Identificando a Fonte de Artefato Periódico na Saída Op-Amp

Meu amplificador operacional duplo MAX44251 possui um pequeno artefato periódico indesejado de 131KHz na saída, aparentemente independentemente de como está configurado.

Minha suposição era EMI, mas não consigo ver esse sinal de 131KHz em nenhuma outra parte do circuito. Também testei isso em vários prédios, com várias sondas, com todos os outros eletrônicos desligados e cercados por blindagem.

O que devo tentar remover? Eu gostaria de pelo menos obter um seguidor de tensão com ruído abaixo de 1mV.

No momento, ele está configurado de maneira muito simples:

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

As tampas de desvio estão na camada inferior do plano do solo. Vias são soldadas à mão.

Eu observei o efeito através da sonda passiva Agilent 10X (é difícil de ver) e através de uma sonda como a seguinte, com a qual posso ampliar o zoom até 2mv / div. Originalmente, foi observado porque a saída é alimentada a um comparador, e a saída do comparador indicava que a amplitude do sinal de entrada era> os 2mV desejados.

A forma de onda é periódica, mas meio estranha. Aqui estão algumas fotos de diferentes ângulos:

200 ns parado

Corrida livre de 50 ns

20 ns Corrida grátis

10 ns parado

Não sei dizer se esse é realmente um sintoma do que está descrito na ficha técnica:

$30 \frac{\text{nV}}{\sqrt{\text{Hz}}}$

O que devo tentar remover? Eu gostaria de pelo menos obter um seguidor de tensão com ruído abaixo de 1mV.

Se você só precisa de um seguidor de voltagem com largura de banda baixa: Use um filtro passa-baixo.

Se você precisar de sinal de até 65 kHz e acima: Um entalhe RLC (parada de banda) provavelmente funcionaria melhor; um projeto rápido e preguiçoso na minha ferramenta de design de filtro passivo favorito produziu R = 0,16Ω, L = 1µH, C = 1,5µF como a configuração possível.

Observe que você pode tentar usar o circuito inverso (passa banda RLC; troque o (L - C) pelo R) no ramo de realimentação do seu seguidor de tensão.

Observe que este é um amplificador autozero (também chamado de estabilizador de chopper) - muitos opamps de offset muito baixos funcionam amostrando periodicamente o offset de entrada e injetando um offset de compensação para combater a deriva no front-end. Para fazer isso, há um oscilador no opamp junto com um conjunto de interruptores analógicos na entrada. Isso pode resultar na passagem do relógio para a saída, bem como na injeção de carga nos pinos de entrada.

Presumivelmente, este dispositivo está usando 131kHz como frequência de comutação.

Não consigo encontrar informações detalhadas sobre a parte Maxim, mas aqui estão algumas informações para uma parte de Dispositivos analógicos que provavelmente é semelhante:

Dispositivos analógicos Zero deriva opamp

Se você realmente precisa do deslocamento e deslocamento baixos, eles são o melhor tipo de dispositivo a ser usado - você pode limitar a largura de banda e filtrar o relógio.

A largura de banda do zeramento automático é suficiente para abranger 1 / f de ruído nos opamps CMOS, para que possam ter um ruído muito baixo para frequências abaixo de 1kHz, uma região em que os opamps CMOS tendem a ter problemas.

Se você não conseguir filtrar o ruído do relógio, veja se pode usar uma peça convencional - elas geralmente apresentam pior desempenho de desvio e deslocamento, mas você pode obtê-las melhor que o deslocamento de 100uV. Você também pode precisar compensar a corrente de polarização da entrada, porque os amplificadores de entrada bipolares geralmente são melhores que o CMOS para esse parâmetro. Os bipolares também costumam ter menos ruído.

Um problema relacionado que tive com uma parte similar da Linear Technology (LTC2051) é que o circuito de zero automático pode levar muito tempo para se recuperar da sobrecarga quando a saída se saturar - muitos milissegundos para uma peça com GBW de muitos MHz. Isso os torna inadequados para qualquer aplicação que sature como parte normal de sua operação, como osciladores ou detectores de limiar.

Concordo com Marcus, o ~ 130 kHz seria o segundo harmônico da freqüência de comutação do Chopper ~ 65 kHz.

Uma 'largura de banda de malha fechada' reduzida do seu amplificador operacional pode resultar no segundo harmônico (~ 130 kHz) para ter uma magnitude maior que o primeiro harmônico (~ 65 kHz), para resolver isso, como Marcus mencionou, uma solução pode estar adicionando um filtro passivo para filtrar esse ruído.

Existe um artigo de Art Kay , " 1 / f Noise e Zero-Drift Amplifiers ", que fala sobre ruído nos amplificadores de operação com desvio zero.

Se você quiser saber mais sobre o Op Amp Noise, consulte o TI Precision Labs for Noise .

Não tenho uma resposta, mas posso dizer, como inspiração, como eu depuraria isso.

Primeiro, eu tentaria soldar uma tampa de derivação diretamente no chip. Uma peça 0603, 100nF, e use trança para conectar ao outro pino (para baixa indutância). As tampas de desvio estão atrás de vias de alta indutância, o que pode torná-las ineficazes para os picos. Os picos estão em 131 kHz, mas o conteúdo da frequência é muito maior, portanto, o desvio é importante.

Provavelmente isso falharia :-).

Então eu substituiria o amplificador: 1. Analog Devices produz alguns amplificadores aparados com deslocamento muito baixo. O deslocamento não é tão baixo quanto em um amplificador de zero automático, mas confira. Esses são um pouco mais caros, portanto verifique com seu orçamento e requisitos de compensação. Veja AD8615 e similares. A única coisa é que eles ficam um pouco caros para itens de consumo de alto volume.

2 Além disso, considere um bom e velho opamp bipolar instrumental da linhagem marrom-burr (Texas Instruments agora.). Use a mesma impedância em ambas as entradas para se livrar da corrente de polarização e verifique se a impedância de entrada é baixa o suficiente para que a corrente de compensação não importe. Algo semelhante ao opa237.

3. Tente um amplificador de zero automático diferente, talvez um com relógio de espectro expandido. Mais uma vez, observe as partes dos dispositivos analógicos.

Boa sorte