识别运算放大器输出的周期性伪影来源

电器工程 运算放大器 噪音 电磁兼容
2022-01-30 09:40:26

我的MAX44251双路运算放大器在输出端有一个非常小的不需要的 131KHz 周期性伪影,无论它是如何配置的。

我的假设是 EMI,但我在电路的任何其他部分都看不到这个 131KHz 信号。我还在多个建筑物中进行了测试,使用多个探头,所有其他电子设备都关闭,并被箔屏蔽包围。

我应该如何尝试删除它?我想至少实现一个噪声低于 1mV 的电压跟随器。

在此处输入图像描述




当我第一次注意到这个问题时,该芯片最初用于更复杂的电路。但是,为了隔离这个问题,我用新的组件制作了一个全新的测试 PCB。我留下了额外的焊盘,以便在测试时以不同的方式重新配置芯片。

在此处输入图像描述

现在它的配置非常简单:

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

旁路帽位于底部接地层上。过孔是手工焊接的。

我已经通过 Agilent 10X 无源探头(很难看到)和如下探头观察到这种效果,我可以使用它一直放大到 2mv/div。最初,观察到是因为输出馈送到比较器,比较器输出表明输入信号幅度 > 所需的 2mV。

在此处输入图像描述

波形是周期性的,但有点奇怪。下面是几张不同角度的照片:

200 ns 停止

200 ns 停止

50 ns 自由运行

50 ns 自由运行

20 ns 自由运行

20 ns 自由运行

10 ns 停止

10 ns 停止

4个回答

请注意,这是一个自动归零放大器(也称为稳定斩波器)——许多非常低偏移的运算放大器通过周期性地对输入偏移进行采样并注入补偿偏移来抵消前端的漂移来工作。为此,运算放大器中有一个振荡器以及输入端的一组模拟开关。这可能导致时钟馈通到输出以及输入引脚处的电荷注入。

据推测,该设备使用 131kHz 作为开关频率。

我找不到关于 Maxim 部分的任何详细信息,但这里有一些关于 Analog Devices 部分的信息,可能类似:

Analog Devices 零漂移运算放大器

如果您真的需要低偏移和漂移,那么它们是最好的设备类型 - 您可能需要限制带宽并过滤掉时钟。

自动归零的带宽足以包含 CMOS 运算放大器中的 1/f 噪声,因此对于 1kHz 以下的频率,它们可以是非常低的噪声,这是 CMOS 运算放大器容易出现问题的区域。

如果您无法滤除时钟噪声,请查看是否可以使用传统部件 - 它们通常具有更差的漂移和偏移性能,但您可以获得优于 100uV 偏移的性能。您可能还必须权衡输入偏置电流,因为双极输入放大器通常在此参数方面优于 CMOS。双极通常也具有较低的噪声。

我在使用类似的凌力尔特部件 (LTC2051) 时遇到的一个相关问题是,当输出饱和时,自动归零电路可能需要很长时间才能从过载中恢复 - 对于 GBW 为数 MHz 的部件,需要数毫秒。这使得它们不适合作为其正常操作部分饱和的任何应用,例如振荡器或阈值检测器。

我真的无法判断这是否真的是数据表中描述的症状:

噪声与频率

注意在 65kHz 处有一个超过的尖峰——几乎是您观察噪声频率的一半;然而,它们没有表征高达 131.5kHz 的频率。30nVHz

我应该如何尝试删除它?我想至少实现一个噪声低于 1mV 的电压跟随器。

如果您只需要一个低带宽电压跟随器:使用低通滤波器。

如果您需要高达 65 kHz 及以上的信号:RLC 陷波(带阻)可能效果最好;在我最喜欢的无源滤波器设计工具上运行的快速而懒惰的设计产生了 R=0.16Ω、L=1µH、C=1.5µF 作为可能的配置。

RLC 缺口

请注意,您可以尝试在电压跟随器的反馈支路中使用反向电路(RLC 带通;将 (L--C) 与 R 交换)。

我同意 Marcus 的观点,~130 kHz 将是斩波器开关频率 ~65 kHz 的二次谐波。

降低运算放大器的“闭环带宽”可能会导致二次谐波(~130 kHz)的幅度大于一次谐波(~65 kHz),为了解决这个问题,正如马库斯所说,可以添加一个解决方案一个无源滤波器来过滤该噪声。

Art Kay有一篇文章1/f 噪声和零漂移放大器”讨论了零漂移运算放大器中的噪声。

如果您想了解有关运算放大器噪声的更多信息,请查看TI Precision Labs for Noise

没有答案,但我可以告诉你,为了获得灵感,我将如何调试它。

首先,我会尝试将旁路帽直接焊接到芯片上。一个 0603 部件,100nF,并使用编织物连接到另一个引脚(用于低电感)。您的旁路电容位于电感相对较高的通孔后面,这会使它们对尖峰无效。尖峰为 131 kHz,但频率成分要高得多,因此良好的旁路非常重要。

这可能会失败:-)。

然后我会更换放大器: 1. ADI 公司制造了一些非常低的偏移微调放大器。偏移不如自动调零放大器低,但请检查一下。这些有点贵,所以请检查您的预算和抵消要求。看看 AD8615 和类似的。唯一的问题是,这些对于大批量消费产品来说有点贵。

2 另外,考虑一个来自毛边棕色血统的老式仪器双极运算放大器(现在是 Texas Instruments。)。在两个输入端使用相同的阻抗来消除偏置电流,并确保输入阻抗足够低,以使偏移电流无关紧要。类似于 opa237 的东西。

  1. 尝试不同的自动归零放大器,也许是带有扩频时钟的放大器。再次,查看模拟设备部件。

祝你好运