OpAmp: ¿Es mejor atenuar activamente o impulsar el rango completo en un divisor?

Quiero obtener una señal diferencial de +-15 V (60 Vp-p) en un ADC que tenga un solo suministro de 3,3 V. Cuando le pedí a un amigo que lo corrigiera, estaba preocupado por el rendimiento de ruido de R5-R6 en comparación con el uso de R1-R4 para hacer que la salida de U2A tuviera el nivel deseado para empezar:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

(la protección de entrada no se muestra para mayor claridad)

Tengo entendido que el nivel de ruido de un opamp no depende del nivel de la señal, por lo tanto, una señal más caliente es mejor. Así que solo atenué U2A lo suficiente para que coincida con el rango de entrada completo y dejé el resto en R5-R6.

(Otro beneficio es que si algo sale mal y U2A se convierte en un comparador, entonces la entrada del ADC todavía está dentro de los límites. Probablemente no sea probable, pero sí posible).

Mi amigo cree que en realidad tendría menos ruido al poner toda la atenuación en R1-R4, eliminar R5-R6 y conducir C1 directamente. ¿Es esto cierto?

No puede usar un LM833 con una entrada de 60V. Echa un vistazo a la hoja de datos.
@Scott: Son 60 V de pico a pico. +in=+15v y -in=-15v da 30v entre entradas. Hazlo al revés y obtendrás -30v. La diferencia entre los dos extremos es 60v, por lo tanto 60Vp-p.
¿Es el ruido de Johnson de su divisor la fuente de ruido dominante en el circuito? (Creo que el ruido de un divisor, impulsado por una fuente de voltaje silenciosa es el combo paralelo de las R) Si no, lo más probable es que pueda olvidarlo ... de lo contrario, reduzca los valores R5,6. (¿De qué se tratan los 6k en la entrada ADC?) Y no entiendo su respuesta a la pregunta de 60 Vp-p.
@GeorgeHerold: Los 6k provienen de la hoja de datos de ADC; es una especificación mínima sin máximo. Mi respuesta a la pregunta de 60Vp-p fue solo para aclarar cómo lo obtuve. No estoy seguro de cómo calcular el ruido de Johnson (térmico), pero esa era la preocupación en comparación con el ruido de entrada equivalente de 4,5 nV/rtHz del opamp y el rango dinámico de 103 dB del ADC de 24 bits.

Respuestas (2)

Supongo que 6K está destinado a representar la impedancia de entrada del ADC, por lo que no contribuye al ruido.

La combinación R5/R6 aporta 2,0 nV/raíz cuadrada (Hz) en la entrada del ADC. La salida del amplificador operacional tiene un ruido de aproximadamente 18 nV/sqrt (Hz) (principalmente debido al ruido de Johnson en las resistencias), por lo que aproximadamente 1,9 nV/sqrt (Hz) en la salida del divisor, o un total de 2,8 nV/sqrt (Hz) en la entrada ADC. En otras palabras, las dos contribuciones son similares (divisor y amplificador).

Le animo a que haga un análisis de ruido completo y mire las diversas contribuciones individualmente. Como se suman en cuadratura, las magnitudes de los valores al cuadrado son importantes. Este documento de Analog Devices le brinda la información que necesita.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Puede que haya cometido un error, pero cuando hago el análisis con un atenuador hecho con resistencias de 10K/546,5 ohm en lugar de 10K/5K y sin divisor (la ganancia es de 0,0546 en ambos casos), obtengo un ruido para su circuito de 51nV/ sqrt(Hz) se refiere a la entrada del diferencial frente a 119 nV/sqrt(Hz) para el circuito sin divisor, que corresponde a 2,8 nV/sqrt(Hz) frente a 6,49 nV/sqrt(Hz) en la entrada del ADC.

Todo esto se refiere a la región por encima de las esquinas de ruido de voltaje y corriente, por supuesto, lo que debería ser válido para la mayor parte del espectro de audio (pero nunca parece serlo para las cosas que hago).

Gracias por la referencia. Probablemente lo haré varias veces antes de terminar con este proyecto. Si sus cálculos son correctos, parece que el opamp caliente en un divisor es mejor en este caso, pero ambos están muy por debajo del nivel de ruido del ADC de todos modos. Mientras no haga algo estúpido con el diseño o la fuente de alimentación, debería estar bien. ¿Bien?
Sí, el diseño y la fuente de alimentación (y el ruido de referencia) son probablemente mucho más preocupantes dado el rango dinámico de su ADC. Hay ADC de 24 bits donde sería notable.
Por lo que puedo decir, el 6k está en serie con la señal ... (¿como protección de entrada?) Y eso domina el ruido. Pero buen enlace. El libro opamp de S. Franco es bueno para el análisis de ruido.

¿Por qué diablos estás preocupado por el ruido de Johnson?

Considere que el LM833 tiene un ancho de banda de potencia inferior a 1 MHz. Suponiendo que su ADC tiene una entrada de 3 V y una resolución de 16 bits, 1 lsb es ~46 µV. Una resistencia de 1 kΩ con un ancho de banda de 1 MHz tiene un voltaje de ruido de Johnson de ~4 µV y escalas de ruido como la raíz cuadrada de la resistencia. Se necesitaría una resistencia de 529 kΩ para generar 1 lsb de ruido.

No dice cuál es la impedancia de entrada deseada. Digamos que es 1 MΩ. Podría usar una red divisoria de 475kΩ/50kΩ/475kΩ para reducir su entrada a 3 Vp-p, seguido de un receptor diferencial de ganancia unitaria simple, y aún así tener ⅓ lsb de ruido. Y, por supuesto, cualquier valor más bajo de la resistencia de entrada provocará directamente una disminución del ruido de la resistencia.

Realmente no veo el problema.

Parte del problema es que es un ADC de 24 bits con 103dB de rango dinámico. Con un rango de entrada del 70 % del suministro a 3,3 V (todo esto proviene de la hoja de datos), puede medir ~16 uV con cierta apariencia de precisión. ~ 4uV es ~ 12dB por debajo de allí, por lo que probablemente no se note por sí solo.
@AaronD - Entonces, ¿cuál es su frecuencia de muestreo?
Variable entre 44kHz y 96kHz.
@AaronD - OK, entonces 96 kHz dice un ancho de banda analógico máximo de 200 kHz (o tal vez un poco más si no quiere invertir mucho en el filtro de entrada. 1kohn a 200 kHz es 1.8 uV rms. Eso es solo sobre el ruido de entrada (4 nV / Root Hz) del LM833, por lo que cualquier atenuador de entrada con una resistencia total inferior a 20 kohm producirá menos ruido que los amplificadores operacionales.
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