Quel est l'effet de l'asymétrie de la tension d'alimentation dans les topologies d'amplificateurs opamp?

Quel est l'effet d'un décalage de tension dans l'une des entrées de tension d'alimentation d'un ampli-op sur son comportement fonctionnel ( Δ V peut être positif ou négatif)?$\Delta V$$\Delta V$

Supposons que je conçois un amplificateur non inverseur avec et R 2 = 1 k Ω . Les tensions d'alimentation sont; V + = + 5,0 V et V - = - 4,5 V . Et mon opamp est MCP6V31 . Quelle sera la tension de sortie, si ma tension d'entrée est une tension sinusoïdale de 1 kHz, 10 mV crête à crête? $R_1 = 100k\Omega$$R_2 = 1k\Omega$$V_+ = +5.0V$$V_- = -4.5V$

Les réponses ci-dessus ne sont pas satisfaisantes à certains égards. Andy a une hypothèse et un calcul incorrects, tandis que les "espaces réservés" ne vous disent essentiellement rien de concret ... ce qui n'est pas le cas.

L'erreur d'Andy est de supposer que dans l'exemple numérique, le PSRR doit être considéré à 1 kHz, mais il doit en fait être pris en compte à DC compte tenu de l'énoncé de problème suivant (je cite au cas où il changerait sans préavis [à nouveau]):

Supposons que je conçois un amplificateur non inverseur avec R1 = 100kO et R2 = 1kO. Les tensions d'alimentation sont; V + = + 5,0V et V - = - 4,5V. Et mon opamp est MCP6V31. Quelle sera la tension de sortie, si ma tension d'entrée est une tension sinusoïdale de 1 kHz, 10 mV crête à crête?

Ainsi, d'après le graphique, nous nous attendons à environ -90 dB PSRR à 0 Hz (CC), ce qui se traduirait par un décalage CC d'environ 3 mV en sortie. Pour le signal d'entrée indiqué, ce sera à peine perceptible car la sortie aura une composante alternative de 1Vp-p. Cependant, si vous laissez tomber le signal d'entrée à 10 microvolts pp, le décalage CC dans la sortie provoqué par le déséquilibre du rail sera certainement perceptible. Preuve par LTspice.

La question posée:

La baisse du signal d'entrée à dix microvolts pp.

Il y a maintenant un décalage DC visible à la sortie. Juste pour vous convaincre que cela est principalement dû au déséquilibre de l'alimentation, voici ce qui se passe si vous utilisez des rails parfaitement équilibrés avec le même signal d'entrée de 10 microvolts.

Il y a un certain décalage ici également provoqué par d'autres caractéristiques non idéales de l'ampli opérationnel (tension de décalage d'entrée, courants de polarisation d'entrée), mais il est beaucoup moins que celui qui a été causé par le déséquilibre du rail d'alimentation.

De toute évidence, vous pouvez également clipser plus tôt sur le rail négatif si celui-ci est augmenté de manière plus significative (compte tenu d'un signal d'entrée suffisamment grand). Je n'ajoute pas de graphique pour cela car c'est assez évident.

Si les rails d'alimentation se déplacent de haut en bas, vous pouvez voir comment cela affecte l'amplificateur en regardant le graphique du taux de réjection d'alimentation (PSRR): -

J'ai pris cette image de la fiche technique et pour un signal de 1 kHz superposé au rail d'alimentation (positif ou négatif), il y a 45 dB de rejet. Cela signifie que si 1Vp-p 1kHz est sur un rail d'alimentation, il y a une tension équivalente à l'entrée de: -

$V_{INPUT} = 10^{(\frac{-45}{20})} = 5.62mV_{P-P}$

Si votre gain est égal à l'unité, vous verrez cette tension à la sortie. Si votre gain est de 10, vous verrez dix fois cette tension.

EDIT Strictement parlant, vous devez utiliser le gain non inverseur pour déterminer le bruit d'alimentation vu à la sortie d'un ampli-op. Cela signifie que pour une configuration d'amplificateur opérationnel inverseur avec un gain de seulement 0,01, le bruit d'alimentation sur la sortie est multiplié par 1,01 et non par 0,01. Une tension d'entrée 1Vp-p 1kHz alimentée par un amplificateur inverseur avec un gain de 0,01 produira une sortie de 10mVp-p et si le PSRR à 1kHz est 45dB et qu'il y a 1kHz 1Vp-p sur chaque rail d'alimentation, il y aura toujours virtuellement 5,62 mVp-p de bruit sur la sortie et cela va gâcher le signal.

PSRR sur wikipedia

Les asymétries de rail sont difficiles à déterminer sans connaître la topologie interne de l'ampli-op. Beaucoup de gens pensent qu'un ampli opérationnel est un ampli opérationnel, mais en réalité, il existe de nombreuses implémentations, technologies et compromis différents.

Vous n'obtiendrez pas de réponses définitives (à moins que le concepteur ne se cache ici), mais en général l'asymétrie se manifeste de deux manières. Le premier est l'excursion du signal, avec le rail déplacé, la plage de fonctionnement est également décalée, si vous avez un amplificateur opérationnel rail à rail et que vous déplacez le rail, le signal se déplacera également.

Le deuxième problème se manifeste dans les produits de distorsion, souvent les circuits internes ont des fonctionnalités complémentaires, l'un référencé au rail supérieur et l'autre référencé au rail inférieur et les deux avec des points de fonctionnement légèrement différents, car le signal passe par différents régimes de fonctionnement du ampli-op, différents effets apparaissent et se manifestent principalement comme des produits de distorsion (ou des différences de taux de balayage).

Pour bien comprendre cela, vous devez étudier l'ampli-op beaucoup plus que ce dont vous avez vraiment besoin.

La plupart des contraintes sont intégrées dans la fiche technique. Si vous savez ce que vous faites, vous pouvez en obtenir des indications sur la topologie interne.