Коэффициент отклонения блока питания — Power supply rejection ratio
В электронных системах коэффициент подавления источника питания ( PSRR ), а также коэффициент подавления напряжения питания ( k SVR ; SVR ) — это термин, широко используемый для описания способности электронной схемы подавлять любые изменения источника питания в своем выходном сигнале.
В спецификациях операционных усилителей PSRR определяется как отношение изменения напряжения питания к производимому им эквивалентному (дифференциальному) выходному напряжению, часто выражаемое в децибелах . Идеальный операционный усилитель должен иметь нулевой PSRR. Выходное напряжение будет зависеть от цепи обратной связи, как и в случае обычных входных напряжений смещения. Но тестирование не ограничивается постоянным током (нулевая частота); часто операционный усилитель будет также его PSRR приведены на различных частотах (в этом случае отношение является одним из среднеквадратических амплитуд из синусоид , присутствующих на источник питания по сравнению с выходом, с усилением принимать во внимание). Нежелательные колебания , включая катание на лодке , могут возникать, когда каскад усиления слишком чувствителен к сигналам, подаваемым через источник питания от более позднего каскада усилителя мощности .
Некоторые производители указывают PSRR в терминах напряжения смещения, которое он вызывает на входах усилителей; другие указывают это в терминах вывода; для этого вопроса нет отраслевого стандарта. В следующей формуле предполагается, что он задан с точки зрения ввода:
где — коэффициент усиления по напряжению. А v <\ textstyle A_
Например: усилитель с PSRR 100 дБ в цепи, обеспечивающий усиление в замкнутом контуре 40 дБ , позволит наложить пульсации источника питания примерно на 1 милливольт на каждый 1 вольт пульсаций источника питания. Это потому что
Простое измерение параметров операционных усилителей
Операционные усилители (ОУ) – это усилители с очень высоким коэффициентом усиления с дифференциальными входами и несимметричными выходами. Они часто используются в высокоточных аналоговых схемах, поэтому важно измерять их характеристики точно. Но при измерениях с незамкнутой петлёй обратной связи из-за их высокого коэффициента усиления, который может достигать 10 7 и более, очень трудно избежать ошибок от очень малых напряжений на входе усилителя из-за наводок, блуждающих токов или эффекта Зеебека (термоэлектрический эффект).
Процесс измерения можно значительно упростить используя для создания нуля на входе усилителя следящий контур, что позволяет тестируемому усилителю по существу измерять собственные ошибки. На Рисунке 1 показана универсальная схема, которая использует этот принцип, применяя вспомогательный операционный усилитель в качестве интегратора для создания стабильного контура с очень высоким коэффициентом усиления при разомкнутой петле на постоянном токе. Переключатели облегчают выполнение различных тестов, описанных в последующих упрощенных иллюстрациях.
Рисунок 1. Базовая схема измерения параметров операционного усилителя.
Схема на Рисунке 1 минимизирует большинство ошибок измерения и позволяет точно измерять большое количество параметров при постоянном токе и несколько параметров на переменном токе. Дополнительный "вспомогательный" операционный усилитель не должен иметь характеристики лучше, чем измеряемый операционный усилитель. Полезно, если он имеет коэффициент усиления по постоянному току при разомкнутой петле обратной связи один миллион или больше. Если смещение тестируемого устройства (ТУ) может превышать несколько мВ, вспомогательный операционный усилитель должен работать от источников питания ±15 В (и если смещение входа ТУ может превышать 10 мВ, резистор R3 99.9 кОм должен быть уменьшен).
Напряжения питания, +V и –V, ТУ имеют одинаковую величину и противоположный знак. Общее напряжение питания, разумеется, равно 2 × V. В данной схеме используются симметричные источники питания даже с операционными усилителями "с однополярным питанием", поскольку опорная точка заземления системы является средней точкой источников питания.
Вспомогательный усилитель, включенный как интегратор, работает без обратной связи (с полным коэффициентом усиления) на постоянном токе, но его входной резистор и конденсатор обратной связи ограничивают его полосу пропускания частотой в несколько Герц. Это означает, что постоянное напряжение на выходе ТУ усиливается полным коэффициентом усиления вспомогательного усилителя и подаётся через аттенюатор 1000:1 на неинвертирующий вход ТУ. Отрицательная обратная связь заставляет выход ТУ быть близким к потенциалу земли. (На самом деле фактическое напряжение – это напряжение смещения вспомогательного усилителя, или, если быть дотошным, это смещение плюс падение напряжения на резисторе 100 кОм из-за тока смещения вспомогательного усилителя, но это достаточно близко к земле, чтобы быть неважным, особенно потому, что изменения напряжения в этой точке во время измерений вряд ли превысят несколько микровольт).
Напряжение в контрольной точке TP1 в 1000 раз больше корректирующего напряжения (равного по величине ошибке), подаваемого на вход ТУ. Это напряжение будет составлять десятки мВ или больше и, следовательно, его довольно легко измерить.
Идеальный операционный усилитель имеет нулевое напряжение смещения (Vos). То есть, если оба входа соединены вместе и удерживаются при напряжении посередине между источниками питания, выходное напряжение также должно быть посередине между источниками питания. В реальной жизни у операционных усилителей смещение составляет от нескольких микровольт до нескольких милливольт, поэтому для приведения выходного напряжения к среднему потенциалу необходимо подать на его вход напряжение в этом же диапазоне.
На Рисунке 2 показана конфигурация для самого базового теста – измерения напряжения смещения. Выходное напряжение ТУ равно потенциалу земли, когда напряжение в TP1 в 1000 раз превышает его напряжение смещения.
Рисунок 2. Измерение напряжения смещения.
Идеальный операционный усилитель имеет бесконечный входной импеданс и в его входы ток не течёт. В реальности в инвертирующем и неинвертирующем входах (I B– и I B+ , соответственно) протекают небольшие токи "смещения"; они могут вызвать значительные смещения в высокоомных цепях. В зависимости от типа операционного усилителя они могут составлять от нескольких фемтоампер (1 фА = 10 –15 А – один электрон каждые несколько микросекунд) до нескольких наноампер, или даже в некоторых очень быстрых операционных усилителях – один или два микроампера. На Рисунке 3 показано, как эти токи можно измерить.
Рисунок 3. Измерение тока смещения и разности токов смещения.
Схема аналогична схеме измерения напряжения смещения на Рис. 2 с добавлением двух резисторов R6 и R7 последовательно со входами ТУ. Эти резисторы могут быть замкнуты переключателями S1 и S2. Когда оба переключателя замкнуты, схема такая же, как на Рисунке 2. Когда S1 разомкнут, ток смещения с инвертирующего входа течет в RS (имеется в виду замыкаемый резистор) и разница напряжений добавляется к напряжению смещения. Измерив изменение напряжения в TP1 (= 1000 I B– × RS), мы можем рассчитать I B– . Аналогично, замкнув S1 и разомкнув S2 мы можем измерить I B+ . Если напряжение в TP1 измеряется при замкнутых S1 и S2, а затем при разомкнутых S1 и S2, то по изменению измеряется "разница входных токов смещения", I OS – разница между I B+ и I B– . Используемые значения R6 и R7 будут зависеть от измеряемых токов.
Для значений I B порядка 5 пА или меньше использовать эту схему становится довольно сложно из-за большой величины резисторов. Могут потребоваться другие методы, возможно, измеряющие скорость, с которой I B заряжает конденсаторы с низкой утечкой (которые заменяют RS).
Когда S1 и S2 замкнуты, I OS всё ещё течёт в 100-омных резисторах и вносит ошибку в V OS , но если I OS не настолько велик, чтобы дать ошибку более 1% от измеренного V OS , в этом расчёте его обычно можно игнорировать.
Коэффициент усиления по постоянному току в разомкнутой цепи операционного усилителя может быть очень высоким. Известны коэффициенты усиления более 10 7 , но обычно значения лежат в диапазоне от 250 000 до 2 000 000. Коэффициент усиления по постоянному току измеряется принудительным изменением выходного сигнала ТУ на известную величину (1 В на Рисунке 4, но 10 В, если устройство работает при достаточно больших напряжениях питания, чтобы позволить это) путём переключения R5 между выходом ТУ и эталонным напряжением 1 В с помощью S6. Если R5 подключён к напряжению +1 В, то выход ТУ должен сместиться на –1 В, чтобы вход вспомогательного усилителя оставался неизменным около нуля.
Рисунок 4. Измерение коэффициента усиления по постоянному току.
Изменение напряжения в TP1, ослабленное в 1000 :1, является входом для ТУ, что вызывает изменение выходного сигнала на 1 В. Отсюда легко рассчитать коэффициент усиления (= 1000 × 1 В / TP1).
Для измерения коэффициента усиления переменного напряжения при разомкнутой петле обратной связи необходимо подать на вход ТУ небольшой сигнал переменного напряжения нужной частоты и измерить результирующий сигнал на его выходе (TP2 на Рисунке 5). Пока это делается, вспомогательный усилитель продолжает стабилизировать средний уровень постоянного напряжения на выходе ТУ.
Рисунок 5. Измерение коэффициента усиления на переменном токе.
На Рисунке 5 сигнал переменного тока подается на вход ТУ через аттенюатор 10 000 :1. Такое большое ослабление необходимо для низкочастотных измерений, где коэффициент усиления при разомкнутой петле обратной связи может быть близок к усилению на постоянном токе. (Например, на частоте, где коэффициент усиления равен 1 000 000, сигнал со среднеквадратичным напряжением 1 В подавался бы на вход усилителя как напряжение 100 мкВ, что приводило бы к насыщению усилителя, поскольку он попытается выдать выходной сигнал со среднеквадратичным напряжением 100 В). Поэтому измерения на переменном токе обычно проводятся на частотах от нескольких сотен Гц до частоты, на которой коэффициент усиления при разомкнутой петле обратной связи падает до единицы, или очень осторожно с более низкими амплитудами на входе, если нужны данные по коэффициенту усиления на низких частотах. Показанный простой аттенюатор будет работать только на частотах до 100 кГц или около того, даже если очень внимательно отнестись к паразитной ёмкости. На более высоких частотах потребуется более сложная схема.
Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) операционного усилителя – это отношение видимого изменения смещения в результате изменения напряжения синфазного сигнала к приложенному изменению напряжения синфазного сигнала. На постоянном токе он часто имеет порядок от 80 дБ до 120 дБ, но ниже на более высоких частотах.
Для измерения CMRR идеально подходит испытательная схема показанная на Рисунке 6. Напряжение синфазного сигнала подаётся не на входные клеммы ТУ, где низкоуровневые эффекты могли бы повлиять на измерения, а изменяется напряжение питания (в том же направлении, то есть синфазно относительно входа), в то время как остальная часть схемы остаётся свободной од воздействия.
Рисунок 6. Измерение CMRR на постоянном токе.
В схеме на Рисунке 6 смещение измеряется в TP1 при питании ±V (в этом примере +2.5 В и –2.5 В) и снова при обоих питаниях, сдвинутых на +1 В до +3.5 В и –1.5 В. Изменение напряжения смещения соответствует изменению синфазного напряжения на 1 В, поэтому CMRR на постоянном токе равен отношению изменения напряжения смещения и 1 В.
CMRR относится к изменению напряжения смещения при изменении синфазного напряжения, при этом общее напряжение питания остаётся неизменным. Коэффициент подавления пульсация напряжения питания (PSRR) с другой стороны представляет собой отношение изменения напряжения смещения к изменению общего напряжения питания, при этом напряжение синфазного сигнала остаётся неизменным в средней точке напряжения питания (Рисунок 7).
Рисунок 7. Измерение PSRR на постоянном токе.
Используется точно такая же схема. Разница заключается в том, что изменяется общее напряжение питания, в то время как синфазное напряжение остается неизменным. Здесь происходит переключение с +2.5 В и –2.5 В на +3 В и –3 В, что означает изменение общего напряжения питания с 5 В до 6 В. Напряжение синфазного сигнала остаётся неизменным в средней точке. Расчёт тот же (1000 × TP1 / 1 В).
Для измерения CMRR и PSRR на переменном токе напряжения питания модулируются напряжениями как показано на Рисунке 8 и Рисунке 9. ТУ продолжает работать при разомкнутой петле обратной связи на постоянном токе, но значение коэффициента усиления (×100 на рисунках) определяет отрицательная обратная связь по переменному току.
Рисунок 8. Измерение CMRR на переменном токе.
Рисунок 9. Измерение PSRR на переменном токе.
Для измерения CMRR на переменном токе положительный и отрицательный источники питания ТУ модулируются переменным напряжением с амплитудой с пиком 1 В. Модуляция обоих источников питания имеет одинаковую фазу, так что фактически напряжение питания остаётся постоянным, но напряжение синфазного сигнала представляет собой синусоиду амплитудой 2 В пик-пик, что создаёт на выходе ТУ переменное напряжение, которое измеряется в TP2.
Если переменное напряжение в TP2 имеет амплитуду пика X вольт (2X вольт пик-пик), то CMRR, отнесённый ко входу ТУ (то есть до усиления по переменному току ×100), равен X / 100 В, а CMRR – это отношение данного значения к напряжению с пиковым напряжением 1 В.
PSRR на переменном токе измеряется при наличии противофазного переменного напряжения на положительной и отрицательной шине питания. Это приводит к модуляции амплитуды напряжения питания (опять же, в этом примере с пиковым напряжением 1 В, или 2 В пик-пик), в то время как напряжение синфазного сигнала остаётся неизменным на постоянном токе. Расчёт очень похож на предыдущий.
Конечно, существует множество других параметров операционного усилителя, которые необходимо измерить, и множество других способов измерения тех параметров, о которых мы говорили, но самые базовые параметры постоянного и переменного тока, как мы видели, могут быть надёжно измерены с помощью простой базовой схемы, которую легко построить, легко понять и в значительной степени свободна от проблем.
Январь 2018: Мы заменили С1 = 1 мкФ на С1 = 5 мкФ. Оказалось, что интегратор на вспомогательном ОУ всё ещё имеет достаточный коэффициент усиления, чтобы создать в замкнутом контуре пик до 10 дБ на частоте около 40 Гц, создающий в итоге колебания частотой 40 Гц. Моделирование показывает, что это можно предотвратить уменьшив частоту полюса в 5 раз.
Коэффициент отклонения источника питания — Power supply rejection ratio
В электронных системах коэффициент отклонения источника питания (PSRR), также коэффициент подавления напряжения питания [1] (kСВР; СВР) — это термин, широко используемый для описания способности электронной схемы подавлять любые изменения источника питания в ее выходном сигнале.
В спецификациях операционные усилители, PSRR определяется как отношение изменения напряжения питания к эквивалентному (дифференциальному) выходному напряжению, которое оно производит, [2] часто выражается в децибелы. [3] [4] [5] Идеальный операционный усилитель должен иметь нулевой PSRR. Выходное напряжение будет зависеть от цепи обратной связи, как и в случае обычных входных напряжений смещения. Но тестирование не ограничивается ОКРУГ КОЛУМБИЯ (нулевая частота); часто операционный усилитель также имеет PSRR, заданный на различных частотах (в этом случае соотношение является одним из Среднеквадратичные амплитуды из сухожилия присутствует на источнике питания по сравнению с выходом, с учетом усиления). Нежелательный колебание, в том числе моторная лодка, может возникнуть, когда каскад усиления слишком чувствителен к сигналам, подаваемым через источник питания от более позднего усилитель мощности сцена.
Некоторые производители указывают PSRR в терминах напряжения смещения, которое он вызывает на входах усилителей; другие указывают это в терминах вывода; для этого вопроса нет отраслевого стандарта. [6] В следующей формуле предполагается, что он задан с точки зрения ввода:
Например: усилитель с PSRR 100 дБ в цепи для получения замкнутого контура 40 дБ. усиление позволит около 1милливольт пульсаций источника питания, которые накладываются на выход для каждого 1вольт пульсации в поставке. Это потому что
Связь между PSRR и усилением
Википедия говорит, что коэффициент подавления источника питания (PSRR) — это отношение выходного шума к шуму на входе источника питания:
PSRR определяется как отношение изменения напряжения питания к эквивалентному (дифференциальному) входному напряжению, которое он производит в операционном усилителе.
Качественный дизайн аналоговых интегральных схем Cmos от Razavi говорит о том же:
Коэффициент подавления источника питания (PSRR) определяется как усиление от входа до выхода, деленное на усиление от источника до выхода.
Таким образом, общее отклонение от источника питания к выходу зависит от коэффициента усиления ОУ?
Таким образом, операционный усилитель с усилением +40 дБ и PSRR 100 дБ с шумом 0 дБВ на источнике питания будет иметь шум -60 дБВ на выходе? Пример из Википедии говорит, что вместо этого будет -120 дБВ, чего я не понимаю.
Есть ли выходной компонент PSRR? Например, если вы уменьшите усиление усилителя, шум на входе уменьшится, верно? Но есть ли постоянная составляющая, соединенная с источником питания через выходные каскады, которая начинает доминировать?
Аналоговые устройства MT-043 , с другой стороны, говорят:
PSRR или PSR могут быть отнесены либо к выходу (RTO), либо к входу (RTI). Значение RTI можно получить путем деления значения RTO на усиление усилителя. В случае традиционного операционного усилителя это будет усиление шума. Таблицу данных следует внимательно прочитать, потому что PSR может быть выражено как значение RTO или RTI.
Это правда? Как вы узнаете из таблицы данных, какой метод используется?
Прибыль является абсолютно единственной важной частью PSRR. По сути, вы говорите, сколько операционный усилитель при подаче сигнала подавляет любые пульсации, поступающие от источника питания, а не от входа схемы.
Давайте возьмем простой пример: идеальный (бесконечный коэффициент усиления разомкнутого контура) повторитель напряжения (выход, напрямую связанный с инвертирующим входом, питаемый от неинвертирующего входа). Схема имеет усиление в замкнутом контуре, равное 1, но обратная связь (поскольку общий коэффициент усиления является высоким SOOO) будет означать, что любая пульсация питания будет отменена из-за обратной связи, заставляющей неинвертирующие и инвертирующие входы находиться в идеальном состоянии.
Но возьмите тот же пример, но сделайте усиление контура OPEN для операционного усилителя 1, по-прежнему с усилением замкнутого контура 1, тогда внезапно операционный усилитель не сможет справиться с изменениями между неинвертирующим входом и инвертирующим выходом входом , И, следовательно, вся пульсация от источника питания будет видна на выходе (по сути, операционный усилитель превратится в источник шума с шумом, являющимся пульсацией связанного источника питания)
Я понимаю, КАК Стивенвх мог сказать, что усиление не имеет смысла, потому что он имел в виду усиление замкнутого контура . Но выгода заключается в усилении ОТКРЫТОГО контура, и ДА, что ВСЕ в PSRR.
РЕДАКТИРОВАТЬ : И чтобы ответить на ваш вопрос, просто чтобы немного продолжить здесь, PSRR связан с усилением разомкнутого контура, но чем больше усиление замкнутого контура вы вводите, тем больше пульсация источника питания вы получите на выходе (следовательно, 60 дБ вы ссылаетесь над)
И вот почему: тот же пример, который я привел выше, за исключением того, что на этот раз у вас есть операционный усилитель REAL (усиление с разомкнутым контуром) и резисторы в тракте обратной связи, что означает, что вы получаете усиление с замкнутым контуром некоторого значения, скажем 6 дБ. Так как резисторы ведут себя как делитель напряжения, операционный усилитель должен СКОРОСТИ для перегрузки источника питания, возвращаемой на неинвертирующий вход. Если он может компенсировать только 100 дБ пульсации источника питания, вы получите только 94 дБ отказа. Чем больше усиление замкнутого контура вы вводите, тем меньше пульсаций источника питания вы можете отклонить.
Весь разговор проистекает из отдельных значений коэффициента усиления разомкнутого и замкнутого контура.
2-е РЕДАКТИРОВАНИЕ: И способ, которым вы получаете 60 дБ, или я получаю мои 94 дБ, заключается в том, что вы должны понимать, что вы должны конвертировать дБ BACK, поэтому, например, вам нужно использовать
И ДА другой парень, который сказал, что это должно быть 1 мВ, а не 1 мкВ в Википедии, является правильным.
Путаница здесь заключается в том, что PSRR (коэффициент отклонения электропитания) является общим термином, который на практике фактически используется для обозначения нескольких вещей. Как правило, это соотношение, сравнивающее изменение параметра с изменением уровня постоянного напряжения питания.
Например, PSRR в АЦП часто используется для обозначения отношения ошибки усиления к изменению напряжения постоянного тока источника питания.
Отчасти это происходит из-за путаницы аббревиатуры PSRR, которую можно использовать как:
«Коэффициент отклонения источника питания», который, как упоминалось выше, представляет собой соотношение между измеренным параметром и изменением постоянного напряжения источника .
«Отклонение пульсации источника питания», которое представляет собой, как правило, отношение напряжения переменного тока на источнике питания к напряжению переменного тока на входе или выходе. Но это также может быть отношение входа к выходу в случае чего-то вроде линейного регулятора.
Здесь вы увидите в таблице на странице 2 значение, указанное в разделе «Смещение напряжения» как «Отклонение подачи».
Это «Коэффициент отклонения источника питания», в котором сравниваются изменения уровня постоянного тока источника питания с изменениями напряжения смещения выхода.
На странице 3 значение, указанное в разделе «Входное напряжение смещения» как «Отклонение подачи».
Это «Коэффициент отклонения электропитания», сравнивающий изменения уровня электропитания со сдвигами входного напряжения смещения.
Глядя на графики на странице 4, мы видим график «Отклонение источника питания в зависимости от частоты».
Это «отклонение пульсации источника питания» для измерения отклонения пульсации переменного тока, которое представляет собой отношение пульсации подачи к входной пульсации.
Этот последний может быть немного запутанным, так как для операционного усилителя «Отклонение пульсации источника питания» часто задается как отношение пульсации питания к входной пульсации. Как правило, это относится к устройствам с обратной связью или к операционным усилителям, которые обычно используются с обратной связью.
Для устройств без обратной связи, например, аудиоусилители класса D, «Отклонение пульсации электропитания» обычно представляет собой просто отношение пульсации питания к выходной пульсации, а «Коэффициент подавления электропитания» представляет собой измерение влияния на уровень постоянного тока источника питания для выходное смещение напряжения.
Таким образом, на самом деле нет точного и быстрого определения «PSRR», и часто используются другие термины, такие как «Отклонение подачи», «Отклонение пульсации», «Отклонение источника питания» и т. Д. Важно то, что они всегда измерения, описывающие влияние источника питания на рассматриваемую цепь. Чтобы выяснить, что на самом деле означает измерение, вы должны рассмотреть контекст измерения, а также режим работы устройства.
РЕДАКТИРОВАТЬ: Вот несколько примеров различных применений производителя:
National Semiconductor : Использует термины «Коэффициент отклонения источника питания» для переменного тока и «Коэффициент отклонения источника питания постоянного тока» для постоянного тока.
Максим : использует «Коэффициент отклонения электропитания» для постоянного тока и «Отклонение пульсации» для переменного тока
TI : Использует LDO «Отклонение пульсации источника питания (PSRR)» и Различные формы «Отклонения источника питания» для операционных усилителей (см. Таблицу данных выше).
Аналоговые устройства : использует «Коэффициент отклонения источника питания», определяет его как относящийся либо к входу, либо к выходу, и даже утверждает, что термин PSRR не следует использовать, если он выражен в дБ, а скорее PSR (отклонение источника питания).
Есть еще много примеров, но я оставлю это на этом.
Итак, опять же, здесь действительно нет стандартизированного определения, все зависит от контекста.