Искажения, возникающие в каскадах на ОУ при регулировании уровня сигнала

Свинтенок В. А.

Часть I

Известно, что в неинвертирующем включении коэффициент гармоник для большинства ОУ существенно больше, чем для инвертирующего включения. Эта разница существенно возрастает в схемах, в которых на входах ОУ включены резисторы. Поведение таких каскадов, с точки зрения уровня коэффициента гармоник, часто бывает непредсказуемым. Подобные ситуации характерны и возникают при построении активных фильтров, регуляторов уровня сигнала, фазовращающих схем, буферных каскадов и во многих других схемах, где используется  неинвертирующее включение. Ниже на примере неинвертирующего включения ОУ приведены результаты исследования поведение каскада в этом включении, дана оценка влияния резисторов на входах ОУ, рассмотрены влияния регуляторов уровня сигнала на уровень искажений как в этом, так и в иных включениях.

Возникла задача: как регулировать уровень сигнала, сохраняя при этом максимально возможный потенциал микросхемы по линейности. Предварительный анализ, эксперимент и предшествующий опыт показали, что различные микросхемы ведут себя по-разному в одной и той же схеме управления уровнем сигнала, а также в различных схемах включения регуляторов. Обусловлено это рядом причин: синфазным сигналом, действующим на входах микросхем, наличием и конечностью значений резисторов на  входах микросхем, изменением режима работы ОУ. Искажения в каскады вносят так же и регулирующие элементы.

Ниже будут рассмотрены два типа схем регулирования уровнем сигнала пассивный, в котором ОУ используется в качестве буфера и активный, в котором меняется коэффициент передачи (режим) ОУ и только резистивные регуляторы, позволяющие на  данный момент получить наилучшие результаты по линейности.

Рассматривая нелинейности вызываемые действием синфазного сигнала и влиянием резисторов, подключенных к входам ОУ, пришел к выводу, что необходимо эти эксперименты расширить, обобщить и выделить их в отдельный самостоятельный подраздел, поскольку подобные проблемы возникают и в иных схемах. В связи с чем, весь материал был разбит на три части.

В первой части приведена и дана оценка влияния синфазного сигнала и резисторов, подключенных к входам ОУ на уровень общих искажений микросхем, сделана попытка расчленения их на отдельные составляющие и проведена оценка (где это можно) этих составляющих, показаны причины мешающие достигнуть  максимально возможный потенциал микросхемы по линейности  и пути их минимизации. Во второй части пойдет речь собственно о регулировании уровня сигнала и возникающих при этом задачах и проблемах, а в третью - вынес все, что связано с нелинейностью резисторов.

Нелинейность, вызываемая синфазным сигналом и резисторами
на входах ОУ

 Было замечено, что при включении ОУ в неинвертируещем включении нелинейные искажения для многих ОУ выше, а для некоторых и существенно выше потенциальной возможности микросхем (особенно «обвешанных» еще и резисторами). Неинвертируещий режим, обладая рядом, несомненно, хороших характеристик (высокое входное сопротивление, низкий уровень шума, небольшая входная емкость, хорошая развязка источника сигнала от нагрузки), приводит к появлению на входах ОУ синфазного сигнала, который и приводит к появлению связанных с ним дополнительных искажений. Причем у большинства микросхем нелинейные искажения, вызванные синфазным сигналом, сопоставимы, а в ряде случаев существенно превышают нелинейные искажения, вызываемые дифференциальным сигналом.

Теоретически при инвертирующем включении можно получить сколь угодно малые искажения благодаря действию общей отрицательно обратной связи (ОООС) путем увеличения коэффициента усиления усилителя (ограничение - полоса пропускания), в неинвертирующем включении есть еще одно ограничение – точность согласования элементов входного каскада и синфазные токи, появляющиеся на входах микросхемы (из-за паразитных емкостей). Искажения, вызванные синфазным сигналом, возникают во входном каскаде и практически не подвержены влиянию действию ОООС усилителя. Они, взаимодействуя с искажениями общего вида, и дают такое большое разнообразие в спектре гармоник при неинвертирующем включении: горбатость, волнистость, провалы в спектре, аномальные поведения и прочее.

В общем случае искажения, возникающие при неинвертирующем включении, вызваны как дифференциальной, так и синфазной составляющими сигнала. Искажения, вызванные синфазным сигналом в свою очередь можно представить в виде двух составляющих: внутренней – «внутренняя асимметрия» и внешней, порождаемой входными синфазными токами. Составляющая искажений «внутренняя асимметрия» определяется «качеством» входного каскада микросхемы его симметрией, линейностью, схемным решением, технологией и прочее. Она, по-видимому, не доступна для управления.

Искажения, связанные с входными синфазными токами возникают вследствие «модуляции» паразитных параметров входного каскада синфазным напряжением и определяются внешними резисторами, подключаемыми к входам микросхемы. Эту составляющую искажений можно попытаться определить и минимизировать. В симметричном включении входов микросхемы, искажения связанные с входными синфазными токами будут характеризовать динамическую симметрию и линейность разности входных токов.

 Сопоставляя коэффициенты гармоник в трех режимах в инвертирующем включении, в неинвертирующем включении и в неинвертирующем включении с резисторами на входах ОУ можно либо оценить влияние той или иной составляющей в искажениях общего вида либо определить доминирующий вид искажений.

Экспериментальная оценка искажений в неинвертирующем включении.

Рассмотрим схему, представленную на Рис.2. Она является обобщенной схемой каскада в неинвертирующем включении с резисторами на входах. На входах такой схемы (Рис.2) неизбежно появляется синфазный сигнал и, связанные с ним, синфазные токи, создающие на резисторах соответствующие напряжения. Экспериментальные данные с обобщенной схемы каскада снимались только в двух вариантах включениях резисторов R1 и R2: в асимметричном режиме с подключенным резистором R1 при R2 = 0 и в симметричном при R2 = R1. В асимметричном режиме оценивалось влияние искажений вызванных «синфазным» током неинвертирующего входа ОУ, а в симметричном режиме – разности входных «синфазных» токов.

Эксперименты проводились на той же установке что и в ранее опубликованных работах с той лишь разницей, что сигнал на объект измерения подавался не с выхода фильтра, а с дополнительного инвертора (собственные искажения менее 4*10^-6). На микросхемы подавалось напряжения питания, рекомендованные изготовителем, за исключением LME49860 (15 вольт) и LM6171 (14 вольт – о чем будет сказано в следующем разделе). Во всех тестах выходы ОУ нагружались на нагрузку 2,5кОм. Тесты проводились по схеме Рис.2 при номиналах резистора R1 – 0, 1,5кОм, 5кОм, 15кОм и R2 = 0, а так же при R1 = R2 (и тех же номиналах резистора) и при напряжении 1 и 2 вольта (здесь и далее напряжение среднеквадратичное).

Ниже в Таблице 1 приведены результаты соответствующих экспериментов в неинвертирующем включении при R1 = R2 = 0, в неинвертирующем включении при значении номинала резистора R1: 1,5кОм, 5кОм, 15кОм и R2 = 0 в асимметричном режиме, а так же при R1 = R2 и тех же значениях номиналов резисторов для симметричного режима. Входное напряжение 1 и 2 вольта во всех режимах. Данные в Таблице 1 сгруппированы в группы с указанием схемы включения и условий проведения эксперимента. В последней строке таблицы приведены результаты эксперимента в инвертирующем включении ОУ (Рис.1) при значении номинала резистора R = 5кОм.

Таблица 1

Далее описание данных приведенных в таблице приведу в следующем порядке: ниже вкратце представлю обобщенные характеристики в целом по таблице, не вдаваясь в подробности и нюансы, а затем дам более подробный  отчет персонально для каждой микросхемы, с учетом не вошедших в таблицу параметров, которые вынесены в Приложение 1.

Сопоставление результатов эксперимента в инвертирующем и в неинвертирующем включении.

В неинвертирующем включении коэффициенты гармоник приведены в строке Кг0, а в инвертирующем в строке Кг7 Таблицы 1.

Анализ данных Таблицы 1 показывает, что у большинства микросхем коэффициент гармоник в инвертирующем включении меньше чем в неинвертирующем. Как говорилось уже выше, в неинвертирующем включении на нелинейные искажения оказывает влияние и синфазный сигнал. Причем искажения, вызванные синфазным  сигналом, в неинвертирующем включении (при R1 = R2 = 0) будут представлены только составляющей «внутренняя асимметрия».

Если за основу минимально-возможных искажений (потенциальную возможность), взять коэффициент гармоник микросхемы в инвертирующем включении, приведенный к единичному усилению, то можно попытаться оценить влияние синфазного сигнала на характер искажений в неинвертирующем включении. Приняв это за точку отсчета, рассмотрим полученные данные эксперимента.

Из анализа данных представленных в Таблице 1 следует, что в искажениях общего вида для большинства микросхем доминируют (в той или иной степени) искажения, вызванные синфазным сигналом. Они в два – четыре, а для LME49860, LME49710 до восьми раз превышают  потенциальную возможность микросхем. Искажения и характер спектра выходного сигнала каскада у этой группы микросхем будут определяться в основном синфазным сигналом. В связи с чем, для этой группы микросхем качество (его динамическую симметричность) входного каскада определяется по искажениям в неинвертирующем включении.

У микросхем этой группы могут наблюдаться аномальное изменение искажений и характера спектра при изменении режима работы схемы. Например, с увеличением нагрузки на выходе ОУ нелинейные искажения, вызванные дифференциальной составляющей сигнала, будут расти и, начиная с некоторого значения, начнут взаимодействовать с синфазными составляющими сигнала. Это может привести как увеличению, так и к некоторому уменьшению искажений общего вида и к изменению характера спектра искажений. Что и наблюдается, например, у микросхем LME49860, LME49710, у которых с ростом нагрузки искажения несколько снижаются, а в спектре появляются провалы, горбатость.

Для микросхем AD8066,  AD826,  LT1220,  THS4062  и в некоторой степени AD8599 искажения в неинвертирующем включении меньше чем в инвертирующем включении (близкие к теоретическому значению) и искажения «внутренняя асимметрия» не влияют существенно на характер искажений общего вида. Искажения на выходе и его спектр у этой группы микросхем будут определяться  в основном дифференциальной составляющей сигнала. Поэтому для этой группы микросхем качество (его симметричность) входного каскада нельзя напрямую оценить по искажениям в неинвертирующем включении. Для этой группы искажения (спектр) определяются большей частью выходным каскадом ОУ. Их хорошо «отрабатывает» ООС, поэтому их значения менее подвержены дестабилизирующим факторам.

Микросхема LM6171 имеет иную схемотехнику и ведет себя иначе, у нее искажения в неинвертирующем включении почти на порядок ниже, чем в инвертирующем включении. В этом режиме ее лучше и использовать, для достижения ее потенциальной возможности.

Спектр гармоник в этих режимах практически у всех микросхем короткий, мягкий, содержит 1 – 3 гармоники при входном напряжении один вольт и до пяти гармоник при двух вольтах.

Анализ результатов эксперимента в неинвертирующем включении с резисторами на неинвертирующем входе – асимметричный режим.

В асимметричном режиме коэффициенты гармоник приведены в строках Кг1, Кг2 и Кг3 Таблицы 1. Этот режим имеет наихудшие результаты практически во всех тестах эксперимента.

С резистором 1,5кОм на входе микросхемы ОУ ведут себя по-разному. Так у микросхем OPA2134, AD8620, NE5532, AD826, и AD8599 нелинейные искажения остаются либо на том же уровне либо уменьшаются. У микросхем указанных выше происходит либо частичная взаимная компенсация «токовых синфазных» искажений с искажениями типа «внутренняя асимметрия» либо в виду малости слабо влияют на искажения общего вида.

У остальных микросхем они возрастают, причем довольно резко в 3 – 10 раз. Из чего следует, что для большинства микросхем начиная уже с 1,5кОм на неинвертирующем входе, нелинейные искажения будут определяться входным током – «токовыми синфазными» искажениями. Наихудшие в этом режиме (2 вольта, 15кОм) микросхемы OPA2134 (Кг3=0,014%) и OP275 (Кг3=0,016%), а наилучшие – LM6171 (Кг3=0,00041%), AD8599 (Кг3=0,00055%), NE5532 (Кг3=0,00064%), LME49860 (Кг3=0,00073%). Для большинства микросхем «токовые синфазные» искажения достаточно линейно увеличиваются при возрастании номинала резистора на неинвертирующем входе ОУ, самая нелинейная зависимость у AD8066.

Из приведенных выше результатов эксперимента видно, что искажения, вызванные синфазными токами, велики и начинают превалировать над общими искажениями для некоторых ОУ уже при сопротивлении резисторов на входах микросхемы сотни Ом.

Поведение спектра гармоник в этом режиме многообразно. Вот наиболее характерные из них. До 1,5кОм на входе большинство микросхем, за исключением THS4062, AD8066, LME49710, LME49860 и AD8620, имеют короткий и мягкий спектр. С ростом номинала резистора спектр гармоник ухудшается, растет количество гармоник, и он становится «жестче». Наилучшие микросхемы в этом смысле LM6171, AD826, NE5532, JRC2114, LT1220, AD825 и OP275. У них при номинале резистора 15кОм и входном напряжении два вольта количество гармоник не превышает шести, спектр остается достаточно коротким и мягким. Лучшая из них LM6171 содержит при этих условиях всего три гармоники. Наихудшие спектры (жесткие и медленно затухающие) у THS4062 (выраженный нечетный спектр), AD8066 (преобладает нечетный спектр), LME49710, AD8620 (преобладает четный спектр). У микросхемы LME49860 при номинале резистора 15кОм и входном напряжении два вольта замечена аномалия – количество гармоник непредсказуемо сокращается до трех. Приемлемые спектры гармоник при входном напряжении один вольт и у OPA2134 и AD8599.

Эти искажения (спектр) практически «неподвластны» ООС, поэтому они более подвержены дестабилизирующим факторам: температуре, напряжению питания и прочее. Изменения значений амплитуд спектра искажений могут быть значительны во времени и при «прогреве» микросхемы. У микросхем этой группы так же могут наблюдаться аномальное изменение искажений и характера спектра при изменении режима работы схемы.

Из выше сказанного следует вывод, что в несимметричном режиме трудно достичь предельных возможностей микросхем по нелинейным искажениям и по характеру спектра. Улучшить ситуацию можно уменьшением значений сопротивлений резисторов на входах микросхем, снижением синфазного напряжения и симметрированием входов. Симметричное включение резисторов на входах микросхем для ряда микросхем позволяет существенно расширить диапазон используемых сопротивлений резисторов на входах ОУ при сохранении низких значений искажений с хорошим спектром, и выигрыш от этого может составить десятки раз.

Анализ результатов эксперимента в неинвертирующем включении с резисторами на неинвертирующем и инвертирующем входах – симметричный режим.

В симметричном режиме коэффициенты гармоник приведены в строках Кг4, Кг5 и Кг6 Таблицы 1. Результаты эксперимента в симметричном режиме можно разбить на четыре группы.

В первую группу включены микросхемы с высокой симметрией синфазных токов. У этой группы очень слабая зависимость нелинейных искажений от изменения номинала резисторов (в указанном диапазоне) на входах. К ней можно отнести следующие микросхемы: OPA2134, OP275, AD826, LT1220, AD825, LM6171, JRC2114 и AD8620. Искажения в этой группе либо постоянны (AD825, AD826), либо немного увеличиваются (LM6171, JRC2114, AD8620), либо немного уменьшаются (OP275, OPA2134). Такое поведение искажений у этой группы микросхем можно объяснить тем, что в силу хорошей симметрии синфазных токов искажения вызванные «асимметрией токов» малы по отношению к искажениям общего вида для AD825, AD826, или взаимодействуют с искажениями общего вида у остальных микросхем. Искажения этой группы микросхем близки по своему значению к искажениям в неинвертирующем включении и имеют короткие и мягкие спектры.

Ко второй группе можно отнести микросхемы LME49860, LME49710, THS4062. У этой группы микросхем симметрирование входов не столь эффективно как у первой группы, наблюдаются резкие изменения в спектрах (перераспределения гармоник). Микросхема  LME49860 в симметричном режиме по-разному ведет себя при различных номиналах резисторов на входах: при 1,5 кОм на входах симметрирование весьма эффективно, в остальных значениях нет. Высшие гармоники хорошо компенсируются при входном напряжении до одного вольта – всего одна гармоника. У микросхемы  LME49710 уменьшение искажений в симметричном режиме наблюдаются только при входном напряжении до одного вольта. Спектры искажений имеют волнообразный вид с провалами, высшие составляющие спектра почти не компенсируются. А вот у микросхемы THS4062 существенно компенсируются только нечетные гармоники, поэтому при входном напряжении до одного вольта спектр искажений содержит практически только четные гармоники.

К следующей группе можно отнести микросхемы AD8066 и AD8599. Симметрирование входов этих микросхем неэффективно. Так для микросхемы AD8066 и при входном напряжении один вольт выигрыша нет, а при двух вольтах – около двух. В спектре при этом преобладают четные гармоники. Для микросхемы AD8599 и при входном напряжении один вольт симметрирование входов эффективно, а для двух вольт – нет.

Последнюю группу микросхем представляет NE5532. Для нее симметрирование входов приводит к обратному результату – симметрирование входов увеличивает искажения.

Анализ изменения характера спектра, в зависимости от номиналов резисторов на входах ОУ и синфазного напряжения показывает, что у некоторых микросхем наблюдается резкое возрастание высших гармоник, начиная с некоторого значения синфазного напряжения и номинала резисторов на входах. Этот «порог» наблюдается при превышении синфазным напряжением 0,5 – 1 вольт и ярче выделяется с ростом номиналов резисторов на входах. Типичные представители этой группы THS4062, AD8066, LME49710 и в меньшей степени LME49860. В связи с чем, микросхемы этой группы лучше не использовать при синфазных напряжениях более вольта с резисторами на входах.

Для большей наглядности и оценки влияния резисторов на входах на искажения микросхем ниже в Таблице 2 приведены «критическое» сопротивление Rкр и коэффициент эффективности Кэфф симметричного режима.

«Критическое» сопротивление Rкр ориентировочно рассчитывается линейной экстраполяцией номинала резистора, при котором искажения, создаваемые синфазными токами (либо разностью синфазных токов), примерно до 1,5 – 2 раз превышают искажения в неинвертирующем включении. Его значение говорит о том, до какого значения величины резисторов на входах микросхемы коэффициент гармоник остается где-то на уровне неинвертирующего включения.

Коэффициент эффективности Кэфф это отношение значения коэффициента гармоник в асимметричном режиме к значению коэффициента гармоник в симметричном режиме при 15кОм на входах микросхем. Он показывает, во сколько раз снижается коэффициент гармоник при симметрировании микросхемы.

Таблица 2

Еще раз подчеркну, что данные приведенные в Таблице 2 оценочные и при изменении нагрузки для ряда  ОУ могут измениться.

 Подведем некий итог.

Проведенные исследования показали, что синфазные искажения для ряда ОУ можно разложить на две составляющие: синфазные искажения – «внутренняя асимметрия» и токовые синфазные искажения.

Синфазные искажения «внутренняя асимметрия» для большинства микросхем превышают искажения потенциальной возможности микросхемы.

Токовые синфазные искажения могут быть существенными и при сопротивлении резисторов на входах микросхемы единицы, десятки кОм, будут лежать в диапазоне тысячных, сотых долей процента.

Симметрирование входов микросхемы понижает этот диапазон, но не у всех микросхем. Есть микросхемы, которые плохо либо совсем не поддаются симметрированию.

Была выявлена группа микросхем с «пороговым» изменением коэффициента гармоник и спектра искажений в зависимости от синфазного напряжения и номинала резисторов на входах микросхемы. Причем «пороговым» изменениям подвержены более токовые синфазные искажения. Как правило, увеличение номинала резисторов на входах, при том же синфазном напряжении, увеличивает амплитуду скачка коэффициента гармоник и «жесткость» в спектре искажений.

По экспериментальным данным, приведенным в Таблицах 2 можно ориентировочно оценить номинал резистора, при котором начинается его влияние на общие искажения (Rкр), и дать приблизительную оценку в выигрыше при симметрировании входов микросхемы. Следует отметить, что микросхем способных «работать» в диапазоне искажений стотысячные доли с большим номиналом резисторов на входах в асимметричном режиме нет.

Исходя из сказанного выше, можно отметить, что поведение ряда микросхем в неинвертирующем включении достаточно непредсказуемо, что необходимо учитывать для проведения грамотной замены микросхемы при апгрейте.

Подобные проблемы могут возникнуть и при подключении внешних устройств к усилителю. Выходы внешних устройств обычно защищены резисторами, номинал которых может достигать единиц кОм, которые и могут изменить характеристики входного каскада усилителя работающего в неинвертирующем включении.

Часть II

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

____________________________________