¿Qué hacen los rieles móviles (cambio de voltaje en los rieles) a un opamp?

Dado que pasé una buena parte de mi carrera tratando de hacer que los rieles de opamp sean lo más estables posible a su voltaje previsto, realmente no he pasado mucho tiempo pensando en lo que sucedería si los rieles se alejan de un valor fijo. Como solo he estudiado brevemente el funcionamiento interno de los amplificadores operacionales, no estoy tan seguro de poder llegar a una respuesta definitiva.

Entonces, ¿qué le sucede a la señal si los rieles se mueven? (digamos que se mueve lentamente, como menos de 5Hz, tal vez un cambio de 1V de vez en cuando) ¿Es más que solo recortar en diferentes niveles?

En teoría, el OpAmp debería funcionar bien sin importar lo que esté haciendo el suministro.

A medida que dejamos el modelo teórico de un OpAmp (recuerde que ni siquiera hay pines de suministro en el símbolo básico, solo IN +, IN- y OUT), tenemos que considerar cada vez más detalles introducidos por el circuito real.

Muchos, por supuesto, serán obvios para ti, pero confía en mí, eventualmente llegaremos a una respuesta.

Primero, la salida nunca puede exceder el voltaje suministrado al amplificador.

Luego, el rendimiento empeora cuando la salida está tratando de empujar o tirar del voltaje cerca de los rieles. Esto, por supuesto, dependerá en gran medida del diseño del OpAmp, y los amplificadores Rail-to-Rail prometen darle todo el voltaje disponible en la salida.

Siempre que analicemos un OpAmp suministrado por CC, cualquier señal dentro de la especificación de la oscilación de salida máxima funcionará, y puede suministrarle al OpAmp cualquier voltaje positivo y negativo permitido por la hoja de datos (entre sí y a tierra, pero tenga en cuenta que el OpAmp no tiene forma de saber dónde está realmente la tierra; suministrar +3 V y -7 V no es ningún problema, y ​​su amplificador intentará seguir funcionando dentro de este rango de 10 V).

Las fuentes de corriente internas, las etapas diferenciales y los controladores de salida están diseñados de manera que el OpAmp cancela cualquier variación en los rieles de suministro lo más rápido posible.

Solo si las variaciones en los rieles de suministro cambian lo suficientemente rápido, comenzará a notar un efecto. Por lo general, esto se establece entre 100 Hz y 10 kHz.

Y la mejor parte: se especifica en la hoja de datos; busque PSRR (relación de rechazo de la fuente de alimentación).

El valor suele ser muy alto para DC a bajas frecuencias (60 ... 120 dB) y comienza a degradarse con lo que parece una característica de paso bajo simple por encima de cierto punto. Tenga en cuenta que estamos hablando de rechazo , por lo que en realidad es un paso alto a pesar de que la pendiente desciende en el diagrama:

Tenga en cuenta que el texto de la imagen dice: ± 15 V, entonces, ¿qué se hace realmente con los pines de alimentación del OpAmp?

Al igual que con cualquier buena especificación de hoja de datos, también hay un circuito de prueba que le dice cómo se mide:

Esto también explica por qué hay dos líneas en el diagrama (-PSR y + PSR). Las fuentes de corriente internas del OpAmp, por ejemplo, a veces alimentan sus cargas desde el suministro positivo, a veces hacia el suministro negativo, y el diseño interno no es absolutamente simétrico.

Tome el buen ol '741 como ejemplo:

Solo la etapa de salida a la derecha es simétrica, todo lo demás no lo es. Las partes más avanzadas seguirán este principio básico hasta cierto punto.

En pocas palabras: para CC y bajas frecuencias, mire las especificaciones de CC (¿riel a riel con qué limitaciones de ganancia y distorsión?). Para frecuencias más altas, mira el PSRR. Si aplica un paso a la volatilidad de suministro, tiene una mezcla, porque un paso se compone de una parte de alta frecuencia además del salto obvio de un nivel de CC a otro nivel de CC, lo que resulta en una perturbación en la salida causada por cualquier nivel superior -frecuencia parte del paso que el OpAmp no puede rechazar.

Lo que no he cubierto aquí podría responderse en el tutorial MT-043 de Analog Devices . Aquí también es donde tomé las imágenes (excepto el circuito 741).

Sí, hay efectos de corriente alterna. La hoja de datos del amplificador operacional debe especificar una relación de rechazo de la fuente de alimentación que le brinde el efecto máximo que un cambio en la fuente de alimentación tendrá en la salida. Es una cifra bastante alta, incluso el antiguo 741 tiene una figura típica en el rango de 90dB, pero puede ser significativo si el cambio en la salida produce más cambios en el voltaje de la fuente de alimentación y, por lo tanto, crea un circuito de retroalimentación que podría conducir a oscilaciones.

Obviamente, como se da cuenta, esto se suma a cualquier efecto directo, como depender de la operación de entradas y salidas de riel a riel.

Hay una respuesta aceptada, pero quería mencionar un ejemplo específico: amplificadores de potencia de audio.

Estos generalmente funcionan con rieles no regulados. Espere una ondulación de varios voltios a la frecuencia de red de CA rectificada, a menudo más dependiendo de las demandas de corriente. Cuando los diodos rectificadores no conducen, que es la mayoría de las veces, el voltaje de suministro disminuye de acuerdo con la corriente de salida dividida por el valor del condensador de suministro grande.

Además, el voltaje del riel variará dependiendo de la amplitud de la señal. Al escuchar, las partes más ruidosas atraerán más corriente, reduciendo el voltaje del riel. Las partes tranquilas no lo harán. Por lo tanto, el voltaje del riel se mueve en la región de 0.1-2 Hz además de la frecuencia de red rectificada.

Estos amplificadores generalmente se implementan como opamps discretos, lo que permite varios trucos para aumentar la PSRR. Un opamp discreto tiene un terminal GND, por lo que los nodos internos más sensibles a la fuente de alimentación pueden derivarse a tierra mediante un condensador barato. El condensador de compensación es una fuente importante de PSRR defectuoso en amplificadores operacionales, ya que se debe hacer referencia a uno de los suministros. En un opamp discreto, esto puede mitigarse.

El resultado es que puede obtener una gran ondulación en los rieles sin ningún problema. De hecho, los amplificadores de potencia con rieles regulados son muy exóticos, solo se encuentran en equipos de audiófilos megabuck y, de manera realista, una pérdida de dinero.

Así que aquí hay un ejemplo de la vida real;)

¿Qué le sucede a la señal si los rieles se mueven? (digamos que se mueve lentamente, como menos de 5Hz, tal vez un cambio de 1V de vez en cuando) ¿Es más que solo recortar en diferentes niveles?

LF PSRR es enorme, por lo que no pasa nada.

Las Opamps tienen baja PSRR de HF y, por lo tanto, no les gusta el desacoplamiento incorrecto que crea un sonido de HF en los suministros u otras fuentes de ruido de HF como reguladores de conmutación mal filtrados. La variación del voltaje de alimentación de baja frecuencia no debería importar en absoluto. Quizás el voltaje compensado podría derivar debido a los efectos térmicos, pero esto debería ser pequeño.