Identificación de la fuente del artefacto periódico en la salida del amplificador operacional

Mi amplificador operacional dual MAX44251 tiene un pequeño artefacto periódico no deseado de 131KHz en la salida, aparentemente independientemente de cómo esté configurado.

Supuse que era EMI, pero no puedo ver esta señal de 131KHz en ninguna otra parte del circuito. También probé esto en varios edificios, con múltiples sondas, con todos los demás dispositivos electrónicos apagados y rodeados de blindaje de aluminio.

¿Qué debo intentar para eliminarlo? Al menos me gustaría lograr un seguidor de voltaje con ruido por debajo de 1 mV.

En este momento está configurado de manera muy simple:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Las tapas de derivación están en la capa inferior del plano de tierra. Las vías están soldadas a mano.

He observado el efecto a través de la sonda pasiva Agilent 10X (es difícil de ver) y a través de una sonda como la siguiente, con la que puedo hacer zoom hasta 2mv / div. Originalmente, se observó porque la salida se alimenta a un comparador, y la salida del comparador indicó que la amplitud de la señal de entrada era> los 2 mV deseados.

La forma de onda es periódica pero extraña. Aquí hay algunas fotos desde diferentes ángulos:

200 ns detenido

50 ns de funcionamiento libre

20 ns funcionamiento libre

10 ns detenido

Realmente no puedo decir si esto es realmente un síntoma de lo que se describe en la hoja de datos:

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

¿Qué debo intentar para eliminarlo? Al menos me gustaría lograr un seguidor de voltaje con ruido por debajo de 1 mV.

Si solo necesita un seguidor de voltaje de bajo ancho de banda: use un filtro de paso bajo.

Si necesita una señal de hasta 65 kHz y superior: una muesca RLC (parada de banda) probablemente funcionaría mejor; un diseño rápido y lento ejecutado en mi herramienta de diseño de filtro pasivo favorito produjo R = 0.16Ω, L = 1µH, C = 1.5µF como posible configuración.

Tenga en cuenta que podría intentar usar el circuito inverso (paso de banda RLC; intercambie el (L - C) con el R) en la rama de retroalimentación de su seguidor de voltaje.

Tenga en cuenta que este es un amplificador autocero (también llamado chopper estabilizado): muchos opamps de desplazamiento muy bajo funcionan muestreando periódicamente el desplazamiento de entrada e inyectando un desplazamiento de compensación para contrarrestar la deriva en el extremo frontal. Para hacer esto, hay un oscilador en el opamp junto con un conjunto de interruptores analógicos en la entrada. Esto puede dar como resultado una alimentación de reloj a la salida, así como una inyección de carga en los pines de entrada.

Presumiblemente, este dispositivo usa 131kHz como frecuencia de conmutación.

No puedo encontrar ninguna información detallada sobre la parte Maxim, pero aquí hay información para una parte de Analog Devices que probablemente sea similar:

Dispositivos analógicos Cero deriva deriva

Si realmente necesita el desplazamiento y la deriva bajos, entonces son el mejor tipo de dispositivos para usar; es posible que deba limitar su ancho de banda y filtrar el reloj.

El ancho de banda de la puesta a cero automática es suficiente para abarcar el ruido 1 / f en opamps CMOS, por lo que pueden ser muy bajos para frecuencias inferiores a 1 kHz, una región donde los opamps CMOS tienden a tener problemas.

Si no puede filtrar el ruido del reloj, vea si puede usar una pieza convencional: a menudo tendrán un peor rendimiento de deriva y compensación, pero puede obtenerlos mejor que la compensación de 100uV. También es posible que deba compensar la corriente de polarización de entrada porque los amplificadores de entrada bipolares generalmente son mejores que CMOS para este parámetro. Los bipolares suelen ser también de menor ruido.

Un problema relacionado que he tenido con una parte similar de Linear Technology (LTC2051) es que la circuitería de autocero puede tardar mucho tiempo en recuperarse de una sobrecarga cuando la salida se satura, muchos milisegundos para una parte con GBW de muchos MHz. Esto los hace inadecuados para cualquier aplicación que se sature como parte normal de su funcionamiento, como osciladores o detectores de umbral.

Estoy de acuerdo con Marcus, el ~ 130 kHz sería el segundo armónico de la frecuencia de conmutación Chopper ~ 65 kHz.

Un 'Ancho de banda de bucle cerrado' reducido de su amplificador operacional podría dar como resultado que el segundo armónico (~ 130 kHz) tenga una magnitud mayor que el primer armónico (~ 65 kHz), para resolver esto, como mencionó Marcus, una solución podría ser agregar un filtro pasivo para filtrar ese ruido.

Hay un artículo de Art Kay , " 1 / f Noise and Zero-Drift Amplifiers ", que habla sobre el ruido en los amplificadores operacionales Zero-Drift.

Si desea obtener más información sobre el ruido del amplificador operacional, consulte los Laboratorios de precisión de TI para ruido .

No tengo una respuesta, pero puedo decirte, como inspiración, cómo podría depurar esto.

Primero, trataría de soldar una tapa de derivación directamente al chip. Una parte 0603, 100nF, y use una trenza para conectarse al otro pin (para baja inductancia). Las tapas de derivación están detrás de vías de inductancia relativamente altas, y esto puede hacer que sean ineficaces para los picos. Los picos están a 131 kHz, pero el contenido de frecuencia es mucho mayor, por lo que un buen bypass es muy importante.

Esto probablemente fallaría :-).

Luego reemplazaría el amplificador: 1. Analog Devices produce algunos amplificadores con compensación de muy bajo desplazamiento. El desplazamiento no es tan bajo como en un amplificador de cero automático, pero échale un vistazo. Esos son un poco más caros, así que verifique su presupuesto y los requisitos de compensación. Mire AD8615 y similares. Lo único es que se vuelven un poco caros para productos de consumo de gran volumen.

2 Además, considere un buen amplificador operacional bipolar instrumental de linaje marrón burr (ahora Texas Instruments). Use la misma impedancia en ambas entradas para deshacerse de la corriente de polarización y asegúrese de que la impedancia de entrada sea lo suficientemente baja como para que la corriente de compensación no importe. Algo similar a opa237.

3. Pruebe con un amplificador de cero automático diferente, tal vez uno con reloj de espectro extendido. Nuevamente, mire las partes de los dispositivos analógicos.

Buena suerte