем включении. Спектр гармоник более длинный с преобладанием четных гармоник.

2.   Зависимость К_г и характера спектра от R_н слабая.

3.   В режиме с «мягким» спектром микросхему лучше использовать при выходном напряжении U_вых  ≤ 5в в обоих включениях и при R_н от 1ком.

OPA656

Это быстродействующий ОУ с напряжением питания до +/- 6в, с умеренными гармоническими искажениями. Особенностью этой микросхемы является слабая зависимость Кг от сопротивления нагрузки. В связи с тем, что при напряжении на выходе более 1,8в – 2в резко возрастают высшие гармоники, измерения проводились при выходном напряжении 0,75 и 1,5 вольт. В «прямом» методе измерить Кг не удалось из-за возбуждения.

Выводы:

1.   Микросхема хорошо работает в обоих включениях. Спектр гармоник «мягкий» с некоторым преобладанием четных гармоник.

2.   Зависимость К_г и характера спектра от R_н слабая.

3.   В режиме с «мягким» спектром микросхему лучше использовать при выходном напряжении U_вых  ≤ 1,5в в обоих включениях и при R_н от 500ом.

4.   При напряжении питания 6в, Кг уменьшается примерно в два раза, выходное граничное напряжение возрастает до 2,3 – 2,5 вольт, а в спектре существенно возрастает третья гармоника.

Отметим характерные особенности этой группы.

Лучшие микросхемы этой группы AD8065/66/67, которые позволяют получить К_г в диапазоне 10^-5 % - 10^-6 %.

Спектр гармоник этой группы несколько «жестче» - более длинный и медленнее затухающий и сильнее зависит от внутреннего сопротивления источника сигнала при неинвертирующем включении.

Свинтенок В. А. <svaleks @ rambler . ru>

____________________________________