Оценка нелинейности некоторых  ОУ

Свинтенок В. А.

Третья группа.

Микросхемы с различной структурой

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 AD811.

AD811

Это усилитель с токовой обратной связью, имеющий высокую нагрузочную способность по выходу. Ток потребления микросхемы 15ма. Спектр гармоник очень мягкий (присутствуют практически только вторая и третья гармоники), похож на AD842. Очень высока и нагрузочная способность. В таблице приведены результаты измерений при Rос = 0,5кОм для К_у = -1 и Rос = 0,75кОм для К_у = 1.

Выводы:

1.   К_г практически не зависит от R_н - вплоть до 0,25 кОм. Зависимость К_г от номинала сопротивления цепи обратной связи у нее довольно сильная. Так при выходном напряжении 2в и в инвертирующем включении: при Rос = 1,3кОм К_г  = 0,0004%, при Rос = 1,0кОм К_г  = 0,00025%, при Rос = 0,5кОм К_г  = 0,0001%.

2.   В режиме с «мягким» спектром микросхему рекомендуется использовать при выходном напряжении U_вых  ≤ 6в как в инвертирующем, так и в неинвертирующем включении и при нагрузке до 0,25кОм.

LM6171

Это усилитель с токовой обратной связью по напряжению. Введение повторителя на инвертирующий вход и низкий ток потребления микросхемы сильно изменили характер нелинейности К_у, по сравнению с AD811.

Выводы:

1.   Меньший К_г в неинвертирующем включении.

2.   Характер спектра «Жесткий» особенно в неинвертирующем включении. У этой микросхемы, пожалуй, самый жесткий спектр. И только при U_вых мене 1в высшие гармоники начинают заметно затухать.

3.   Микросхему не желательно использовать в схемах, где необходим мягкий спектр.

4.   Особенностью микросхемы является не пропорциональный рост гармоник с ростом выходного напряжения (с увеличением U_вых в 10 раз К_г увеличивается примерно в 4 раза).

TPA6120

Мощная микросхема с обратной связью по току. Обеспечивает работу на нагрузке до 8 Ом.

Выводы:

1.   Характер спектра в инвертирующем включении жесткий - длинный и медленно затухает.

2.   Микросхема лучше работает в неинвертирующем включении.

3.   Зависимость К_г и характера спектра от R_н слабая.

4.   В режиме с «мягким» спектром микросхему рекомендуется использовать при выходном напряжении U_вых  ≤ 5в в неинвертирующем включении и при R_н до 0,1кОм.

5.   Микросхему можно использовать в мощных буферных схемах и в качестве усилителей для наушников. Следует помнить – при снижении R_н ниже 50 Ом – 70 Ом резко возрастают искажения в области низких частот.

AD8599

Эта микросхема позиционируется производителем как малошумящая и предназначена для усиления сигнала во входных каскадах. К сожалению, у нее не высокая нагрузочная способность, что в ряде схем затруднит получение предельных значений по шуму и нелинейным искажениям.

Выводы:

1.   Микросхему лучше использовать при небольшом выходном сигнале. При выходном напряжении 5в спектр жесткий.

2.   Характер спектра сильно зависит от сопротивления нагрузки.

3.   В режиме с «мягким» спектром микросхему рекомендуется использовать при нагрузке более 2кОм и напряжении на выходе менее 4в.

LME49710

Вот еще пара интересных микросхем (LME49860). Эти микросхемы имеют  весьма низкий коэффициент гармоник (особенно в инвертирующем включении – перекрыт рубеж 10^-5), к тому же они и достаточно малошумящие. Однако у микросхем в неинвертирущем включении нелинейные характеристики несколько хуже и не совпадают с предполагаемыми значениями - коэффициент гармоник у них больше чем в инвертирующем включении, а при нагрузке 500 Ом (отчасти и при 1 кОм) спектр весьма жесткий, с провалами (волнистый). Все это, а также разная реакция на нагрузку в различных включениях, говорит о том, что существенный вклад в нелинейность вносит синфазный сигнал (входной каскад), что необходимо учесть при проектировании каскадов в этом включении. Ниже в таблице приведены нелинейные характеристики для нагрузки 1кОм и 2,5кОм.

Выводы:

1.   Инвертирующее включение. Коэффициент гармоник довольно сильно зависит от сопротивления нагрузки, с ростом  Rн коэффициент гармоник уменьшается с 6,2*10^-5 % при Rн 500 Ом, до 4,4*10^-6 % при Rн 2,5 кОм.

2.   Ненвертирующее включение. Коэффициент гармоник слабо зависит от сопротивления нагрузки (вплоть до 500 Ом, коэффициент гармоник 2,2*10^-5 % и 4,3*10^-5 % соответственно при 2в и 5в). Однако как коэффициент гармоник, так и спектр хуже, чем в инвертирующем включении. Спектр можно охарактеризовать как «Мягкий» только при нагрузке 1 кОм и более, а при низких нагрузках и больших напряжениях он не монотонный, волнистый (с провалами). Микросхема довольно чувствительна к внутреннему сопротивлению источника сигнала.

3.   В режиме с «Мягким» и «коротким» спектром микросхему рекомендуется использовать при нагрузке более 1кОм и напряжении на выходе менее 5в.

LME49860

Эта микросхема, помимо выше сказанного, интересна повышенным напряжением питания (до +/- 22в). Было интересно сравнить поведение микросхемы при 15в с повышенным напряжением питания. Как показали эксперименты в инвертирующем включении повышение напряжения питания при выходном напряжении 2в и 5в на Кг и на спектр практически не оказывает ни какого влияния. В связи с чем, привожу результаты эксперимента при 15в и при 21в в неинвертирующем включении.

Выводы:

1.   Инвертирующее включение. Коэффициент гармоник довольно сильно зависит от сопротивления нагрузки, с ростом Rн коэффициент гармоник уменьшается с 6,5*10^-5 % при Rн 500 Ом, до 5,7*10^-6 % при Rн 2,5 кОм. Эти результаты эксперимента практически полностью совпадают с результатами эксперимента предыдущей микросхемы.

2.   Неинвертирующее включение. Коэффициент гармоник слабо зависит от сопротивления нагрузки (вплоть до 500 Ом, коэффициент гармоник 2,1*10^-5 % и 4,5*10^-5 % соответственно при 2в и 5в). Однако как коэффициент гармоник, так и спектр хуже, чем в инвертирующем включении. Спектр можно охарактеризовать как «Мягкий» только при нагрузке 1 кОм и более, а при низких нагрузках и больших напряжениях он не монотонный, волнистый (с провалами). Микросхема довольно чувствительна к внутреннему сопротивлению источника сигнала. Эти результаты эксперимента также практически полностью совпадают с результатами эксперимента предыдущей микросхемы.

3.   В режиме с «Мягким» и «коротким» спектром микросхему рекомендуется использовать при нагрузке более 1кОм и напряжении на выходе менее 5в.

Результаты эксперимента при напряжении питания +\- 21в в неинвертирующем включении и в инвертирующем при выходном напряжении 10в.

Выводы:

1.   Как было сказано выше в инвертирующем включении повышение напряжения питания при выходном напряжении 2в и 5в на Кг и на спектр практически не оказывает ни какого влияния. При выходном напряжении 10в и сопротивления нагрузки 500 Ом (Кг = 0,00012%), 1кОм спектр гармоник «Жесткий», медленно затухающий и волнистый, а высшие гармоники на уровне или выше низших. При нагрузке 2,5кОм коэффициент гармоник весьма небольшой и с монотонно затухающим спектром.

2.   Ненвертирующее включение. Коэффициент гармоник также слабо зависит от сопротивления нагрузки (вплоть до 500 Ом, коэффициент гармоник 1,9*10^-5 %, 4,3*10^-5 % и 9,6*10^-5 % соответственно при 2в, 5в и 10в). Как видно из таблицы, коэффициент гармоник, измеренный в обоих методах, стал практически одинаковым. Спектр стал более монотонным и более коротким (особенно при выходном напряжении 2в – так при Rн = 1кОм регистрируется 3 гармоники, при Rн = 2,5кОм - две). При выходном напряжении 10в спектр можно охарактеризовать как «Средний» только при нагрузке  2,5 кОм, а при низких нагрузках он не монотонный, волнистый и с провалами.

3.   В режиме с «Мягким» спектром микросхему рекомендуется использовать при нагрузке более 1кОм и напряжении на выходе менее 5в и при нагрузке более 2кОм при выходном напряжении до 10в.

4.   В ненвертирующем включении следует предпочесть использование режимов с высоким напряжением питания.

NE5532

Эта микросхема все еще широко используется. Характер нелинейности у этой микросхемы и ее поведение при изменении нагрузки и схемы включения очень похож на две предыдущие микросхемы. То есть существенный вклад в нелинейность в ненвертирующем включении вносит синфазный сигнал (входной каскад), что так же необходимо учесть при проектировании каскадов в этом включении. Ниже в таблице приведены нелинейные характеристики для нагрузки 1к и 2,5к.

Выводы:

1.   Инвертирующее включение. Коэффициент гармоник довольно сильно зависит от сопротивления нагрузки, с ростом  Rн коэффициент гармоник уменьшается.

2.   Ненвертирующее включение. Коэффициент гармоник слабо зависит от сопротивления нагрузки. Однако коэффициент гармоник хуже, чем в инвертирующем включении. Спектр можно охарактеризовать как «Мягкий» только при нагрузке 1 кОм и более, а при низких нагрузках и больших напряжениях он не монотонный, волнистый (с провалами).

3.   В режиме с «Мягким» и «коротким» спектром микросхему рекомендуется использовать при нагрузке более 1кОм и напряжении на выходе менее 5в.

OP275

Эта микросхема еще используется. Особенностью микросхемы является довольно значительное снижение гармоник при нагрузке выше 2кОм и существенное преобладание четных гармоник в спектре в инвертирующем включении. В связи с ее невысокой нагрузочной способностью, данные приведены при нагрузке 1кОм и 2,5кОм.

Выводы:

1.   У микросхемы в инвертирующем включении (особенно при 2в) существенно преобладают четные гармоники. При выходном напряжении 5в характер спектра жесткий – длинный и медленно затухающий. Коэффициент гармоник сильно зависит от сопротивления нагрузки. В скобке (в строке «Спектр», для напряжения 5в и нагрузке 1кОм) показан уровень пятой гармоники.

2.   В неинвертирующем включении коэффициент гармоник довольно сильно зависит от внутреннего сопротивления источника сигнала.

3.      В режиме с мягким спектром микросхему рекомендуется использовать при нагрузке более 2кОм и напряжении на выходе менее 5в.

JRC2068

Эта микросхема иногда еще используется. В связи с ее низкой нагрузочной способностью измерение проведено при нагрузке начиная с 1кОм.

Выводы:

1.   Микросхема хорошо работает как в инвертирующем, так и в неинвертирующем включении.

2.   В режиме с коротким спектром микросхему рекомендуется использовать при нагрузке более 2кОм и напряжении на выходе менее 2в.

4.      Спектр гармоник достаточно длинный, затухание медленное.

LM318

Эта микросхема еще используется. В связи с ее низкой нагрузочной способностью измерение проведено при нагрузке начиная с 1кОм.

Выводы:

1.   Микросхема хорошо работает как в инвертирующем, так и в неинвертирующем включении.

2.   В режиме с коротким спектром микросхему рекомендуется использовать при нагрузке более 2кОм и напряжении на выходе менее 5в.

5.      Спектр гармоник достаточно длинный, затухание медленное.

140УД11

Эту микросхему привел для сравнения ее с LM318. В связи с ее низкой нагрузочной способностью измерение проведено при нагрузке начиная с 1кОм.

Выводы:

1.   Микросхема хорошо работает как в инвертирующем, так и в неинвертирующем включении.

2.   В режиме с коротким спектром микросхему рекомендуется использовать при нагрузке более 2кОм и напряжении на выходе менее 5в

3.   Спектр гармоник достаточно длинный, затухание медленное.

ADA4922-1

Микросхема позиционируется как преобразователь однофазного сигнала в дифференциальный. Внутренняя структура микросхемы представляет собой два усилителя (по структуре похожие на LM6171) имеющих усиление +1 и -1. Напряжение питания +/-12в.

Выводы:

1.   Спектр гармоник длинный и медленно затухает.

2.   Микросхема лучше работает в неинвертирующем и дифференциальном включении.

3.   Зависимость К_г и характера спектра от R_н слабая.

4.   В режиме с коротким спектром микросхему рекомендуется использовать при выходном напряжении U_вых  ≤ 4в и при R_н 1кОм и более.

OPA1632

Это дифференциальный усилитель с дифференциальным выходом – полностью симметричная структура. Микросхема в дифференциальном включении имеет весьма малые искажения. Главной целью измерений было выявить особенности этой микросхемы. Вот они:

- при использовании данной микросхемы в качестве преобразователя дифференциального сигнала в однофазный (равно как и синфазный – синфазный) К_г будет на уровне единиц тысячных;

- при использовании данной микросхемы в качестве преобразователя однофазного сигнала в дифференциальный сигнал (равно как и дифференциальный - дифференциальный) К_г будет на уровне единиц стотысячных.

Выводы:

1.   Спектр гармоник в дифференциальном по выходу включении (под дифференциальным по выходу включением здесь и далее подразумевается переход к синфазному сигналу в последующей схеме) длинный и медленно затухает. В остальных включениях присутствует в основном вторая гармоника. При передаче сигнала с выходов микросхемы на большие расстояния из-за фазового рассогласования может ухудшиться компенсация четных гармоник при последующем переходе к синфазному сигналу, а при использовании только одного выхода будут присутствовать большие четные (в основном вторая) гармоники.

2.   Микросхему лучше использовать для работы в дифференциальном включении. В остальных включениях К_г возрастает более чем в 30 раз.

3.   Зависимость К_г и характера спектра от R_н слабая.

4.   С целью получения минимальных искажений, микросхему рекомендуется использовать в дифференциальном включении и при выходном напряжении U_вых  ≤ 4в и при R_н 1кОм и более.

5.   Лучшее значение К_г в дифференциальном по выходу включении вызваны  компенсацией четных гармоник.

6. В дифференциальном включении и по входу К_г будет еще несколько меньше, за счет снижения синфазного сигнала на входе.

THS4150

Микросхема имеет ту же симметричную структуру, что и OPA1632, отличается большим быстродействием и имеет те же особенности. Поэтому приведу К_г только для дифференциального включения.

Выходное напряжение 1,2в; К_г = 0,00008%.

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

____________________________________