¿Cuál es el efecto de la asimetría de la tensión de alimentación en las topologías de amplificadores operacionales?

Las respuestas anteriores son insatisfactorias en algunos aspectos. Andy tiene una suposición y cálculo incorrectos, mientras que el "marcador de posición" esencialmente le dice que no se puede decir nada concreto ... que no es el caso.

El error de Andy es suponer que en el ejemplo numérico, el PSRR debe considerarse a 1 kHz, pero en realidad debe considerarse a CC dada la siguiente declaración del problema (estoy citando en caso de que cambie sin previo aviso [nuevamente]):

Supongamos que estoy diseñando un amplificador no inversor con R1=100kO y R2=1kO. Los voltajes de suministro son; V+=+5,0 V y V-=-4,5 V. Y mi opamp es MCP6V31. ¿Cuál será el voltaje de salida, si mi voltaje de entrada es un voltaje sinusoidal de 1kHz, 10mV de pico a pico?

Entonces, a partir del gráfico, esperaríamos alrededor de -90 dB PSRR a 0 Hz (CC), lo que se traduciría en una compensación de aproximadamente 3 mV CC en la salida. Para la señal de entrada indicada, apenas se notará porque la salida tendrá un componente de CA de 1Vp-p. Sin embargo, si reduce la señal de entrada a 10 microvoltios pp, la compensación de CC en la salida causada por el desequilibrio del riel ciertamente será notable. Prueba por LTspice.

La pregunta como se hizo:

Ahora bajando la señal de entrada a diez microvoltios pp.

Ahora hay una compensación de CC visible en la salida. Solo para convencerlo de que se debe principalmente al desequilibrio de la fuente de alimentación, a continuación se muestra lo que sucede si usa rieles perfectamente balanceados en la misma señal de entrada de 10 microvoltios.

Aquí también hay algo de compensación causado por otras características no ideales del amplificador operacional (voltaje de compensación de entrada, corrientes de polarización de entrada), pero es mucho menor que el causado por el desequilibrio del riel de alimentación.

Obviamente, también puede recortar antes en el riel negativo si eso se desplaza hacia arriba de manera más significativa (dada una señal de entrada lo suficientemente grande). No estoy agregando un gráfico para eso, ya que es bastante obvio.

Si los rieles de alimentación se mueven hacia arriba y hacia abajo, puede ver cómo esto afecta al amplificador mirando el gráfico de la relación de rechazo de la fuente de alimentación (PSRR): -

Tomé esta imagen de la hoja de datos y para una señal de 1kHz superpuesta en el riel de alimentación (positiva o negativa) hay 45dB de rechazo. Esto significa que si 1Vp-p 1kHz está en un riel de alimentación, hay un voltaje equivalente en la entrada de: -

$V_{INPUT} = 10^{(\frac{-45}{20})} = 5.62mV_{P-P}$

Si su ganancia es la unidad, verá este voltaje en la salida. Si su ganancia es 10, verá diez veces este voltaje.

EDITAR Estrictamente hablando, debe usar la ganancia no inversora para determinar el ruido de la fuente de alimentación que se ve en la salida de un amplificador operacional. Esto significa que para una configuración de amplificador operacional inversor con una ganancia de solo 0,01, el ruido de la fuente de alimentación en la salida se multiplica por 1,01 y no por 0,01. Un voltaje de entrada de 1Vp-p 1kHz alimentado a través de un amplificador inversor con una ganancia de 0.01 producirá una salida de 10mVp-p y si el PSRR a 1kHz es 45dB y hay 1kHz 1Vp-p en cualquiera de los rieles de alimentación, todavía habrá prácticamente 5.62mVp-p de ruido en la salida y esto estropeará la señal.

PSRR en wikipedia

Las asimetrías de los rieles son difíciles de determinar sin conocer la topología interna del amplificador operacional. Mucha gente piensa que un amplificador operacional es un amplificador operacional, pero en realidad hay muchas implementaciones, tecnologías y compensaciones diferentes.

No obtendrá respuestas definitivas (a menos que el diseñador esté al acecho aquí), pero en general la asimetría se manifiesta de dos maneras. La primera es la excursión de la señal, con el riel cambiado, el rango de operación también cambia, si tiene un amplificador operacional de riel a riel y mueve el riel, entonces la señal también se moverá.

El segundo problema se manifiesta en los productos de distorsión, a menudo el circuito interno tiene una funcionalidad complementaria, uno referenciado al riel superior y el otro al riel inferior y ambos con puntos de operación ligeramente diferentes, ya que la señal se mueve a través de diferentes regímenes de operación del amplificador operacional, aparecen diferentes efectos y se manifiestan principalmente como productos de distorsión (o diferencias de velocidad de giro).

Para comprender completamente esto, necesitaría estudiar el amplificador operacional mucho más de lo que realmente necesita.

La mayoría de las restricciones están integradas en la hoja de datos. Si sabe lo que está haciendo, puede obtener sugerencias sobre la topología interna a partir de eso.