Que font les rails en mouvement (décalage de tension sur les rails) sur un ampli-op?

Depuis que j'ai passé une bonne partie de ma carrière à essayer d'obtenir des rails d'opamp aussi stables que possible à leur tension prévue, je n'ai pas vraiment réfléchi à ce qui se passerait si les rails s'éloignaient d'une valeur fixe. Comme je n'ai étudié que brièvement le fonctionnement interne des amplis op, je ne suis pas sûr de pouvoir trouver une réponse définitive.

Alors, qu'arrive-t-il au signal si les rails bougent? (disons simplement qu'il se déplace lentement, comme moins de 5 Hz, peut-être un décalage de 1 V de temps en temps). Est-ce plus que juste un écrêtage à différents niveaux?

En théorie, l'OpAmp devrait bien fonctionner, quelle que soit l'offre.

Alors que nous quittons le modèle théorique d'un OpAmp (rappelez-vous qu'il n'y a même pas de broches d'alimentation sur le symbole de base, juste IN +, IN- et OUT), nous devons considérer de plus en plus de détails apportés par le circuit réel.

Beaucoup seront évidemment évidents pour vous, mais croyez-moi - nous finirons par arriver à une réponse.

Tout d'abord, la sortie ne peut jamais dépasser la tension fournie à l'ampli.

Ensuite, les performances s'aggravent lorsque la sortie tente de pousser ou de tirer la tension près des rails. Bien entendu, cela dépendra fortement de la conception de l'OpAmp - et les amplis Rail-to-Rail promettent de vous fournir toute la tension disponible à la sortie.

Tant que nous examinons un OpAmp alimenté en CC, tout signal bien conforme aux spécifications de l'oscillation de sortie maximale fonctionnera, et vous pouvez fournir à l'OpAmp toutes les tensions positives et négatives autorisées par la fiche technique (les unes par rapport aux autres et à la terre, mais notez que l'OpAmp n'a aucun moyen de savoir où se trouve la terre; fournir +3 V et -7 V ne pose aucun problème - et votre ampli essaiera de continuer à fonctionner dans cette plage de 10 V).

Les sources de courant internes, les étages différentiels et les pilotes de sortie sont conçus de telle sorte que l'OpAmp annule toutes les variations sur les rails d'alimentation aussi rapidement que possible.

Ce n'est que si les variations sur les rails d'alimentation changent assez rapidement que vous commencerez à remarquer un effet. Habituellement, cela se situe entre quelque 100 Hz et 10 kHz.

Et la meilleure partie: c'est spécifié dans la fiche technique; recherchez PSRR (Power Supply Rejection Ratio).

La valeur est généralement très élevée pour les fréquences continues à basses fréquences (60 ... 120 dB) et commence à se dégrader avec ce qui ressemble à une simple caractéristique passe-bas au-dessus d'un certain point. Notez que nous parlons de rejet , donc c'est en fait un passe-haut même si la pente descend sur le diagramme:

Notez que le texte dans l'image dit: ± 15 V - alors que fait-on réellement aux broches d'alimentation de l'OpAmp?

Comme pour toute bonne spécification de fiche technique, il existe également un circuit de test qui vous indique comment il est mesuré:

Cela explique également pourquoi il y a deux lignes dans le diagramme (-PSR et + PSR). Les sources de courant internes de l'OpAmp, par exemple, alimentent parfois leurs charges de l'alimentation positive, parfois dans l'alimentation négative, et la conception interne n'est pas absolument symétrique.

Prenons l'exemple du bon vieux 741:

Seul l'étage de sortie à droite est symétrique, tout le reste ne l'est pas. Les pièces plus avancées continueront à suivre ce principe de base dans une certaine mesure.

En résumé: pour les fréquences DC et basses, regardez les spécifications DC (rail à rail avec quelles limitations de gain et de distorsion?). Pour les fréquences plus élevées, regardez le PSRR. Si vous appliquez une étape à la volatilité de l'offre, vous avez un mélange, car une étape est composée d'une partie à haute fréquence en plus du saut évident d'un niveau DC à un autre niveau DC, entraînant une perturbation à la sortie causée par quelque chose de plus élevé -fréquence partie de l'étape qui ne peut pas être rejetée par l'OpAmp.

Ce que je n'ai pas couvert ici peut être répondu dans le tutoriel d' Analog Devices MT-043 . C'est aussi de là que j'ai pris les images (sauf pour le circuit 741).

Oui, il y a des effets AC. La fiche technique de l'ampli opérationnel doit spécifier un rapport de rejet d'alimentation qui vous donne l'effet maximum qu'un changement d'alimentation aura sur la sortie. C'est un chiffre assez élevé - même l'ancien 741 a un chiffre typique dans la plage de 90 dB - mais il peut être significatif si le changement de sortie produit ensuite de nouveaux changements dans la tension d'alimentation et crée ainsi une boucle de rétroaction qui pourrait conduire à des oscillations.

Évidemment, comme vous vous en rendez compte, cela s'ajoute à tous les effets directs tels que le recours au fonctionnement rail-à-rail des entrées et des sorties.

Il y a une réponse acceptée, mais je voulais mentionner un exemple spécifique: les amplis de puissance audio.

Ceux-ci sont généralement alimentés par des rails non réglementés. Attendez-vous à une ondulation de plusieurs volts à une fréquence secteur CA redressée, souvent plus en fonction des demandes de courant. Lorsque les diodes de redressement ne sont pas conductrices, ce qui est la plupart du temps, la tension d'alimentation diminue en fonction du courant de sortie divisé par la valeur du grand condensateur d'alimentation.

De plus, la tension du rail variera en fonction de l'amplitude du signal. Lors de l'écoute, les parties les plus fortes consomment plus de courant, abaissant la tension du rail. Les pièces silencieuses ne le seront pas. Ainsi, la tension du rail oscille dans la région 0,1-2 Hz en plus de la fréquence secteur redressée.

Ces amplis sont généralement implémentés comme des opamps discrets, ce qui permet plusieurs astuces pour augmenter le PSRR. Un ampli op discret a une borne GND, de sorte que les nœuds internes les plus sensibles à l'alimentation peuvent être contournés à la terre au moyen d'un condensateur bon marché. Le condensateur de compensation est une source majeure de mauvais PSRR dans les amplificateurs opérationnels, car il doit être référencé à l'une des alimentations. Dans un opamp discret, cela peut être atténué.

Le résultat est que vous pouvez obtenir une énorme ondulation sur les rails sans aucun problème. En fait, les amplis de puissance à rails régulés sont très exotiques, rencontrés uniquement dans les équipements audiophiles mégabuck, et de manière réaliste, un gaspillage d'argent.

Voici donc un exemple concret;)

qu'arrive-t-il au signal si les rails bougent? (disons simplement qu'il se déplace lentement, comme moins de 5 Hz, peut-être un décalage de 1 V de temps en temps). Est-ce plus que juste un écrêtage à différents niveaux?

LF PSRR est énorme, donc rien ne se passe.

Les amplificateurs opérationnels ont un PSRR HF faible, et n'aiment donc pas le mauvais découplage qui crée une sonnerie HF sur les alimentations, ou d'autres sources de bruit HF comme les régulateurs de commutation mal filtrés. La variation de la tension d'alimentation LF ne devrait pas avoir d'importance du tout. Peut-être que la tension de décalage pourrait dériver à cause des effets thermiques, mais cela devrait être minuscule.