Напряжение смещения операционного усилителя: Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи

Содержание

Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи

16 июля 2018

Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях.

Мы публикуем перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно — дважды в месяц.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

Всякий, изучавший электронику, знаком с понятием напряжения смещения. Напряжение смещения операционного усилителя равно выходному напряжению в схеме с единичным усилением G = 1 (рисунок 9а).

При выполнении моделирования для учета влияния напряжения смещения может быть использован дополнительный источник постоянного напряжения, подключенный ко входу усилителя. В схеме с единичным усилением G = 1 это смещение передается напрямую на выход. В схеме с высоким коэффициентом усиления на рисунке 9б выходное напряжение составляет 1000 Vos. Так ли это? Почти, но не совсем. Понимание этого «не совсем» поможет разобраться с частыми ошибками в схемах с ОУ.

Рис. 9. Выходное напряжение смещения при G = 1 В/В (a) и G = 1000 В/В (б)

В первой схеме выходное напряжение было очень близким к средней точке (здесь подразумевается биполярное питание). Это – выходное напряжение, при котором компания Texas Instruments определяет и проверяет напряжение смещения. Но во второй схеме при входном смещении в несколько милливольт на выходе может быть напряжение в несколько вольт. А чтобы получить полный размах выходного напряжения, потребуется совсем небольшое дифференциальное напряжение на входе ОУ, соответствующее заданному коэффициенту усиления.

(100 дБ/20) = 10 мкВ/В. Таким образом, чтобы сместить выход на 1 В относительно средней точки, требуется приложить ко входу напряжение 10 мкВ. Теперь представьте эту ситуацию так, как будто напряжение смещения изменяется при изменении выходного напряжения. Тогда изменению выходного напряжения на 9 В будет соответствовать изменение в 90 мкВ на входе. Попробуйте определить самостоятельно, много это, для вашей схемы или нет?

Таким образом мы рассматриваем коэффициент усиления в разомкнутом контуре как изменение напряжения смещения при изменении выходного напряжения. Этот подход позволяет интуитивно оценить величину ошибки. Характер этой ошибки может также иметь значение. Чтобы измерять напряжение смещения и усиление с разомкнутым контуром, следует использовать схему двухкаскадного усилителя. С ее помощью можно контролировать выходное напряжение и измерять напряжение смещения. Если постепенно изменять выходное напряжение в пределах всего выходного диапазона, то изменение напряжения смещения обычно выглядит примерно так, как показано на рисунке 10.

Рис. 10. Напряжение смещения как функция от выходного напряжения

Обратите внимание, что наибольшая скорость изменения напряжения смещения наблюдается вблизи положительной и отрицательной границ диапазона. Усилителю приходится «напрячься», чтобы обеспечить максимальное выходное напряжение. Рост коэффициента усиления с разомкнутой обратной связью выше в середине диапазона и падает, когда напряжение на выходе приближается к крайним точкам. При разработке схем необходимо учитывать эту особенность. Вблизи граничных значений выходного напряжения происходит более резкое увеличение напряжения смещения.

Производители операционных усилителей по-разному определяют коэффициент усиления с разомкнутой обратной связью (AOL). Для своих прецизионных ОУ компания TI использует усреднение значений коэффициента усиления в широком диапазоне выходных напряжений для получения хорошей линейной зависимости (красная линия на рисунке 10). Пример отражения этих характеристик в документации – в таблице 2.

Таблица 2. Значение коэффициента усиления с разомкнутым контуром для нагрузки различного типа

Коэффициент усиления с разомкнутой обратной связью Условие тестирования Мин. Тип. Макс. Единицы измерения
Коэффициент усиления с разомкнутой обратной связью AOL (V-) + 0,5 В < V0 < (V+) – 0,5 В*, R
L
= 10 кОм**
100 120 дБ
(V-) + 0,5 В < V0 < (V+) – 0,5 В*, RL =2 кОм** 90 116 дБ
* – минимальное значение AOL гарантируется при размахе выходного напряжения от (V-) +0,5 В до (V+) -0,5 В
** – значение AOL приведено для двух значений нагрузки. При нагрузке 10 КОм коэффициент усиления выше

Когда усилитель работает с перегрузкой (при приложении большого напряжения смещения), выходное напряжение будет приближаться к граничным значениям. Иногда выходное напряжение будет превышать значения из диапазона, указанного в таблице 2. Например, в таблице 3 приведено значение выходного напряжения с перегруженным входом. Разработчики компании TI называют эту характеристику «характеристикой выталкивания». Такое название подчеркивает, что вход перегружен, а напряжение на выходе пытается максимально близко «протолкнуться» к граничным значениям. Оба типа спецификаций полезны в зависимости от требований конкретного приложения. В данном случае важно правильно интерпретировать приведенные параметры.

Таблица 3. Пример величины выходного напряжения при перегруженном входе

Выход Условие тестирования Мин. Тип. Макс. Единицы измерения
Отклонение выходного напряжения от уровня напряжения питания RL = 10 кОм 0,2 0,15 В
RL = 2 кОм 0,3 0,2 В

Оригинал статьи

Список ранее опубликованных глав

  1. Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ.
    Устраняем путаницу
  2. Что нужно знать о входах rail-to-rail
  3. Работа с напряжениями близкими к земле: случай однополярного питания

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

случай однополярного питания. Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи

На сайте нашего партнера компании Компэл опубликованы главы руководства Брюса Трампа, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ). Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях. Представляем вашему вниманию главы №3 и 4 из него.

Посмотреть предыдущие главы

Работа с напряжениями, близкими к земле: случай однополярного питания

Какое максимально близкое к нулю выходное напряжение могут обеспечить усилители с выходами rail-to-rail? В данном случае я говорю о КМОП-усилителях (CMOS op amp), которые часто используют в низковольтных схемах, когда требуется добиться максимального размаха выходного напряжения. Компания Texas Instruments обычно приводит характеристики для таких устройств в виде, показанном в таблице 1.

Таблица 1. Выходные характеристики усилителей типа Выходные характеристики усилителей типа rail-to-rail

Параметр Условия измерения Минимальное Типовое Максимальное Единицы измерения
Отличие выходного напряжения от значений напряжений питания RL = 10 кОм
15 25 мВ
RL = 2 кОм 35 50 мВ

Таблица 1 показывает, что потенциал на выходе всегда отличается от потенциала земли не менее чем на 15 мВ, и эта величина может оказаться критичной при проведении точных измерений относительно земли. Однако следует четко понимать, что означают условия, для которых приведены эти характеристики. Например, в данном случае подразумевается, что нагрузка подключена к средней точке схемы (между выводами питания).

Перед таблицей с параметрами вы часто можете найти условия проведения измерений, например, нагрузка RL была подключена к VS/2.

При таких условиях усилитель должен обеспечивать втекание тока, поступающего через нагрузочный резистор, в то время как потенциал на выходе приближается к земле. Такой способ проверки гарантирует, что через выход усилителя ток может протекать в обоих направлениях. Это разумный и консервативный способ проверить усилитель. Но что если нагрузка подключена по-другому? Предположим, в вашем случае нагрузка подключена к земле, как это показано на рисунке 6. Нагрузочный резистор на самом деле помогает подтянуть выход к земле, а усилителю не обязательно обеспечивать втекание тока.


Рис. 6. Пример подключения нагрузки операционного усилителя к земле

При таких условиях большинство КМОП ОУ может обеспечить на выходе потенциал, максимально близкий к нулю – на уровне одного-двух милливольт. В документации подобная возможность не освещается, однако на это есть намек на рисунке 7, на котором размах выходного напряжения представляется как зависимость от величины выходного тока. Этот график может быть более наглядным при более высоком разрешении, однако даже без него видно, что величина выходного напряжения приближается к указанному значению напряжений питания ± 2,75 В. При работе с однополярным питанием потенциал на выводе V- равен 0 В.

Рис. 7. Величина размаха выходного напряжения как функция выходного тока

Теперь необходимо сделать несколько замечаний. Обратите внимание, что на рисунке 8 цепь обратной связи подключена к земле. Поэтому необходимо учитывать не только RL, но и все остальные элементы, нагружающие выход усилителя. В нашем случае суммарное сопротивление R1 + R2 является дополнительной нагрузкой, включенной параллельно с RL. Однако если резистор R1 будет подключен к напряжению питания, то выход усилителя должен обеспечивать втекание тока от резистивной цепочки обратной связи при потенциале на выходе, приближающемся к 0 В. Очевидно, что при этом выход будет уже чуть более отличаться от уровня земли.

Рис. 8. Схема включения однополярного ОУ с цепью обратной связи, подключенной к земле

Если предположить, что в той же самой схеме коэффициент усиления достаточно высок, то входное напряжение смещения (Offset Voltage) может привести к появлению дополнительного смещения на выходе. Например, если G = 20 и входное смещение составляет 1 мВ, то при нулевом входном напряжении на выходе будет наблюдаться 20 мВ. В данном случае причиной этого является не ограничение размаха выходного напряжения, а наличие входного напряжения смещения. Конечно, небольшое отрицательное напряжение на входе способно вернуть выходное напряжение к уровню 0 В, однако ваша схема может и не иметь отрицательного напряжения.

Сигналы переменного тока при работе с реактивной нагрузкой могут быть исключением. Нагрузочный ток и выходное напряжение при реактивной нагрузке смещены по фазе, вследствие чего усилитель может обеспечивать втекание тока при нулевых выходных напряжениях.

В отличие от КМОП-усилителей, усилители, выполненные по биполярной технологии, не могут обеспечить потенциал на выходе, близкий к уровню земли.

Низковольтные приложения с батарейным питанием представляют особую сложность. Кажется, что при их создании мы всегда боремся за возможность получения максимального размаха выходного напряжения. Имея ясное представление о возможностях ОУ, вы всегда сможете решить вопросы с дополнительным смещением выходного сигнала вблизи уровня земли.

Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи — двоюродные братья

Всякий, изучавший электронику, знаком с понятием напряжения смещения. Напряжение смещения операционного усилителя равно выходному напряжению в схеме с единичным усилением G = 1 (рисунок 9а). При выполнении моделирования для учета влияния напряжения смещения может быть использован дополнительный источник постоянного напряжения, подключенный ко входу усилителя. В схеме с единичным усилением G = 1 это смещение передается напрямую на выход. (100 дБ/20) = 10 мкВ/В. Таким образом, чтобы сместить выход на 1 В относительно средней точки, требуется приложить ко входу напряжение 10 мкВ. Теперь представьте эту ситуацию так, как будто напряжение смещения изменяется при изменении выходного напряжения. Тогда изменению выходного напряжения на 9 В будет соответствовать изменение в 90 мкВ на входе. Попробуйте определить самостоятельно, много это, для вашей схемы или нет?

Таким образом мы рассматриваем коэффициент усиления в разомкнутом контуре как изменение напряжения смещения при изменении выходного напряжения. Этот подход позволяет интуитивно оценить величину ошибки. Характер этой ошибки может также иметь значение. Чтобы измерять напряжение смещения и усиление с разомкнутым контуром, следует использовать схему двухкаскадного усилителя. С ее помощью можно контролировать выходное напряжение и измерять напряжение смещения. Если постепенно изменять выходное напряжение в пределах всего выходного диапазона, то изменение напряжения смещения обычно выглядит примерно так, как показано на рисунке 10.

Рис. 10. Напряжение смещения как функция от выходного напряжения

Обратите внимание, что наибольшая скорость изменения напряжения смещения наблюдается вблизи положительной и отрицательной границ диапазона. Усилителю приходится «напрячься», чтобы обеспечить максимальное выходное напряжение. Рост коэффициента усиления с разомкнутой обратной связью выше в середине диапазона и падает, когда напряжение на выходе приближается к крайним точкам. При разработке схем необходимо учитывать эту особенность. Вблизи граничных значений выходного напряжения происходит более резкое увеличение напряжения смещения.

Производители операционных усилителей по-разному определяют коэффициент усиления с разомкнутой обратной связью (AOL). Для своих прецизионных ОУ компания TI использует усреднение значений коэффициента усиления в широком диапазоне выходных напряжений для получения хорошей линейной зависимости (красная линия на рисунке 10). Пример отражения этих характеристик в документации – в таблице 2.

Таблица 2. Значение коэффициента усиления с разомкнутым контуром для нагрузки различного типа

Коэффициент усиления с разомкнутой обратной связью Условие тестирования Мин. Тип. Макс. Единицы измерения
Коэффициент усиления с разомкнутой обратной связью AOL (V-) + 0,5 В < V0 < (V+) – 0,5 В*, RL = 10 кОм** 100 120 дБ
(V-) + 0,5 В < V0 < (V+) – 0,5 В*, RL =2 кОм** 90 116 дБ
* – минимальное значение AOL гарантируется при размахе выходного напряжения от (V-) +0,5 В до (V+) -0,5 В
** – значение AOL приведено для двух значений нагрузки. При нагрузке 10 КОм коэффициент усиления выше

Когда усилитель работает с перегрузкой (при приложении большого напряжения смещения), выходное напряжение будет приближаться к граничным значениям. Иногда выходное напряжение будет превышать значения из диапазона, указанного в таблице 2. Например, в таблице 3 приведено значение выходного напряжения с перегруженным входом. Разработчики компании TI называют эту характеристику «характеристикой выталкивания». Такое название подчеркивает, что вход перегружен, а напряжение на выходе пытается максимально близко «протолкнуться» к граничным значениям. Оба типа спецификаций полезны в зависимости от требований конкретного приложения. В данном случае важно правильно интерпретировать приведенные параметры.

Таблица 3. Пример величины выходного напряжения при перегруженном входе

Выход Условие тестирования Мин. Тип. Макс. Единицы измерения
Отклонение выходного напряжения от уровня напряжения питания RL = 10 кОм 0,2 0,15 В
RL = 2 кОм 0,3 0,2 В

Предыдущие главы:

Источник: www.compel.ru

 

Расчет и измерение напряжения смещения операционного усилителя Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Трундов А.В.

РАСЧЕТ И ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ СМЕЩЕНИЯ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Существуют различные методы измерения параметров операционных усилителей (ОУ). Для выбора оптимального метода измерения необходим их анализ. Одним из способов анализа является расчет параметров ОУ, который может проводиться на основе полной линейной модели [1], представленной на рисунке 1.

Рис. 1. Линейная модель операционного усилителя

С помощью данной эквивалентной схемы ОУ можно рассчитать следующие параметры ОУ, входящие в макромодель Бойла [2]: напряжение смещения ОУ; максимальное выходное напряжение ОУ;

коэффициент ослабления синфазной составляющей входного напряжения ОУ;

входное сопротивление ОУ;

средний входной ток ОУ;

выходное сопротивление ОУ;

коэффициент усиления ОУ.

инвертирующей и

Для измерения параметров ОУ возможно построение двух видов схем неинвертирующей. СИНФ

вышают значение

я

соответствует напряжению смещения ОУ. Также прене-

-д -ОШ

брегаем напряжением сдвига ОУ, напряжением дрейфа и шумовыми напряжениями.

Одним из важнейших параметров ОУ является напряжение смещения. Данный параметр влияет на точность схем с использованием ОУ, работающих в режиме усиления малых напряжений постоянного тока. Расчет напряжения смещения для инвертирующего включения ОУ проводится в соответствии с эквивалентной электрической схемой, представленной на рисунке

3 .

Рис. 3. Эквивалентная электрическая схема и ее модель для инвертирующего включения ОУ.

Д

Таким образом, при расчете значения ТТ можно бу-

ТСМ

дет пренебречь напряжением б

Д

Из эквивалентной электрической схемы видно,

Тд Ед+Тсм ‘

(1)

где ЕД падение напряжения на входном резисторе ОУ, Исм — напряжение смещения ОУ, и

Д

напряжение на инвертирующем входе ОУ. Напряжение на выходе ОУ равно:

ивых=- к- ед ■

(2)

где К — коэффициент усиления напряжения ОУ без обратной связи. Также выходное напряжение можно рассчитать по формуле:

— и0

(3)

Из этих выражений видно, что минимальное напряжение е можно получить при нулевом

ЕД

входном напряжении и коэффициенте усиления схемы с обратной связью равном -1. В итоге получится схема инвертирующего усилителя с единичным коэффициентом усиления, показанная на рисунке 4.

Рис.4. Из (1)

Схема измерения напряжения смещения ОУ в инвертирующем включении

видно, что при стремлении

Б.

к нулю, напряжение на инвертирующем входе ОУ

равно напряжению смещения. должно быть не менее 50 кОм.

Измерение напряжения смещения лучше проводить на выходе ОУ, так как подключение измерительных приборов к суммирующей точке ОУ может привести к увеличению погрешности измерения из-за влияния емкости измерительного прибора на вход ОУ. Но в этом случае точность измерения напряжения смещения буд ет определяться точностью прецизионных резисторов. Зависимость погрешности измерения от точности резисторов является недостатком данной схемы.

При измерении напряжения смещения по приведенной выше схеме для одного из образцов ОУ КР5 4 4УД2А получилось, что напряжение на выходе ОУ составило 17 . 4 мВ, а напряжение н а инвертирующем входе ОУ, равное напряжению смещения, составило 8.8 мВ. При расчете напряжения смещения исходя из измеренного значения выходного напряжения получилось

и = 87 В — При построении схемы использовались резисторы с точностью 5%. /Г ~ ЕП

Д

К

К

Из (7) видно, что

ИСМ — К ЕД ■

(8)

Е

Д ‘

К

Из (9) можно сделать вывод, что разность напряжений между входами ОУ меньше значения напряжения смещения в число, соответс твующее коэффициенту усиления ОУ без обратной связи. Для отечественных ОУ минимальный коэффициент усиления составляет 5000, поэтому, можно сделать вывод, что напряжение Е оказывает очень малый вклад в выходное напряже-

Е Д

ние и его значением можно пренебречь практически без увеличения погрешности измерения.

В данной схеме, как и в предыдущей, не применяются схемотехнические меры по снижению погрешности измерения, обусловленной шумами и темпера турными сдвигами напряжения. Поэтому необходимо конструктивно обеспечить минимальный уровень шумов, наводок и уменьшить влияние температуры. Схема измерения напряжения смещения приведена на рисунке 6 .

или

Рис. 6. Схема измерения напряжения смещения ОУ в неинвертирующем включении

При измерении напряжения смещения данным способом для ОУ КР544УД2А (который использовался ранее) получилось значение 8.8 мВ, которое совпадает со значением напряжения смещения, измеренным в схеме инвертирующего усилителя с единичным коэффициентом усиления .

Схема измерения напряжения смещения, представленная на рисунке 6, не содержит резисторов и позволяет производить измерение напряжения непосредственно на выходе ОУ. Этим она выгодно отличается от схемы, представленной на рисунке 4.

ЛИТЕРАТУРА

1. Достал И. Операционные усилители: Пер. с англ. — М.: Мир, 1982. — 512 с., ил.

2. Алексенко А.Г., Зуев Б.И. Макромоделирование интегральных схем операционных усилителей: Зарубежная радиоэлектроника,1977.

Предупреждение частых ошибок при разработке схем с ОУ и ИУ

Отсутствует цепь для отвода тока смещения при связи по переменному току

Одна из наиболее распространенных ошибок при применении связи по переменному току в схемах с операционными или инструментальными усилителями — это отсутствие цепи постоянного тока для стекания тока смещения. На рис. 1 включение последовательно с неинвертирующим входом (+) ОУ конденсатора для связи по переменному току является простым способом не пропустить постоянную составляющую, имеющуюся во входном напряжении (VIN). Это особенно полезно для схем с большим усилением, где даже небольшое постоянное напряжение на входе может ограничить динамический диапазон или вызвать насыщение выхода. Однако емкостная связь на высокоомном входе приведет к неприятностям, если не обеспечить цепь постоянному току, текущему в неинвертирующий вход или из него.

Рис. 1. Неработоспособная схема на ОУ со связью по переменному току

В такой схеме входные токи смещения будут течь через разделительный конденсатор, заряжая его, пока синфазное напряжение на входе не достигнет максимально допустимого значения или пока выход не достигнет предельного напряжения. В зависимости от направления входного тока смещения конденсатор будет заряжаться или до положительного, или до отрицательного напряжения питания. Напряжение смещения усиливается коэффициентом усиления при замкнутой ОС по постоянному току.

Этот процесс может занять длительное время. Например, усилитель с полевыми транзисторами на входе с током смещения 1 пА с конденсатором развязки 0,1 мкФ будет заряжаться со скоростью I/C 10–12/10–7 = 10 мкВ/с или 600 мкВ в минуту. Если коэффициент усиления равен 100, выходное напряжение будет меняться на 0,06 В в минуту. Таким образом, испытания в лаборатории (с помощью осциллографа с входом по переменному току) могут не выявить эту проблему, и схема будет работоспособна в течение нескольких часов. Разумеется, очень важно не допустить подобной проблемы.

На рис. 2 показано решение этой весьма распространенной задачи. Для обеспечения цепи протекания тока смещения здесь вход ОУ соединен с «землей» с помощью резистора. Для минимизации входных напряжений смещения, вызванных токами смещения, которые отслеживают друг друга в биполярных ОУ, сопротивление резистора R1 выбирают равным сопротивлению параллельно включенных R2 и R3.

Рис. 2. Правильный подход к обеспечению связи по переменному току входа ОУ при работе с двухполярным питанием

Однако отметим, что данный резистор будет всегда привносить в схему некоторый шум, так что должен быть компромисс между входным импедансом схемы, требуемой емкостью входного развязывающего конденсатора, и тепловым шумом, добавляемым резистором. Типичные значения сопротивления резистора лежат в диапазоне от 100 кОм до 1 МОм.

Аналогичная проблема может иметь место и в схеме с инструментальным усилителем. На рис. 3 показана схема с ИУ с двумя разделительными конденсаторами, не обеспечивающая цепь для протекания входного тока смещения. Эта проблема обычна для инструментальных усилителей, работающих как в схеме с двухполярным питанием (рис. 3a), так и в схеме с одним источником питания (рис. 3б).

Рис. 3. Примеры неработоспособных схем со связью по переменному току на ИУ:
а) двухполярный источник питания;
б) однополярный источник питания

Подобная проблема может возникнуть и при трансформаторной связи, как на рис. 4, если нет цепи для постоянного тока на «землю» на стороне вторичной обмотки трансформатора.

Рис. 4. Неработоспособная схема с трансформаторной связью на ИУ

Простые решения этих проблем показаны на рис. 5 и 6. Здесь между каждым входом и «землей» добавлены высокоомные резисторы RA и RB. Это простое и практичное решение для схем на ИУ с двухполярным питанием.

Рис. 5. Высокоомный резистор между каждым входом и общим проводом необходим для пути возврата тока смещения на «землю»:
a) двухполярное питание;
б) однополярное питание

 

Рис. 6. Правильный способ трансформаторной связи со входами ИУ

Эти резисторы обеспечивают путь для стекания входного тока смещения на «землю». В схеме с двухполярным источником питания (рис. 5a) теперь оба входа связаны по постоянному току с «землей». В схеме с однополярным питанием на рис. 5б оба входа соединены или с «землей» (при VCM, подключенной к «земле»), или с напряжением смещения, обычно равным половине максимального размаха входного напряжения.

Точно такой принцип может быть использован для входов с трансформаторной связью (рис. 6), за исключением случая, когда обмотка трансформатора имеет среднюю точку. Средняя точка трансформатора может быть соединена с «землей» или с VCM.

В этих схемах погрешность в виде небольшого напряжения смещения нуля возникает из-за несовпадения номиналов входных резисторов или несовпадения входных токов смещения. Для минимизации таких погрешностей между двумя резисторами можно подключить третий резистор с величиной сопротивления около 1/10 сопротивления этих двух (но больше, чем дифференциальное сопротивление источника), таким образом шунтируя эти резисторы.

 

Подача опорного напряжения на ОУ, ИУ и АЦП

На рис. 7 приведена схема с однополярным питанием, в которой напряжение на несимметричный вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) подается с инструментального усилителя. Опорное напряжение усилителя обеспечивает напряжение смещения, соответствующее нулевому дифференциальному входному напряжению, а опорное напряжение АЦП обеспечивает коэффициент масштабирования. Для снижения внеполосного шума между выходом ИУ и входом АЦП часто применяется простой сглаживающий RC-фильтр нижних частот. Разработчики часто соблазняются простыми решениями — например, для подачи опорного напряжения на ИУ и АЦП применяют резистивные делители вместо низкоомного источника. Для некоторых ИУ это может послужить причиной появления погрешности.

Рис. 7. Типичная схема подачи сигнала с ИУ на АЦП с однополярным питанием

 

 

Корректная подача опорного напряжения в ИУ

Часто полагают, что вход для подачи опорного напряжения высокоомный (поскольку это вход). Так, разработчики могут соблазниться подключить высокоомный источник, например резистивный делитель, к выводу ИУ для опорного напряжения. С некоторыми типами инструментальных усилителей это может привести к значительным погрешностям (рис. 8).

Рис. 8. Неправильное использование простого делителя напряжения для непосредственной подачи опорного напряжения в инструментальный усилитель из трех ОУ

Например, в конструкции популярного ИУ применено три ОУ, соединенных, как показано выше. Общий коэффициент усиления равен:

где R2/R1 = R4/R3.

Коэффициент передачи для входа опорного напряжения равен единице (при подаче напряжения от источника с низким импедансом). Однако в рассматриваемом случае вывод опорного напряжения ИУ подключен к простому делителю напряжения на резисторах. Это приводит к разбалансу схемы вычитания и нарушает коэффициент деления делителя напряжения. В свою очередь, это снижает коэффициент подавления синфазного сигнала в ИУ и точность его коэффициента усиления. Однако если бы внутренний резистор R4 был нам доступен, то при снижении его сопротивления на величину, равную параллельному соединению двух резисторов делителя напряжения (здесь 50 кОм), схема вела бы себя так, будто к изначальному сопротивлению резистора R4 подключен низкоомный источник, равный (в данном примере) половине напряжения питания, и точность схемы вычитания была бы сохранена.

Этот подход невозможен, если ИУ — интегральная схема в закрытом корпусе. Еще одна проблема заключается в том, что температурные коэффициенты сопротивления (ТКС) внешних резисторов делителя отличаются от ТКС резистора R4 и других резисторов схемы вычитания. И, наконец, такой подход не позволяет регулировать значение опорного напряжения. Если, с другой стороны, попытаться использовать в делителе напряжения низкоомные резисторы, чтобы влияние их добавленного сопротивления было бы пренебрежимо малым, то ток потребления от источника питания и рассеиваемая мощность схемы увеличатся. В любом случае, такой метод «грубой силы» не приносит успеха.

На рис. 9 показано лучшее решение — применение буфера на ОУ с малым потреблением энергии между делителем напряжения и входом опорного напряжения ИУ. Это ликвидирует необходимость подбора сопротивления и проблему резисторов с разными ТКС, а также дает возможность легко регулировать опорное напряжение.

Рис. 9. Подача опорного напряжения на ИУ с низкоимпедансного выхода ОУ

 

 

Сохранение коэффициента ослабления отклонений напряжения источника питания (КОНИП) при формировании опорного напряжения для усилителей делителями из напряжения источника питания

Часто при анализе не учитывается тот факт, что любой шум, импульсные помехи и дрейф напряжения источника питания VS, подаваемого на вход опорного напряжения напрямую, добавляются к выходному напряжению, ослабленные только коэффициентом деления делителя. Практические решения включают в себя развязывание конденсаторами, фильтрацию и, возможно, даже генерацию опорного напряжения прецизионными интегральными схемами, например ADR121, вместо ответвления напряжения VS.

Этот анализ особенно важен, когда разрабатываемые схемы содержат и операционные, и инструментальные усилители. Методика ослабления отклонений питающего напряжения применяется для того, чтобы изолировать усилитель от помех, шумов и других кратковременных изменений напряжения, присутствующих на шине питания. Это важно, потому что многие практические схемы содержат, подключаются или существуют в окружении далеко не идеальных источников напряжений питания. Кроме того, существующие на шинах питания переменные составляющие могут проникнуть в схему, усилиться и при нормальных условиях возбуждать паразитные колебания.

Современные операционные и инструментальные усилители обеспечивают значительное ослабление низкочастотных отклонений напряжения источника питания. У разработчиков это считается как бы само собой разумеющимся. Многие современные ОУ и ИУ имеют в спецификациях значение КОНИП 80 и даже более 100 дБ, что ослабляет действие флуктуаций напряжения питания от 10 000 до 100 000 раз. Даже весьма умеренный КОНИП в 40 дБ ослабляет влияние флуктуаций питания на усилитель в 100 раз. Тем не менее, высокочастотные блокировочные конденсаторы (которые изображены на рис. 1–7) всегда желательны, и часто без них не обойтись.

Когда разработчики применяют простой резистивный делитель сшины питания и буфер на ОУ для подачи на вход опорного напряжения ИУ, все флуктуации напряжения источника питания проходят через эту схему с небольшим ослаблением и непосредственно добавляются к выходному уровню ИУ. Таким образом, пока не обеспечена низкочастотная фильтрация, высокое значение КОНИП интегральной схемы не дает существенных преимуществ.

На рис. 10 к делителю напряжения добавлен конденсатор, отфильтровывающий флуктуации напряжения питания в выходном напряжении и позволяющий сохранить значение КОНИП.

Рис. 10. Развязывание цепи опорного сигнала для сохранения КОНИП

Полюс –3 дБ этого фильтра устанавливается сопротивлением параллельно включенных R1/R2 и емкости конденсатора C1. Частота этого полюса должна быть примерно в 10 раз ниже, чем самая низкая частота сигнала.

При параметрах компонентов, приведенных на рисунке, спад –3 дБ будет на частоте 0,03 Гц. Конденсатор с маленькой емкостью (0,01 мкФ), включенный параллельно R3, минимизирует шумы резистора.

Фильтру для заряда после включения требуется время. При приведенных номиналах время заряда составляет 10–15 с (несколько постоянных времени фильтра, T = R3Cƒ = 5 c).

В схеме на рис. 11 предложены дальнейшие улучшения. Здесь буфер на ОУ работает как активный фильтр, что позволяет применить конденсаторы с меньшими емкостями для тех же значений развязывания источника питания. Кроме того, активный фильтр можно сделать высокодобротным, что уменьшит время включения.

Рис. 11. Подача опорного напряжения на вход ИУ с выхода ОУ, включенного в качестве активного фильтра

Результаты испытаний

С указанными на схеме номиналами элементов и при источнике питания 12 В на входе ИУ было обеспечено 6 В опорного отфильтрованного напряжения. При коэффициенте усиления ИУ, равном единице, питающее напряжение 12 В было промодулировано синусоидальным сигналом с размахом 1 В с разными частотами. При этих условиях, при снижении частоты примерно до 8 Гц на экране осциллографа не наблюдалось переменного сигнала на опорном напряжении и на выходе ИУ. При небольших уровнях сигнала на входе ИУ измеренный диапазон напряжений питания для этой схемы составил от 4 до 25 В и более. Время включения схемы примерно 2 с.

 

Развязывание напряжения питания схем на ОУ с однополярным питанием

Чтобы работать с положительными и отрицательными полуволнами переменного сигнала, схемам на ОУ с однополярным питанием требуется синфазное смещение входа. При использовании для реализации такого смещения шины питания, для сохранения значения КОНИП требуется соответствующее развязывание.

Обычной и неправильной практикой для смещения неинвертирующего входа на уровень VS/2 является применение резистивного делителя 100/100 кОм с развязывающим конденсатором емкостью 0,1 мкФ. При таких номиналах элементов развязывание напряжения источника питания недостаточно, так как частота полюса составляет всего 32 Гц. Часто возникает нестабильность схемы (низкочастотная генерация типа «шум мотора»), особенно при работе на индуктивную нагрузку.

Рис. 12. Неинвертирующий усилитель с однополярным питанием с правильным развязыванием источника питания. Коэффициент усиления на средних частотах равен 1+R2/R1

На рис. 12 (неинвертирующая схема) и рис. 13 (инвертирующая схема) показаны улучшенные схемы для получения развязанного напряжения смещения VS/2. В обеих схемах смещение подведено к неинвертирующему входу, обратная связь приводит инвертирующий вход к той же величине смещения, и единичный коэффициент усиления на постоянном токе смещает оба входа на одинаковое напряжение. Развязывающий конденсатор C1 понижает коэффициент усиления ниже частоты BW3 до единицы.

 

Рис. 13. Инвертирующий усилитель с однополярным питанием с правильным развязыванием источника питания. Коэффициент усиления на средних частотах равен – R2/R1

При использовании делителя 100/100 кОм хорошим эмпирическим правилом является применение конденсатора C2 с емкостью не менее 10 мкФ для получения спада на –3 дБ на частоте 0,3 Гц. Значение емкости 100 мкФ (полюс на частоте 0,03 Гц) достаточно практически для всех схем.

Каков входной ток смещения в операционных усилителях?

Идеальный операционный усилитель имеет бесконечный входной импеданс. Это означает, что его входы вообще не потребляют ток. Идеального операционного усилителя не существует, поэтому все операционные усилители потребляют некоторое количество тока. Это то, что говорит вам спецификация тока смещения на входе.

Любой ток, умноженный на полное сопротивление того, что управляет входом операционного усилителя, вызовет напряжение, которое является напряжением ошибки между реальным сигналом и тем, что видит операционный усилитель. Эта ошибка добавляется непосредственно к ошибке смещения входа операционного усилителя, чтобы получить эффективную ошибку смещения для вашей схемы.

Например, если спецификация входного тока смещения операционного усилителя составляет 1 нА, то вы должны допустить ошибку напряжения 1 мВ с резистором 1 МОм, включенным последовательно с этим входом. Это в дополнение к другим источникам ошибок, таким как входное напряжение смещения спецификации.

Различные операционные технологии могут широко варьироваться. Старые биполярные входные операционные усилители, такие как LM324, имеют на несколько порядков больший ток смещения, чем входные операционные усилители FET. Для чего-то вроде LM324 вы должны внимательно рассмотреть спецификацию входного тока смещения. Для многих современных входных операционных усилителей CMOS входной ток смещения настолько низок, что его часто можно игнорировать (после быстрого вычисления, чтобы убедиться в этом, конечно, в вашем случае).

Спецификация тока смещения на входе для каждого входа. Они не обязательно отменяются, так как полярность не может быть гарантирована. Некоторые операционные усилители имеют спецификацию тока смещения на входе, которая сообщает вам несоответствие тока наихудшего случая между двумя входами. Это часто встречается в биполярных входных операционных усилителях, поскольку текущее направление и величина несколько известны. Например, LM324 указан для входного тока смещения 100 нА, но только для тока смещения входа 30 нА. КМОП входные операционные усилители часто не имеют спецификации тока смещения, поскольку ток смещения происходит из-за утечки, и нет никакой гарантии, какова его полярность.

AD8638 Техническое описание и информация о продукте

Особенности и преимущества

  • Малое напряжение смещения: 9 мкВ, макс.
  • Дрейф напряжения смещения: 0.04 мкВ/°C, макс.
  • Rail-to-rail диапазон выходного напряжения
  • Однополярное питание от 5 В до 16 В или биполярное питание от ±2. 5 В до ±8 В
  • Высокий коэффициент усиления: 136 дБ, тип.
  • Высокий КОСС: 133 дБ, тип.
  • Высокий коэффициент ослабления пульсаций питания: 143 дБ, тип.
  • Очень низкий входной ток смещения: 40 пА, макс.
  • Малый потребляемый ток: 1.3 мА, макс.

Подробнее о продукте

AD8638 и AD8639 – это одноканальный и двухканальный широкополосные усилители с автоматической коррекцией нуля, которые обладают rail-to-rail диапазоном выходного напряжения (размах напряжения до напряжений питания) и низким шумом. Они имеют очень низкие значения напряжения смещения, дрейфа и тока смещения. Компоненты гарантированно обеспечивают заявленные в спецификации характеристики при однополярном напряжении питания в диапазоне от 5 В до 16 В (или биполярном напряжении питания в диапазоне от ±2.5 В до ±8 В).

AD8638/AD8639 обладают достоинствами, которые ранее можно было встретить лишь в дорогих усилителях с нулевым дрейфом или стабилизацией прерыванием. Благодаря применению разработанной компанией Analog Devices топологии эти усилители с автоматической коррекцией нуля обеспечивают высокую точность и низкий шум при низкой стоимости. Компоненты не требуют применения внешних конденсаторов. Кроме того, в AD8638/AD8639 значительно снижен шум цифровой коммутации, который характерен для большинства усилителей со стабилизацией прерыванием.

Благодаря комбинации типичного напряжения смещения всего 3 мкВ, дрейфа 0.01 мкВ/°C и шума 1.2 мкВ (размах в полосе от 0.1 Гц до 10 Гц) AD8638/AD8639 хорошо подходят для задач, в которых требуется минимизация возможных источников погрешностей. Компоненты имеют практически нулевой дрейф во всем диапазоне рабочих температур, что является большим преимуществом для схем усиления сигналов тензодатчиков, датчиков положения и давления, а также для медицинского оборудования. Обеспечиваемый AD8638/AD8639 rail-to-rail диапазон выходных напряжений позволяет добиться максимального увеличения отношения сигнал/шум во многих системах.

AD8638/AD8639 работают в расширенном промышленном температурном диапазоне (от −40°C до +125°C). Одноканальный усилитель AD8638 выпускается в миниатюрном 5-выводном корпусе SOT-23 и 8-выводном корпусе SOIC. Двухканальный усилитель AD8639 выпускается в 8-выводных корпусах MSOP, SOIC и LFCSP.

AD8638/AD8639 являются представителями постоянного растущего семейства операционных усилителей с автоматической коррекцией нуля, предлагаемых компанией Analog Devices (см. таблицу 1 в техническом описании).

Области применения

  • Датчики давления и положения
  • Усилители сигналов тензодатчиков
  • Медицинские измерительные приборы
  • Усилители сигналов термопар
  • Автомобильные датчики
  • Прецизионные источники опорного напряжения
  • Прецизионное измерение тока

Op-amp практические соображения — операционные усилители

Практические соображения Op-Amp

Глава 8 — Операционные усилители

У реальных операционных усилителей есть некоторые недостатки по сравнению с «идеальной» моделью. Реальное устройство отличается от идеального разностного усилителя. Один минус один может не равняться нулю. У него может быть смещение, подобное аналоговому счетчику, который не обнуляется. Входы могут потреблять ток. Характеристики могут дрейфовать с возрастом и температурой. Усиление может быть уменьшено на высоких частотах, и фаза может смещаться от входа к выходу. Эти несовершенство может привести к нежелательным ошибкам в некоторых приложениях, недопустимым ошибкам в других. В некоторых случаях эти ошибки могут быть компенсированы. Иногда требуется более высокое качество, более дорогостоящее устройство.

Как указывалось ранее, идеальный дифференциальный усилитель только усиливает разность напряжений между двумя входами. Если два входа дифференциального усилителя должны быть закорочены вместе (таким образом, обеспечивая нулевую разность потенциалов между ними), не должно быть никакого изменения выходного напряжения для любого количества напряжения, подаваемого между этими двумя закороченными входами и землей:

Напряжение, которое является общим для любого из входов и земли, как « общий режим V» в этом случае, называется синфазным напряжением . Когда мы меняем это общее напряжение, выходное напряжение идеального дифференциального усилителя должно быть абсолютно устойчивым (без изменения выхода для любого произвольного изменения входа в обычном режиме). Это приводит к общему усилению напряжения в нуле.

Операционный усилитель, являющийся дифференциальным усилителем с высоким дифференциальным усилением, в идеале должен иметь нулевой коэффициент усиления в общем режиме. В реальной жизни, однако, это нелегко достичь. Таким образом, синфазные напряжения будут неизменно влиять на выходное напряжение ОУ.

Производительность реального операционного усилителя в этом отношении чаще всего измеряется с точки зрения коэффициента усиления дифференциального напряжения (насколько это усиливает разницу между двумя входными напряжениями) по сравнению с коэффициентом усиления синфазного напряжения (насколько это усиливает режим общего режима напряжение). Отношение первого к последнему называется коэффициентом отказа синфазного режима, сокращенно CMRR:

Идеальный операционный усилитель с нулевым усилением синфазного сигнала будет иметь бесконечный CMRR. Реальные операционные усилители имеют высокие CMRR, вездесущие 741 имеют около 70 дБ, что составляет немногим более 3000 в пересчете на коэффициент.

Поскольку коэффициент отклонения общего режима в типичном операционном усилителе настолько высок, усиление синфазного сигнала обычно не вызывает большой озабоченности в схемах, где операционный усилитель используется с отрицательной обратной связью. Если входное напряжение синфазного сигнала схемы усилителя должно внезапно меняться, что приводит к соответствующему изменению выхода из-за усиления синфазного сигнала, то изменение выходного сигнала будет быстро скорректировано как отрицательная обратная связь и дифференциальное усиление ( намного больше, чем общий коэффициент усиления), чтобы вернуть систему в равновесие. Разумеется, на выходе можно было бы увидеть изменения, но это было бы намного меньше, чем вы могли ожидать.

Однако следует помнить, что это коэффициент усиления синфазного сигнала в дифференциальных схемах усилителя, таких как измерительные усилители. Вне запечатанной упаковки op-amp и чрезвычайно высокого дифференциального усиления мы можем найти коэффициент усиления в общем режиме, вызванный дисбалансом значений резисторов. Чтобы продемонстрировать это, мы проведем анализ SPICE на измерительном усилителе со вставками, закороченными друг с другом (без дифференциального напряжения), навязывая синфазное напряжение, чтобы увидеть, что произойдет. Сначала мы проведем анализ, показывающий выходное напряжение идеально сбалансированной схемы. Мы должны ожидать изменения напряжения на выходе при изменении общего напряжения:

 измерительный усилитель v1 1 0 rin1 1 0 9e12 rjump 1 4 1e-12 rin2 4 0 9e12 e1 3 0 1 2 999k e2 6 0 4 5 999k e3 9 0 8 7 999 k rload 9 0 10k r1 2 3 10k rgain 2 5 10k r2 5 6 10k r3 3 7 10k r4 7 9 10k r5 6 8 10k r6 8 0 10k .dc v1 0 10 1 .print dc v (9) .end 
 v1 v (9) 0.000E + 00 0.000E + 00 1.000E + 00 1.355E-16 2.000E + 00 2.710E-16 3.000E + 00 0.000E + 00 Как вы можете видеть, выходное напряжение v (9) 4. 000 E + 00 5.421E-16 практически не изменяется для входного напряжения общего типа 5000E + 00 0.000E + 00 (v1), которое размахивает от 0 6.000E + 00 0.000E + 00 до 10 вольт. 7.000E + 00 0.000E + 00 8.000E + 00 1.084E-15 9.000E + 00 -1.084E-15 1.000E + 01 0.000E + 00 

Помимо очень небольших отклонений (фактически из-за причуд SPICE, а не реального поведения схемы), выход остается стабильным там, где он должен быть: при 0 В с нулевым разностью входного напряжения. Однако давайте введем дисбаланс резистора в цепи, увеличив значение R 5 с 10 000 Ом до 10 500 Ом и посмотрим, что произойдет (список соединений был опущен для краткости — единственное, что изменилось, это значение R 5 ):

 v1 v (9) 0.000E + 00 0.000E + 00 1.000E + 00 -2.439E-02 2.000E + 00 -4.878E-02 3.000E + 00 -7.317E-02 На этот раз мы видим значительное изменение 4.000E + 00 -9.756E-02 (от 0 до 0, 2439 вольт) в выходном напряжении 5.000E + 00 -1.220E-01, так как входное напряжение синфазного режима составляет 6000E + 00 -1, 463E-01 от 0 до 10 вольт, как это было до. 7.000E + 00 -1.707E-01 8.000E + 00 -1.951E-01 9.000E + 00 -2.195E-01 1.000E + 01 -2.439E-01 

Дифференциал входного напряжения по-прежнему равен нулю, но выходное напряжение значительно изменяется при изменении синфазного напряжения. Это свидетельствует об усилении в общем режиме, чего мы пытаемся избежать. Более того, это общий выигрыш нашего собственного производства, не имеющий ничего общего с несовершенствами в самих операционных усилителях. Благодаря значительному дифференциальному усилению (фактически равному 3 в этой конкретной цепи) и отсутствию отрицательной обратной связи вне схемы, это усиление синфазного сигнала будет отключено в приложении инструментального сигнала.

Существует только один способ исправить это синфазное усиление, и это необходимо для балансировки всех значений резисторов. При проектировании измерительного усилителя из дискретных компонентов (а не при покупке в интегрированном пакете) целесообразно предоставить некоторые средства для точной настройки по меньшей мере одного из четырех резисторов, подключенных к окончательному ОУ, чтобы иметь возможность » отсечь «любой такой синфазный выигрыш. Предоставление средств для «обрезки» резисторной сети также имеет дополнительные преимущества. Предположим, что все значения резисторов точно такие, какими они должны быть, но коэффициент усиления в общем режиме существует из-за несовершенства в одном из ОУ. При настройке регулировки сопротивление можно обрезать, чтобы компенсировать это нежелательное усиление.

Одной из особенностей некоторых моделей ОУ является выход защелки, обычно вызванный входным напряжением общего режима, превышающим допустимые пределы. Если напряжение синфазного сигнала выходит за пределы установленных пределов производителя, выход может внезапно «защелкнуться» в высоком режиме (насытиться при полном выходном напряжении). В операционных усилителях ввода JFET может возникнуть защелка, если входное напряжение синфазного сигнала слишком близко подходит к отрицательному напряжению шины питания. Например, на операционном усилителе TL082 это происходит, когда входное напряжение синфазного сигнала находится в пределах около 0, 7 вольт отрицательного напряжения на линии питания. Такая ситуация может легко возникать в цепи с одним источником питания, где отрицательная плата питания заземлена (0 В), а входной сигнал свободен от колебания до 0 вольт.

Замыкание также может быть вызвано входным напряжением общего режима, превышающим напряжение на шине питания, отрицательное или положительное. Как правило, вы никогда не должны позволять ни входному напряжению подниматься выше положительного напряжения сети питания, либо опускаться ниже отрицательного напряжения на шине питания, даже если рассматриваемый операционный усилитель защищен от защелки (как и 741 и 1458 операционных усилителей). По крайней мере, поведение ОУ может стать непредсказуемым. В худшем случае вид блокировки, вызванный входными напряжениями, превышающими напряжения питания, может быть разрушительным для ОУ.

Хотя эту проблему можно легко избежать, ее вероятность более вероятна, чем вы думаете. Рассмотрим случай цепи операционного усилителя во время включения питания. Если схема получает полное напряжение входного сигнала до того, как его собственный источник питания успел залить конденсаторы фильтра, входное напряжение синфазного сигнала может на короткое время легко превысить напряжение на шине питания. Если операционный усилитель получает напряжение сигнала от цепи, подаваемой другим источником питания, а его собственный источник питания выходит из строя, напряжение (-ы) сигнала может превышать напряжение на шине питания в течение неопределенного промежутка времени!

Другой практической проблемой для работы ОУ является смещение напряжения . То есть, влияние наличия выходного напряжения на величину, отличную от нуля, когда два входных контакта закорочены вместе. Помните, что операционные усилители — это дифференциальные усилители, прежде всего: они должны усилить разницу в напряжении между двумя входными соединениями и не более того. Когда разность входного напряжения равна нулю, мы (в идеале) ожидаем, что на выходе будет ровно нулевое напряжение. Однако в реальном мире это редко случается. Даже если рассматриваемый операционный усилитель имеет нулевое усиление синфазного сигнала (бесконечный CMRR), выходное напряжение может быть не равным нулю, когда оба входа закорочены вместе. Это отклонение от нуля называется смещением .

Идеальный op-amp выводит ровно нулевое напряжение, причем оба его входа закорочены и заземлены. Тем не менее, большинство операционных усилителей с полки будут вытеснять их выходы на насыщенный уровень, отрицательный или положительный. В приведенном выше примере выходное напряжение насыщается при значении положительных 14, 7 вольт, чуть меньше + V (+15 В) из-за положительного предела насыщения этого конкретного ОУ. Поскольку смещение в этом операционном усилителе приводит к выходу на полностью насыщенную точку, нельзя сказать, сколько смещения напряжения присутствует на выходе. Если напряжение питания + V / -V было достаточно высокого напряжения, кто знает, может быть, выход будет несколько сотен вольт так или иначе из-за эффектов смещения!

По этой причине напряжение смещения обычно выражается через эквивалентную величину дифференциала входного напряжения, создающего этот эффект. Другими словами, мы предполагаем, что ОП-усилитель является идеальным (без смещения вообще), и небольшое напряжение применяется последовательно с одним из входов, чтобы заставить выходное напряжение в одну сторону или другую от нуля. Поскольку это дифференциальное усиление ОУ-усилителя настолько велико, цифра для «входного напряжения смещения» не обязательно должна учитывать то, что мы видим с короткими входами:

Смещение напряжения будет приводить к небольшим ошибкам в любой схеме ОУ. Итак, как мы компенсируем это »// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/03063.png»>

На одиночных операционных усилителях, таких как 741 и 3130, точки нулевого подключения смещения являются штырьками 1 и 5 в 8-контактном DIP-корпусе. Другие модели операционного усилителя могут иметь смещенные нулевые соединения, расположенные на разных контактах, и / или требуют немного разной конфигурации подключения потенциометра дифферента. Некоторые операционные усилители вообще не обеспечивают офсетные нулевые контакты! Подробнее см. Спецификации производителя.

Входы на ОУ имеют чрезвычайно высокие входные импедансы. То есть входные токи, входящие или выходящие из двух входных сигнальных сигналов ОУ, чрезвычайно малы. Для большинства целей анализа схемы ОУ мы относимся к ним так, как будто их вообще нет. Мы анализируем схему, как если бы был абсолютно нулевой ток, входящий или выходящий из входных соединений.

Однако эта идиллическая картина не совсем верна. Оптические усилители, особенно операционные усилители с биполярными транзисторными входами, должны иметь некоторый ток через свои входные соединения, чтобы их внутренние схемы были должным образом предвзяты. Эти токи, логически, называются токами смещения . При определенных условиях токи смещения ОУ могут быть проблематичными. Следующая схема иллюстрирует одно из этих проблемных условий:

На первый взгляд мы не видим никаких явных проблем с этой схемой. Термопара, создающая небольшое напряжение, пропорциональное температуре (фактически, напряжение, пропорциональное разнице температур между измерительным соединением и «опорным» соединением, сформированным, когда провода термопары сплава соединяются с медными проводами, ведущими к операционным усилителям) op-amp либо положительный, либо отрицательный. Другими словами, это своего рода схема компаратора, сравнивающая температуру между концевым термоэлементом и опорным соединением (около операционного усилителя). Проблема заключается в следующем: проводная петля, образованная термопарой, не обеспечивает путь для обоих входных токов смещения, поскольку оба тока смещения пытаются идти одинаково (либо в ОУ, либо вне его).

Чтобы эта схема работала должным образом, мы должны заземлить один из входных проводов, таким образом обеспечивая путь к (или из) заземления для обоих токов:

Не обязательно очевидная проблема, но очень реальная!

Другим способом входных токов смещения может стать причиной проблемы, если сбросить нежелательные напряжения по сопротивлению цепи. Возьмите эту схему, например:

Мы ожидаем, что цепь последователя напряжения, такая как приведенная выше, воспроизводит входное напряжение точно на выходе. Но как насчет сопротивления последовательно с источником входного напряжения? // www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt-5/junction-field-effect-transistors-jfet/»>FET или MOSFET (IGFET) вместо одного, построенного с биполярными транзисторами (для меньшего входного тока смещения). Но даже тогда, какие небольшие токи смещения могут оставаться, могут привести к ошибкам измерения, поэтому мы должны найти какой-то способ смягчить их благодаря хорошему дизайну.

Один из способов сделать это основан на предположении, что два входных тока смещения будут одинаковыми. В действительности, они часто близки к тому, чтобы быть одинаковыми, разница между ними называлась входным сдвиговым током . Если они совпадают, тогда мы должны иметь возможность отменить эффекты падения напряжения входного сопротивления, вставив равное количество сопротивления последовательно с другим входом, например:

При дополнительном сопротивлении, добавленном к цепи, выходное напряжение будет ближе к V, чем раньше, даже если есть некоторое смещение между двумя входными токами.

Для обоих инвертирующих и неинвертирующих схем усилителей компенсационный резистор тока смещения помещается последовательно с неинвертирующим (+) входом для компенсации потерь напряжения тока смещения в сети делителя:

В любом случае значение компенсирующего резистора определяется путем вычисления значения параллельного сопротивления R 1 и R 2 . Почему значение равно параллельному эквиваленту R 1 и R 2 «//www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/03233.png»>

Здесь стрелки обозначают путь потока электронов через батареи питания, как для питания внутренних схем ОУ («потенциометр» внутри него, контролирующий выходное напряжение), так и для питания контура обратной связи резисторов R 1 и R 2 . Предположим, однако, что заземление для этого «расщепленного» источника питания постоянного тока должно быть удалено. Эффект от этого глубокий:

Никакие электроны не могут втекать или выходить из выходного терминала ОУ, поскольку путь к источнику питания является «тупиком». Таким образом, никакие электроны не протекают через заземление слева от R 1, ни через петлю обратной связи, Это фактически делает op-amp бесполезным: он не может ни поддерживать ток через петлю обратной связи, ни через заземленную нагрузку, поскольку нет никакого соединения с какой-либо точки источника питания на землю.

Токи смещения также останавливаются, поскольку они полагаются на путь к источнику питания и обратно на источник входного сигнала через землю. На следующей диаграмме показаны токи смещения (только), когда они проходят через входные клеммы операционного усилителя через базовые клеммы входных транзисторов и, в конечном счете, через клеммы (и) источника питания и обратно на землю.

Без заземления на источнике питания токи смещения не будут иметь полного пути для цепи, и они будут остановлены. Поскольку транзисторы с биполярным соединением являются устройствами с контролируемым током, это также делает бесполезным входной каскад операционного усилителя, так как оба входных транзистора будут вынуждены обрезаться из-за полного отсутствия базового тока.

  • ОБЗОР:
  • Входы с дополнительным усилителем обычно проводят очень малые токи, называемые токами смещения, необходимые для правильного смещения первой ступени усилителя транзистора, встроенной в схему op-amps. Токи смещения небольшие (в диапазоне микропам), но достаточно большие, чтобы вызвать проблемы в некоторых приложениях.
  • Токи смещения на обоих входах должны иметь пути для потока к одному из источников питания «рельсы» или к земле. Недостаточно просто провести проводящий путь от одного входа к другому.
  • Чтобы отменить любые сдвиговые напряжения, вызванные током смещения, протекающим через резисторы, просто добавьте эквивалентное сопротивление последовательно с другим входом ОУ (называемым компенсационным резистором ). Эта корректирующая мера основана на предположении, что два входных тока смещения будут равны.
  • Любое неравенство между токами смещения в операционном усилителе составляет то, что называется входным током смещения .
  • Для правильной работы операционного усилителя важно, чтобы на какой-либо клемме источника питания была ссылка на землю, чтобы сформировать полные пути для токов смещения, тока обратной связи и тока нагрузки.

Будучи полупроводниковыми приборами, операционные усилители подвергаются незначительным изменениям в поведении с изменениями рабочей температуры. Любые изменения в производительности ОУ с температурой относятся к категории дрейфа операционного усилителя. Параметры дрейфа могут быть заданы для токов смещения, напряжения смещения и т.п. Проконсультируйтесь со спецификацией производителя на конкретном операционном усилителе.

Чтобы свести к минимуму смещение ОУ, мы можем выбрать операционный усилитель, имеющий минимальный дрейф, и / или мы можем сделать все возможное, чтобы поддерживать рабочую температуру как можно более стабильной. Последнее действие может включать в себя обеспечение некоторой формы контроля температуры для внутренней части оборудования, в котором размещается ОУ (ам). Это не так странно, как может показаться на первый взгляд. Лабораторные стандартные опорные генераторы точности напряжения, например, иногда известно использование «печи» для поддержания их чувствительные компоненты (такие как стабилитроны) при постоянной температуре. Если требуется высокая точность при обычных факторах стоимости и гибкости, это может быть вариант, на который стоит обратить внимание.

  • ОБЗОР:
  • Оптические усилители, являющиеся полупроводниковыми приборами, подвержены изменениям температуры. Любые изменения в производительности усилителя, возникающие в результате изменения температуры, известны как дрейф . Дрейф лучше всего минимизировать с помощью контроля температуры окружающей среды.

Обладая невероятно высоким коэффициентом усиления дифференциального напряжения, операционные усилители являются первыми кандидатами на явление, известное как колебание обратной связи . Вероятно, вы слышали эквивалентный звуковой эффект, когда громкость (усиление) на общедоступном адресе или другой системе усилителей микрофона слишком высока: этот высокий визг, вызванный звуковой волной «подача назад» через микрофон, который будет снова усилен, Контур ОУ может проявлять такой же эффект, при этом обратная связь происходит скорее электрически, чем слышно.

Пример этого можно увидеть в операционном усилителе 3130, если он подключен как последователь напряжения с минимальным подключением к проводке (два входа, выход и разъемы питания). Выход этого операционного усилителя будет автоматически колебаться из-за его высокого усиления, независимо от входного напряжения. Для борьбы с этим небольшой компенсационный конденсатор должен быть подключен к двум специально предусмотренным терминалам на операционном усилителе. Конденсатор обеспечивает высокоимпедансный путь для отрицательной обратной связи, возникающий в схеме ОУ, таким образом уменьшая усиление переменного тока и подавляя нежелательные колебания. Если операционный усилитель используется для усиления высокочастотных сигналов, этот компенсационный конденсатор может не понадобиться, но он абсолютно необходим для работы в режиме постоянного или низкочастотного переменного тока.

Некоторые операционные усилители, такие как модель 741, имеют встроенный компенсационный конденсатор, чтобы минимизировать потребность в внешних компонентах. Эта улучшенная простота не обошлась без затрат: из-за присутствия этого конденсатора внутри операционного усилителя отрицательная обратная связь имеет тенденцию усиливаться по мере увеличения рабочей частоты (что реактивное сопротивление конденсатора уменьшается с более высокими частотами). В результате коэффициент усиления дифференциального напряжения ОУ усиливается по мере увеличения частоты: он становится менее эффективным усилителем на более высоких частотах.

Производители Op-amp опубликуют кривые частотного отклика для своих продуктов. Поскольку достаточно высокий дифференциальный коэффициент усиления абсолютно необходим для хорошей обратной связи в схемах ОУ, коэффициент усиления / частотный отклик операционного усилителя эффективно ограничивает его «пропускную способность» работы. Конструктор схемы должен учитывать это, если хорошая производительность должна поддерживаться в требуемом диапазоне частот сигнала.

  • ОБЗОР:
  • Из-за емкостей в ОУ, их дифференциальное усиление напряжения имеет тенденцию к уменьшению по мере увеличения входной частоты. Кривые частотного отклика для операционных усилителей доступны от производителя.

Чтобы проиллюстрировать сдвиг фазы от входа к выходу операционного усилителя (op-amp), OPA227 был протестирован в нашей лаборатории. OPA227 был сконструирован в типичной неинвертирующей конфигурации (рис. Ниже).

OPA227 Неинвертирующий этап

Конфигурация схемы требует усиления сигнала ≅34 В / V или ≅50 дБ. Входное возбуждение на Vsrc было установлено равным 10 мВр, и три интересующие частоты: 2, 2 кГц, 22 кГц и 220 МГц. Коэффициент усиления и фазовая кривая OPA227 по сравнению с частотой показаны на рисунке ниже.

График V и Φ по частоте

Чтобы помочь предсказать фазовый сдвиг замкнутого контура от входа к выходу, мы можем использовать усиление и фазовую кривую разомкнутого контура. Так как конфигурация схемы вызывает усиление с замкнутым контуром или 1 / β, равное 50 дБ, кривая усиления замкнутого контура пересекает кривую усиления с разомкнутым контуром примерно на 22 кГц. После этого пересечения кривая усиления замкнутого контура отваливается на типичном 20 дБ / дециметре для усилителей обратной связи по напряжению и следует кривой усиления с разомкнутым контуром.

Фактически здесь работает отрицательная обратная связь от замкнутого цикла, которая изменяет реакцию открытого цикла. Замыкание петли с отрицательной обратной связью устанавливает полюс замкнутой петли на частоте 22 кГц. Подобно доминирующему полюсу в фазовой кривой открытого цикла, мы ожидаем фазовый сдвиг в реакции замкнутого контура. Сколько фазового сдвига мы увидим ниже, будет установлено для 2.2 кГц, и никакого заметного сдвига фазы не будет. Рисунок ниже соответствует 220 кГц и записывается сдвиг фаз. Наконец, значение параметра «Ниже» установлено на 220 МГц и регистрируется ожидаемый сдвиг фаз. Границы области были захвачены с использованием LeCroy 44x Wavesurfer. Заключительный график области использовал зонд x1 с триггером, установленным для отклонения HF.

OPA227 Av = 50 дБ при 2, 2 кГц OPA227 Av = 50 дБ при 22 кГц OPA227 Av = 50 дБ при 220 кГц

Planet Analog — Входной ток смещения имеет значение при прецизионных измерениях

Входной ток смещения — это обычно пропускаемый параметр усилителя, который может существенно повлиять на выходную точность схемы усилителя. Иногда эффект достаточно мал, чтобы его можно было игнорировать, но иногда он может привести к полному отказу схемы. Инженеры, занимающиеся прецизионными приложениями, такими как измерение тока или интерфейс датчиков, должны знать о влиянии входного тока смещения, чтобы обеспечить надежную конструкцию.

Как правило, ключевыми параметрами, которые приходят на ум при работе с прецизионными приложениями, являются входное напряжение смещения, дрейф смещения и CMRR. Так как же влияет на это входной ток смещения, если входы усилителя обычно считаются высокоимпедансными? Простой ответ заключается в том, что входной ток смещения создает паразитное напряжение на любом сопротивлении на своем пути, и эффект от этого усиливается усилителем.

Определение входного тока смещения

Во-первых, давайте посмотрим, что означает входной ток смещения.У идеального операционного усилителя (операционного усилителя) нет тока, протекающего на его входные клеммы; но реальные операционные усилители делают. Спецификация входного тока смещения (I IB ) в таблице данных количественно определяет этот неидеальный ток. Входной ток смещения может создать дополнительное падение напряжения смещения на входе, что приведет к ошибке смещения на выходе. Для большинства приложений эта ошибка незначительна, но в некоторых случаях ее важно учитывать.

Исторически сложилось так, что операционные усилители были построены на транзисторах с биполярным переходом (BJT).В биполярном операционном усилителе, таком как LM324, при включенном входном дифференциальном транзисторе между базой и эмиттером протекает небольшой ток. Другими словами, ток база-эмиттер — это величина тока, необходимая для смещения транзистора. Этот ток обычно находится в диапазоне наноампер или микроампер. Для входной пары PNP ток течет через входные транзисторы, как показано на рис. 1 для упрощенного входного каскада PNP биполярного усилителя. В случае биполярного операционного усилителя с рельсовым входом, будет использоваться дополнительная входная пара NPN, и ток будет течь во входной каскад NPN.

Рисунок 1 Этот упрощенный входной каскад биполярного операционного усилителя демонстрирует, как входной ток смещения может изменять выход усилителя.

Однако в настоящее время в большинстве новых усилителей используются КМОП-транзисторы. В полевом МОП-транзисторе затвор физически изолирован от канала проводимости для создания входа с действительно высоким импедансом. Усилители этих типов не имеют реального входного тока смещения. Тем не менее, параметр входного тока смещения все еще используется в таблицах данных для этих усилителей.В этом случае так называемый входной ток смещения КМОП-усилителя в основном является утечкой через ESD-структуры, защитные диоды и / или паразитные переходы. В результате КМОП-усилители, такие как NCS20071, будут иметь гораздо более низкие входные токи смещения, чем биполярные усилители. Для КМОП операционного усилителя входной ток смещения может иметь положительное или отрицательное значение в зависимости от условий. На рис. 2 показан типичный упрощенный входной каскад для КМОП-ОУ с входами PMOS.

Рисунок 2 Этот упрощенный входной каскад входного каскада КМОП ОУ показывает, как утечка может действовать как входной ток смещения.

Каждый входной вывод в КМОП-операционном усилителе имеет свой собственный входной ток смещения, а контакты IN + и IN- могут иметь разные значения входного тока смещения. В таблице данных можно указать ток I IB через один из входных контактов, обозначив его как I IB + для обозначения IN + или I IB- для обозначения IN-. Математическая разница между двумя входными токами тогда называется входным током смещения, I OS .

В любой таблице данных направление входного тока смещения не всегда определено — предел в таблице данных может показывать только абсолютное значение, поэтому ток может течь на контакты или выходить из них.Если не указано иное, тогда предположим, что I IB и I OS являются абсолютными значениями. Токи тоже могут измениться. На рис. 3 показано, как входной ток смещения может изменяться при изменении входного синфазного напряжения для NCS20071.

Рисунок 3 Входной ток смещения (IIB) и входной ток смещения (IOS) будут изменяться в зависимости от приложенного синфазного напряжения для операционного усилителя.

Влияние входного тока смещения

Эти входные токи смещения могут влиять на выход усилителя.Если, например, последовательно со входом операционного усилителя подключен большой резистор, I IB протекает через него и добавляет смещение. Например, рассмотрим схему, показанную на Рис. 4 . Входной резистор 1 МОм в цепи повторителя напряжения (также известной как буферная схема с единичным усилением) с I IB = 10 нА создает дополнительное падение напряжения 10 мВ на резисторе, что приводит к ошибке на выходе 10 мВ.

Рисунок 4 Входной ток смещения создает смещение напряжения в этой схеме с единичным усилением.

В попытке удалить любое напряжение смещения, создаваемое I IB , иногда разработчики схем пытаются согласовать входное сопротивление, наблюдаемое как неинвертирующими, так и инвертирующими входными клеммами операционного усилителя, как показано на Рисунок 5 . Тем не менее, если ток смещения не согласован, результирующий входной ток смещения (I OS ) все еще может создавать дополнительное входное напряжение смещения. Это напряжение смещения, создаваемое I OS , способствует погрешности на выходе и может стать проблемой в точных приложениях, где измеряются очень слабые входные сигналы.

Рисунок 5 Согласование входного сопротивления может уменьшить влияние входного тока смещения, если обе входные клеммы имеют одинаковые входные токи смещения и минимальный входной ток смещения.

Рекомендации для усилителей считывания тока

Отдельный усилитель считывания тока — это особый случай, который следует учитывать. Многие усилители считывания тока имеют специальную архитектуру, которая позволяет входному сигналу превышать напряжение питания, как, например, в NCS210R.Хотя это выгодно для ряда приложений, для этого требуется, чтобы схема потребляла повышенный входной ток — в диапазоне десятков микроампер — что делает схему особенно более чувствительной к внешнему входному сопротивлению по причинам, обсужденным ранее. Рисунок 6 демонстрирует это, где «дополнительная схема», позволяющая расширить диапазон синфазных помех, создает большие входные токи смещения, отмеченные красным текстом. Добавление в эту схему больших внешних резисторов означает, что входные токи смещения будут создавать большее напряжение на каждом резисторе.

Рисунок 6 Усилители измерения тока имеют значительные токи смещения, поэтому внешние резисторы должны иметь сопротивление 10 Ом не более

В этой архитектуре входной ток смещения действует только на внешние резисторы. Внутренние резисторы R1 и R3 не имеют протекания I IB . Поскольку стандартное уравнение усиления для разностного усилителя предполагает, что ток через внешний и внутренний резисторы одинаков, коэффициент усиления несколько искажается от заданного значения.В результате стандартное уравнение становится только приближением результирующего усиления, что обозначается знаком приблизительно равно:

Внешние резисторы также сводят на нет высокую точность усиления, которую обеспечивает точное согласование отношения внутренних резисторов усиления. Этот тип архитектуры усилителя считывания тока полагается на соотношения между внутренними резисторами для установки усиления, вместо того, чтобы полагаться на абсолютную точность резисторов. Даже если все внутренние резисторы на + 10% от номинального значения, согласование соотношения означает, что коэффициент усиления будет в пределах спецификации ошибки усиления ± 1%, указанной в таблице.Внешние резисторы, даже с высокой точностью, могут отбросить все согласование соотношения. Это означает, что добавление входных резисторов может фактически иметь комбинированный эффект, создавая ошибку усиления из-за несоответствия соотношения резисторов, а также из-за I IB , который обсуждался в предыдущем абзаце.

Помимо этих ошибок, I OS создает дополнительную ошибку напряжения смещения, как показывает недавний пример прикладной инженерии ON Semiconductor. Заказчиком был инженер, который хотел настроить усиление усилителя считывания тока, добавив резисторы 1 кОм последовательно с входами NCS210R в цепи измерения тока на стороне высокого напряжения, схема которой показана на рис. 7 .Но результат оказался не таким, как ожидал заказчик. Фактическое скорректированное усиление составляло 167 В / В вместо стандартного усиления NCS210 200 В / В, рассчитанного с учетом идеальных резисторов и стандартного уравнения усиления для простоты.

Рисунок 7 Разница входных токов смещения приведет к входному току смещения I OS . При добавлении внешних резисторов добавленное входное напряжение смещения, обозначенное VIN, добавляется к уравнению, создавая ошибку больше, чем только входное напряжение смещения.

С добавлением внешних резисторов, I OS оказал значительное влияние, которое перевесило даже внутреннее напряжение смещения, V OS . NCS210R имеет типичный входной ток смещения I OS = 0,1 мкА, как указано в таблице данных. Этот ток добавляет 1 кОм x ± 0,1 мкА = погрешность ± 100 мкВ (типичная) на входе усилителя. В этом случае типичный входной ток смещения создает входное смещение даже больше, чем максимальное входное напряжение смещения V OS = ± 35 мкВ, которое указано в техническом описании продукта.Оба этих входных напряжения смещения по существу умножаются на коэффициент усиления и добавляются как ошибка к выходному сигналу.

В то время как разработчики заказчика могли ожидать погрешность выходного сигнала ± 6 мВ из-за V OS , они упустили из виду тот факт, что I OS добавит как минимум ± 17 мВ дополнительной погрешности выхода. Эта ошибка становится еще больше, если I OS больше, чем типичная, указанная в таблице данных.

Решение проблемы клиента было довольно простым.Если стандартное усиление NCS210R 200 В / В было слишком высоким для их применения, им пришлось бы использовать версию усилителя 100 В / В (NCS214R) и не добавлять никаких внешних резисторов. Это отсутствие устранит любую ошибку в I OS . Затем им пришлось бы соответственно увеличить номинал резистора считывания, чтобы поддерживать такое же напряжение на выходе, что также уменьшило бы общую ошибку из-за входного напряжения смещения. Компромисс здесь заключается в том, что через чувствительный резистор теряется немного больше мощности, когда его значение увеличивается.

Ключевой момент, который следует помнить при использовании усилителей считывания тока с этой архитектурой, заключается в следующем: до тех пор, пока к усилителю считывания тока не добавлены внешние резисторы, внутренние I IB и I OS не будут иметь вредного воздействия!

Рекомендации для прецизионных операционных усилителей

Для приложения измерения тока, которое требует определенного значения усиления, которое не всегда доступно в интегрированных усилителях измерения тока, одним из возможных решений является прецизионный операционный усилитель, такой как NCS21911.Для выполнения функции измерения тока прецизионный операционный усилитель может быть реализован как разностный усилитель с внешней схемой усиления. Проблема этого подхода заключается в достижении достаточного согласования между резисторами в цепи усиления, чтобы установить необходимую точность усиления и CMRR. Необходимые прецизионные резисторы могут быть дорогими. Однако это решение потенциально может уменьшить ошибку, создаваемую входным током смещения в приложениях с очень специфическими требованиями к усилению.

Важно отметить, что прецизионные усилители могут иметь свои собственные уникальные характеристики входного тока смещения.Архитектура с нулевым дрейфом, обычно используемая в прецизионных усилителях, реализуется путем периодической дискретизации входного сигнала и его корректировки. В результате на входе возникают всплески тока из-за инжекции заряда и прохождения тактового сигнала на конденсаторах и переключателях. I IB , указанный в таблице данных, представляет собой усредненное значение постоянного тока, но пиковые значения тока присутствуют. В этом случае не рекомендуется использовать внешние входные резисторы очень большого размера. Добавление простого RC-фильтра с частотой среза ниже частоты прерывания может быть использовано для минимизации скачков напряжения, если это необходимо.Такое внутреннее поведение ограничивает использование усилителя с нулевым дрейфом в качестве трансимпедансного усилителя. Однако усилители с нулевым дрейфом продолжают оставаться надежным выбором для приложений измерения тока.

Заключение

Для большинства приложений входной ток смещения обычно не считается важным параметром. Тем не менее, существуют определенные сценарии, в которых это существенно влияет на производительность, и понимание этого имеет решающее значение для успешного дизайна.Понимая, как входной ток смещения может создавать дополнительный коэффициент входного напряжения смещения, разработчики схем могут понять, как обеспечить наилучшую возможную точность для прецизионных приложений.

Об авторе

Фархана Сардер (Farhana Sarder) — инженер по приложениям в ON Semiconductor. Имея опыт проектирования аналоговых схем, она специализируется на усилителях, включая прецизионные операционные усилители, усилители считывания тока и компараторы. Имеет степень магистра электротехники.

Метод компенсации тока смещения рабочего усилителя

ВЛИЯНИЕ ТОКА СМЕЩЕНИЯ

Транзисторы

в OP-AMP должны быть смещены так, чтобы иметь текущие значения тока базы и коллектора, а также напряжения коллектора относительно эмиттера. Идеальный OP-AMP не имеет входного тока, но фактически практический OP-AMP имеет небольшой входной ток смещения, обычно в наноамперном диапазоне.

В основном проблема тока смещения возникает в инвертирующем и неинвертирующем усилителе и в повторителе напряжения.Инвертирующий усилитель с нулевым входным напряжением показан на рисунке ниже (а).

Рисунок (a): Инвертирующий усилитель с ошибочным напряжением

В идеале ток через Rin равен нулю, поскольку входное напряжение равно нулю, а напряжение на инвертирующей клемме (-) равно нулю. Малый входной ток от I 1 до R f с выходной клеммы. Этот ток создает падение напряжения на R f является выходной клеммой, и, следовательно, выходное напряжение ошибки составляет I 1 R f .

Повторитель напряжения с нулевым входным напряжением и сопротивлением источника R s показан на рисунке (b). в этом случае входной ток I 1 вызывает падение (I 1 R s ) на R s . Следовательно, напряжение на инвертирующей входной клемме уменьшается до –I 1 R s , поскольку отрицательная обратная связь стремится поддерживать нулевое дифференциальное напряжение. Поскольку инвертирующий терминал подключен непосредственно к выходному терминалу, выходное напряжение ошибки составляет –I 1 R s .

Рисунок (b): Ошибка повторителя напряжения

Неинвертирующий усилитель с нулевым входным напряжением показан на рисунке (c). В идеале напряжение на инвертирующем выводе также равно нулю, как показано, но входной ток I 1 вызывает падение напряжения на R f и создает входное напряжение ошибки I 1 R f , такое же, как и при инвертировании. усилитель звука.

Рисунок (c): Напряжение ошибки в неинвертирующем усилителе

КОМПЕНСАЦИЯ ТОКА СМЕЩЕНИЯ

  1. В повторителе напряжения

    Напряжение ошибки на выходе повторителя напряжения из-за тока смещения можно уменьшить, добавив резистор, равный R s в тракте обратной связи.Это показано на рисунке (d).

    Рисунок (d): Компенсация тока смещения в повторителе напряжения

    Падение напряжения, создаваемое I 1 на добавленном резисторе, вычитается из выходного напряжения ошибки –I 2 R s . Если I 1 = I 2 , то выходное напряжение будет нулевым. Обычно I 1 не совсем равно I 2 , но в этом случае выходное напряжение ошибки уменьшается следующим образом, поскольку входной ток смещения меньше, чем I 2
    Vout (error) = | I 1 — I 2 | R с

    As I 1 — I 2 = I os

    и V out (ошибки) = I os R os .

  2. В инвертирующих и неинвертирующих усилителях

    На рисунке (e) показана компенсация тока смещения в инвертирующем и неинвертирующем усилителях. Чтобы компенсировать влияние тока смещения в неинвертирующем усилителе, подключается резистор R s , как показано на рисунке (e). Значение компенсирующего резистора равно параллельной комбинации Ri и R f . Входной ток создает падение напряжения на R s , которое смещает напряжение на комбинации Ri и R f .Следовательно, значительно снижается выходное напряжение ошибки.

    Рисунок (e): Компенсирующий резистор

    В случае инвертирующего усилителя компенсация токов смещения аналогична, как показано на рисунке (e).

    Обратите внимание, что в обеих схемах компенсирующий резистор R s подключен к неинвертирующему выводу OP-AMP.

Разработка инвертирующего усилителя со смещением

Я буду использовать этот усилитель для выполнения нескольких тестов с помощью Espotek Labrador.

Для получения дополнительной информации об использовании операционных усилителей я рекомендую вам обратиться к этим источникам:

Обсуждение простого операционного усилителя ¶

Схема простого операционного усилителя (обратите внимание на названия напряжений)
Операционный усилитель (ОУ) определяется двумя правилами:

  1. Нет тока на входные контакты (т.е. бесконечное входное сопротивление)
  2. Выходное напряжение будет регулироваться так, чтобы на обоих входных контактах было одинаковое напряжение

Или по-другому от:

Analog Devices: основные операции с операционным усилителем ¶

«Базовая работа операционного усилителя… легко резюмируется… предполагает … часть выхода, которая возвращается на инвертирующий терминал, чтобы установить фиксированное усиление для усилителя… отрицательная обратная связь .

Любое дифференциальное напряжение на входных клеммах операционного усилителя умножается на коэффициент усиления усилителя без обратной связи … Пока вход и выход остаются в рабочем диапазоне усилителя , он будет поддерживать нулевое дифференциальное напряжение. , а на выходе будет входное напряжение, умноженное на коэффициент усиления, установленный обратной связью.

И еще один комментарий от

TI: E2E Что такое операционный усилитель? ¶

«Итак, это фундаментальный принцип операционного усилителя: он является линейным только тогда, когда напряжения на входных контактах равны.Однако для этого операционный усилитель может регулировать только свое выходное напряжение. Ограничения размаха выходного сигнала могут привести к отклонению входных напряжений друг от друга, что приведет к нелинейному и нежелательному поведению ».

Мы будем использовать Espotek Labrador для проверки рабочего диапазона усилителя. Конструкция довольно простая, это инвертирующий усилитель со смещением и фиксированным коэффициентом усиления:

Инвертирующий усилитель с однополярным питанием и цепью смещения

Как вы можете видеть на принципиальной схеме, мы будем использовать LM358, недорогой двойной операционный усилитель в 8-контактном DIP-корпусе.

Распиновка
LM358
  1. Сдвоенные операционные усилители малой мощности
  2. Серия LM158 состоит из двух независимых операционных усилителей с высоким коэффициентом усиления и внутренней частотной компенсацией, которые были разработаны специально для работы от одного источника питания в широком диапазоне напряжений.
  3. Области применения включают усилители преобразователей, блоки усиления постоянного тока и все обычные схемы операционных усилителей, которые теперь могут быть более легко реализованы в системах с одним источником питания.(National Semiconductor)

Мы также будем использовать его в конфигурации с однополярным питанием. И нам понадобится напряжение смещения (Vb), чтобы операционный усилитель не перешел в насыщение преждевременно. Более подробное обсуждение того, почему, в анализе сигналов переменного тока. См. Эту статью для получения дополнительной информации об операционных усилителях и напряжениях смещения: MAS.836 КАК СДВИГАТЬ OP-AMP

На основе обсуждения в документе мы получили следующую формулу:

  • (Vi — Vb) / Rin = (Vb — Vo) / Rf или
  • Vo = Vb — Rf / Rin (Vi — Vb)

Используя приведенную выше схему в CircuitLab, мы получим следующую диаграмму DC Sweep:

Схема инвертирующего усилителя на ОУ
На графике обратите внимание на следующее:

  1. Vi (синяя линия) идет от 0 до 9 В (для этого мы будем использовать потенциометр)
  2. Vn (коричневая линия) измеряется на инвертирующей входной клемме операционного усилителя.Поскольку мы знаем, что неинвертирующий вход удерживается на уровне 4,8 В, когда это напряжение также равно 4,8 В, мы знаем, что операционный усилитель находится в рабочем диапазоне.
  3. Vo (оранжевая линия) следует формуле, приведенной выше:
  • Например, когда Vi = 4,8 В, Vo = Vb = 4,8 В.
  • Обратите внимание, что, хотя Vi находится в пределах от 3,5 В до 6,5 В, Vn — Vp = 0 , Vo является линейным и находится в диапазоне от 8,05 В до 550 мВ.

В результате появится зеленая рамка с надписью Operational Range.

Итак, что все это значит? ¶

На графике четко показаны исходные точки, полученные как от Analog Devices, так и от TI. Тот факт, что пока Vn — Vp = 0, операционный усилитель находится в рабочем диапазоне. И мы видим это, поскольку Vo линейно, а наклон Vo (вычисленный) равен -2,5, что является коэффициентом усиления этого инвертирующего усилителя.

А теперь давайте проверим это!

Цепь биполярного ОУ с смещением

Цепь биполярного ОУ с смещением

:

Схема биполярного ОУ с смещением — Как и другие электронные устройства, операционные усилители должны иметь правильное смещение для правильной работы.Как уже говорилось, входы операционного усилителя являются базовыми выводами транзисторов дифференциального усилителя. Для работы транзисторов через эти клеммы должны протекать базовые токи. Следовательно, входные клеммы должны быть напрямую подключены к подходящим источникам напряжения смещения постоянного тока.

Наиболее подходящий уровень напряжения смещения постоянного тока для входов схемы биполярного операционного усилителя смещения находится примерно посередине между напряжениями питания + и -. Одна из двух входных клемм обычно каким-либо образом подключается к выходу операционного усилителя для облегчения отрицательной обратной связи.Если используется питание +/-, другой вход может быть смещен непосредственно на землю через источник сигнала [см. Рис. 14-4]. Базовый ток I B1 течет на неинвертирующий вход операционного усилителя через источник сигнала, а ток I B2 течет с выхода на инвертирующий вход, как показано.

На рис. 14-5 показана ситуация, в которой один вход подключен через резистор R 1 к земле, а другой через R 2 подключен к выходу операционного усилителя.И снова базовый ток транзисторов входного каскада протекает на оба входа. R 1 и R 2 должны иметь одинаковые значения сопротивления, чтобы падение напряжения I B1 R 1 и I B2 R 2 было примерно одинаковым. Любая разница в этих двух падениях напряжения проявляется как входное напряжение постоянного тока операционного усилителя, которое может быть усилено для создания смещения постоянного тока на выходе.

Если выбраны очень малые значения сопротивления для R 1 и R 2 в схеме на рис.14-5, тогда очень маленькое входное сопротивление (R 1 ) будет предложено источнику сигнала с конденсаторной связью [см. Рис. 14-5]. С другой стороны, если R 1 и R 2 очень большие, падения напряжения I B1 R 1 и I B2 R 2 могут быть смехотворно большими. Приемлемое максимальное падение напряжения на этих резисторах должно быть намного меньше, чем типичный уровень V BE для перехода база-эмиттер с прямым смещением.

На рис. 14-6 показан делитель напряжения (R 1 и R 2 ), обеспечивающий уровень смещения входных клемм от напряжений питания.Ток делителя напряжения I 2 следует выбирать намного большим, чем входной ток смещения. Это необходимо, чтобы гарантировать, что I B имеет пренебрежимо малое значение, выбранное как,

Тогда R 1 и R 2 просто рассчитываются как V R1 / I 2 и V R2 / I 2 соответственно.

Резистор R 3 на рис. 14-6 следует выбирать примерно равным R 1 || R 2 , чтобы минимизировать любую разницу между I B1 (R 1 || R 2 ) и I B1 R 3 , который может вести себя как входное напряжение постоянного тока.

Однополярное напряжение питания может использоваться со схемой биполярного операционного усилителя со смещением. Например, 741 может использовать +30 В (как показано на рис. 14-8) вместо источника питания ± 15 В. Резисторы R 1 и R 2 обычно выбираются для установки V B = V CC /2.

Результирующее выходное смещение может быть уменьшено или устранено в схеме, показанной на рис. 14-6, путем настройки одного из резисторов. Аналогично, если R 3 на рис.14-8 — переменный резистор, его можно отрегулировать для уменьшения выходного напряжения смещения операционного усилителя. Процесс называется обнулением смещения напряжения .

На рис. 14-9 показан другой метод обнуления смещения напряжения с помощью операционного усилителя 741. Потенциометр 10 кОм подключен к входному каскаду дифференциального усилителя через клеммы 1 и 5, как показано на рисунке. Когда подвижный контакт подключен к -V EE , потенциометр можно отрегулировать для обнуления выходного напряжения смещения.

Смещающие операционные усилители BIFET:

Входной ток смещения для операционного усилителя BIFET обычно составляет 50 пА, что намного меньше, чем у операционного усилителя Bioplar. Таким образом, уже рассмотренный метод выбора резистора смещения дает очень высокие значения резистора. Это нежелательно, поскольку электрические заряды могут накапливаться на затворах полевого транзистора и, таким образом, сделать уровни смещения нестабильными. Кроме того, паразитная емкость становится более эффективной при использовании резисторов смещения высокого номинала, что может привести к нежелательным колебаниям цепи.Для борьбы с этими эффектами самый большой резистор в цепи смещения операционного усилителя BIFET обычно не должен превышать 1 МОм.

Shahram Marivani — ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Цель:

Целью этого эксперимента является наблюдение и измерение нескольких важных характеристик операционного усилителя. Эти характеристики в основном являются результатом конструкции усилителя на биполярных транзисторах.Особенно их можно отнести к паре дифференциально ориентированных транзисторов на входе усилителя. Две характеристики можно отнести к внутреннему компенсационному конденсатору ОУ 741. В этом эксперименте входной ток смещения, выходное напряжение смещения, скорость нарастания и ширина полосы мощности будут измеряться или вычисляться и сравниваться с номинальными значениями в технических паспортах производителя. Полоса пропускания мощности и скорость нарастания напряжения будут измеряться на макетных схемах.

Введение:

Основные характеристики:
  1. Входной ток смещения и входной ток смещения:
    741 содержит входной каскад дифференциального усилителя.Биполярные транзисторы, образующие этот дифференциальный усилитель, требуют наличия токов смещения через свои базы. Сила тока у 741 довольно мала; в худшем случае входной ток смещения в 741 составляет 500 нА. На рисунке 1 показаны символы и обозначения контактов операционного усилителя 741. Входные токи смещения протекают через базы T1 и T2. Оба тока должны быть равны, потому что оба T1 и T2 идентичны и их эмиттерные токи одинаковы. Однако, если это не так, то будет входной ток смещения. Входной ток смещения — это разница между двумя токами.Эта разница может существовать как прямой результат внутренних различий в BJT операционного усилителя.

    Рисунок 1 — Символ и обозначение контактов для ОУ 741 (вид сверху)
  2. Входное смещение напряжения:
    Усилитель 741 OP спроектирован таким образом, что конечный каскад выдает выходное напряжение 0 В, когда два входа имеют одинаковый уровень потенциала. Внутренние дефекты могут привести к смещению постоянного тока на выходе. Смещение постоянного тока можно обнулить одним из следующих двух способов.Напряжение постоянного тока может подаваться на одну входную клемму, если операционный усилитель подключен как усилитель с отрицательной обратной связью. Напряжение, подаваемое на вход, является входным напряжением смещения. Кроме того, 741 имеет клеммы обнуления, к которым можно подключить потенциометр. Контакты 1 и 5 внешних подключений относятся к эмиттерам некоторых внутренних транзисторов.
  3. Коэффициент подавления синфазного сигнала:
    Коэффициент подавления синфазного сигнала — это мера способности дифференциального усилителя подавлять сигналы, подаваемые одновременно на оба входа.Практические операционные усилители имеют конечное ненулевое синфазное усиление. Если две входные клеммы операционного усилителя связаны вместе и подается сигнал Vcm, выходное напряжение будет пропорционально входному напряжению на некоторую константу. Эта константа будет синфазным усилением A см . Рисунок 2 иллюстрирует это определение.

    Рисунок 2 — Изображение и определение синфазного усиления
    Выходное напряжение может быть выражено как:
    A — дифференциальное усиление. см — синфазное усиление. Разница между двумя входными сигналами заключается в дифференциальном режиме или, другими словами, в дифференциальном входном сигнале V id .
    Среднее значение двух входных сигналов является входным синфазным сигналом V icm .
    Способность операционного усилителя отклонять синфазные сигналы определяется в терминах коэффициента подавления синфазного сигнала (CMRR), который определяется как:
    Обычно CMRR выражается в дБ.
  4. Скорость нарастания и ширина полосы мощности:
    Ограничение скорости нарастания напряжения — одно из явлений, которое может вызвать нелинейные искажения больших выходных сигналов.Ограничение скорости нарастания напряжения присутствует в каждом современном операционном усилителе на ИС. Это проявляется как неспособность выходного каскада операционного усилителя следовать входному сигналу, подаваемому на входной каскад. Например, большие ступенчатые напряжения на входе будут отображаться как линейно нарастающие сигналы на выходе. Наклон линейного сигнала — это скорость нарастания. Скорость нарастания определяется как максимально возможная скорость изменения выходного напряжения операционного усилителя. Причина ограничения скорости нарастания напряжения коренится в усложнении модели большого сигнала, теории крутильного усилителя и соображениях внутренней компенсации частоты.Однако хорошо известно, что скорость нарастания операционного усилителя 741 обратно пропорциональна емкости внутреннего конденсатора компенсации частоты второго каскада. Никакого дальнейшего объяснения скорости нарастания здесь не будет, так как это выходит за рамки данного отчета.
    Ширина полосы мощности связана со скоростью нарастания в том смысле, что это максимальная частота, перед которой искажение скорости нарастания становится заметным. На практике будет казаться, что сигналы с частотой, превышающей ширину полосы пропускания мощности, имеют линейный нарастание.Наклон рампы и будет скоростью нарастания. Максимальная частота полосы мощности связана со скоростью нарастания и пиковым выходным напряжением по следующему уравнению.
    Где V p — пиковое напряжение выходного сигнала, а S R — скорость нарастания.
    Уменьшение амплитуды выходного сигнала может увеличить максимальную частоту полосы мощности.

Лабораторные работы:

  1. Измерение входного тока смещения:
    Схема, показанная на рисунке 3, должна быть сформирована на макетной плате.Напряжение постоянного тока на контактах 2 и 3 следует измерять вольтметром постоянного тока. Напряжения на выводах 2 и 3 называются соответственно V (2) и V (3). Токи ib + и ib- можно рассчитать по закону Ома. Уравнения на рисунке 3 можно использовать для расчета ib + и ib-. Среднее значение двух токов называется входным током смещения. Входной ток смещения — это величина разности двух токов смещения. Их можно рассчитать с помощью уравнений, приведенных в правой части рисунка 3. Это значение входного тока смещения должно быть записано в таблице (I).В этой лаборатории процедуры должны применяться к двум образцам из 741; отсюда и использование (I) и (II).

    Рисунок 3 — Схема измерения входного тока смещения. Напряжения постоянного тока, измеренные на выводах 2 и 3, использовались в соответствии с законом Ома для расчета входного тока смещения. Уравнения для этой задачи показаны сбоку.
  2. Измерение выходного напряжения смещения:
    Схема, показанная на рисунке 4, должна быть сформирована на макетной плате, причем оба входа должны быть подключены к земле через резисторы 1 кОм.Напряжение постоянного тока измеряется на выводе 6 (выход). При выходном напряжении предполагается, что имеется также входное напряжение; однако нет необходимости его измерять. Вместо этого его следует рассчитать по приведенному ниже уравнению. Это уравнение было получено из выходного уравнения для операционного усилителя с резистивной отрицательной обратной связью.


    Рисунок 4 — Схема макетной платы, используемая для измерения входного напряжения смещения. Напряжение постоянного тока на выводе 6 подставляется в уравнение для Vout.В качестве постоянного напряжения Vin принимается напряжение на выводе 2 (которое невозможно измерить). Напряжение должно быть записано в Таблице (II). Позже к контактам 1 и 5 можно подключить потенциометр 5 кОм. Его нужно регулировать до тех пор, пока выходное напряжение не станет равным 0 вольт. Это сделано только для иллюстрации возможности обнуления выходного смещения ОУ 741. Никаких дальнейших действий в отношении возможности обнуления предпринимать не следует.
  3. Измерение скорости нарастания и ширины полосы ОУ:
    Инвертирующий усилитель, показанный на Рисунке 5, должен быть сформирован на макетной плате.Применяется прямоугольная волна низкой частоты. Амплитуда входного сигнала должна регулироваться до тех пор, пока выходное напряжение не будет составлять 20 вольт от пика до пика. Затем необходимо отрегулировать частоту до тех пор, пока выходной сигнал не станет треугольным. Обратите внимание, что в этот момент (когда выход стал треугольным) операционный усилитель достиг максимальной скорости изменения выходного напряжения. Наклон нарастающего фронта треугольной волны был принят за искомую скорость нарастания. (См. Рисунок 6).
    Измерения осциллографа и скорость нарастания должны быть записаны в Таблице (III).Процедура измерения ширины полосы мощности следующая. На схему, показанную на рисунке 5, подается синусоидальный сигнал. Частота увеличивается до тех пор, пока форма выходного сигнала не начнет казаться треугольной, а ее величина не упадет до 70,7% от исходного значения низкой частоты. Выходной сигнал покажет эффект ограничения скорости нарастания напряжения; это совершенно нормально. В этом эксперименте величина выходного сигнала низкой частоты составляет 20 вольт от пика до пика. При полной полосе мощности амплитуда выходного сигнала должна составлять 14 В от пика до пика.Данные этой части эксперимента должны быть записаны в таблице (IV).

    Рисунок 5 — Схема испытания скорости нарастания, эта схема должна быть построена на макетной плате для оценки скорости нарастания. Искаженный выходной сигнал отображается на осциллографе в виде треугольной волны. Скорость нарастания нарастания может быть измерена и рассчитана непосредственно на дисплее осциллографа

    Рисунок 6 — Измерения скорости нарастания: Когда эффект скорости нарастания становится значительно большим, на осциллографе появляется вышеуказанный выходной сигнал.

Отчет и анализ ошибок:

  1. Входной ток смещения:
    Сравните оба измеренных значения входного тока смещения с номинальным значением, указанным в листе данных LM741. Сравните как среднее входное смещение, так и входные токи смещения с номинальными значениями. Кроме того, сравните измеренные значения Voffset, Gain (дБ) и CMRR (дБ) с номинальными значениями. Объясните большие ошибки.
  2. Входное напряжение смещения:
    Сравните измеренное входное напряжение смещения с номинальными значениями.Приведите процентную разницу в отчете.
  3. Скорость нарастания и ширина полосы:
    Сравните измеренную скорость нарастания и полосу пропускания с номинальными значениями, приведенными в таблицах данных. Дайте погрешность в процентах. Не забудьте использовать правильные листы данных для микросхем каждого из многих производителей.

Требуемое оборудование:

Деталь Кол-во
Биполярный источник питания 1
Генератор функций 1
Осциллограф 1
Резистор 100 Ом (1/4 Вт) 2
мкОм Резистор 2
Резистор 10 кОм 2
Резистор 100кОм 2
Резистор 200k 2
Резистор 1 МОм 3
Конденсатор 1 мкФ 2
Конденсатор 10 мкФ 2
5 кОм Pot 1
10 кОм Pot 1
Операционный усилитель LM741 2

Измерений:

В (3) (мВ) В (2) (мВ) ib + (нА) ib- (нА) iB + (нА) ioff (нА)
мкА741 (I)
мкА741 (II)
Таблица (I) — Измерения входного тока смещения и входного тока смещения, взятые из испытательной схемы макетной платы
Ri (Ом) Rfb (Ом) Vout (мВ) Vin (калибровочное смещение) (мкВ)
мкА741 (I)
мкА741 (II)
Таблица (II) — Измерения напряжения смещения, снятые с испытательной схемы макетной платы
Частота (Гц) ΔV (мВ) Δt (мкс) Скорость нарастания (расч.)
мкА741 (I)
мкА741 (II)
Таблица (III) — Скорости нарастания, измеренные с помощью испытательной схемы макетной платы
Вин (В) Vout (В) Частота (Гц)
мкА741 (I)
мкА741 (II)
Таблица (IV) — Измерения ширины полосы мощности, полученные от испытательной схемы макетной платы

КНИГА OP-AMP — Часть 2


В первом выпуске этой серии из четырех «операционных усилителей» описываются основные принципы работы обычных дифференциальных операционных усилителей напряжения (типичным примером является тип 741) и показаны некоторые базовые конфигурации схем, в которых они могут использоваться.В этой статье рассматриваются практические способы использования таких операционных усилителей в линейных усилителях и активных фильтрах.

При чтении этого эпизода обратите внимание на то, что все практические схемы сконструированы вокруг стандартного операционного усилителя типа 741 и работают от двух источников питания 9 В, но эти схемы обычно будут работать (без модификаций) с большинством операционных усилителей разности напряжения, и от любого источника постоянного тока в пределах рабочего диапазона этого операционного усилителя (с учетом возможных различий в схемах смещения смещения операционного усилителя).

ЦЕПИ ИНВЕРТИРУЮЩЕГО УСИЛИТЕЛЯ

На рисунке 1 показана практическая схема инвертирующего усилителя постоянного тока с общим коэффициентом усиления по напряжению (A), равным x10 (= 20 дБ), и с функцией обнуления смещения, которая позволяет установить выходной сигнал точно на ноль при подаче нуля на входе. Коэффициент усиления по напряжению и входное сопротивление определяются значениями R1 и R2 и могут быть изменены в соответствии с индивидуальными потребностями. При необходимости коэффициент усиления можно сделать переменным, используя последовательную комбинацию постоянного и переменного резистора вместо R2.Для оптимальной стабильности смещения R3 должен иметь значение, равное параллельным значениям R1 и R2.

РИСУНОК 1. Инвертирующий усилитель постоянного тока с функцией обнуления смещения и усилением x10 по напряжению.


Обратите внимание, что схема , рис. 1 будет продолжать работать, если будет удалена сеть обнуления смещения RV1, но ее выход может смещаться на величину, равную входному напряжению смещения операционного усилителя (обычно 1 мВ в цепи 741 ), умноженное на коэффициент усиления по напряжению (A) в замкнутом контуре, e.g., если схема имеет усиление x100, выходной сигнал может быть смещен на 100 мВ с применением нулевого входа.

Также обратите внимание, что полоса пропускания схемы равна значению f T (обычно 1 МГц в 741), деленному на значение «A», например, схема на рис. 1 дает полосу пропускания 100 кГц с усилением x10, или 10 кГц с усилением x100.

РИСУНОК 2. Инвертирующий усилитель переменного тока с усилением x10.


Схема Рисунок 1 может быть адаптирована для использования в качестве усилителя переменного тока, просто подключив блокирующий конденсатор последовательно с входной клеммой, как показано на Рисунок 2 .Обратите внимание, что в этом случае средство обнуления смещения не требуется и что (для оптимального смещения) R3 присваивается значение, равное R2.

ЦЕПИ НЕИНВЕРТИРУЮЩЕГО УСИЛИТЕЛЯ

Операционный усилитель можно использовать в качестве неинвертирующего усилителя постоянного тока с компенсацией смещения, используя соединения, показанные на рис. 3 , на котором показан усилитель x10. Как указано, коэффициент усиления по напряжению определяется соотношением R1 и R2. Если R1 присвоено значение ноль, коэффициент усиления упадет до единицы; в качестве альтернативы, если R2 имеет нулевое значение, коэффициент усиления равен коэффициенту усиления в разомкнутом контуре операционного усилителя.Таким образом, коэффициент усиления можно сделать регулируемым, заменив R1 потенциометром и подключив его ползунок к инвертирующему выводу операционного усилителя, как показано в схеме на , рис. 4 , в которой коэффициент усиления можно изменять в диапазоне от x1 до x101 через RV2.

РИСУНОК 3. Неинвертирующий усилитель постоянного тока с функцией обнуления смещения и усилением x10. РИСУНОК 4. Неинвертирующий усилитель постоянного тока с переменным усилением (от x1 до x101).


Обратите внимание, что — для правильной работы — входная (неинвертирующая) клемма каждой из этих цепей должна иметь путь постоянного тока к общей шине или шине нулевого напряжения; этот путь обеспечивается входным сигналом постоянного тока. В , рис. 3 , параллельные значения R1 и R2 в идеале (для оптимального смещения) должны иметь значение, равное сопротивлению источника входного сигнала.

Основной особенностью схемы неинвертирующего операционного усилителя является то, что она дает очень высокий входной импеданс.Теоретически этот импеданс равен входному сопротивлению разомкнутого контура (обычно 1M0 в биполярном 741), умноженному на A O / A. На практике значения входного импеданса в сотни МОм могут быть легко получены в цепях постоянного тока, например, в схемах , рис. 3, и , 4, .

Рисунок 5 показывает, как схема Рисунок 3 может быть модифицирована для использования в качестве неинвертирующего усилителя переменного тока x10 путем удаления цепи смещения смещения, подключения неинвертирующей клеммы к земле через резистор смещения R3 и подключения входа сигнал через блокирующий конденсатор.Обратите внимание, что резисторы регулировки усиления R1-R2 изолированы от земли через блокирующий конденсатор C2, который имеет незначительный импеданс на практических рабочих частотах; Таким образом, коэффициент усиления по напряжению определяется соотношением R1 и R2, но инвертирующий вывод операционного усилителя подвергается практически 100% отрицательной обратной связи по постоянному току, что дает схеме отличную стабильность постоянного тока. Для оптимального смещения R3 должен иметь то же значение, что и R1.

РИСУНОК 5.Неинвертирующий усилитель переменного тока x10 с входным сопротивлением 100 кОм. РИСУНОК 6. Неинвертирующий усилитель переменного тока x10 с входным сопротивлением 50 МОм.


Обратите внимание, что входной импеданс цепи , рис. 5, равен значению R3 и по практическим соображениям ограничен несколькими мегомами. На рисунке 6 показано, как можно модифицировать базовую схему для получения очень высокого входного импеданса (обычно 50 МОм).

Здесь позиции C2 и R2 транспонированы, а нижний конец R3 привязан к переходу C2-R2.Как следствие, на обоих концах резистора R3 появляются почти идентичные рабочие (переменные) напряжения сигнала, который, таким образом, пропускает незначительный ток сигнала и имеет кажущийся импеданс, который значительно увеличивается из-за этого действия «самозагрузки».

На практике входной импеданс схемы обычно ограничивается примерно 50 МОм из-за сопротивлений утечки гнезда операционного усилителя и печатной платы, к которой он подключен. Обратите внимание, что для оптимального смещения постоянного тока сумма значений R2 и R3 должна равняться R1. На практике значение R3 может отличаться от этого идеального до 30%, а фактическое значение 100 кОм может быть использовано в схеме Рисунок 6 , если это необходимо.

НАПРЯЖЕНИЕ СЛЕДУЮЩИХ ЦЕПЕЙ

Схема повторителя напряжения создает выходное напряжение, идентичное входному сигналу, но имеет очень высокий входной импеданс и очень низкий выходной импеданс. Схема фактически функционирует как неинвертирующий усилитель с единичным усилением и 100% отрицательной обратной связью. Рисунок 7 показывает идеализированную конструкцию прецизионного повторителя напряжения со смещением. Обратите внимание, что для оптимального смещения резистор обратной связи R1 должен иметь значение, равное сопротивлению источника входного сигнала.

На практике базовую схему Figure 7 часто можно значительно упростить. Например, устранение цепи смещения смещения добавляет ошибку всего в несколько мВ к выходу операционного усилителя. Опять же, значение резистора обратной связи R1 можно изменять от нуля до 100 кОм без значительного влияния на точность схемы.

РИСУНОК 7. Прецизионный повторитель постоянного напряжения с возможностью обнуления смещения. РИСУНОК 8.Повторитель переменного напряжения с входным сопротивлением 100 кОм.


Если используется операционный усилитель с низким значением f T (например, 741), значение R1 обычно можно уменьшить до нуля. Обратите внимание, однако, что многие операционные усилители с высоким коэффициентом усиления f T имеют тенденцию к нестабильности при использовании в режиме единичного усиления, и в таких случаях R1 следует задать значение 1k0 или больше, чтобы эффективно уменьшить нагрузку на схему. пропускная способность и, таким образом, повысить стабильность.

Рисунок 8 показывает версию повторителя напряжения для переменного тока.В этом случае входной сигнал блокируется по постоянному току через C1, а неинвертирующий вывод операционного усилителя связан с землей через R1, который определяет входное сопротивление схемы. В идеале резистор обратной связи R2 должен иметь то же значение, что и R1. Однако, если R2 имеет высокое значение, это может значительно уменьшить пропускную способность канала. Эту проблему можно решить, шунтируя R2 с C2, как показано пунктиром. Если последний метод используется с операционным усилителем «high f T », резистор R3 может быть подключен, как показано, для обеспечения стабильности схемы.

Если от повторителя переменного напряжения требуется очень высокий входной импеданс, его можно получить, используя базовую конфигурацию, показанную на рис. , рис. 9 , в котором R1 загружается с выхода операционного усилителя через C2, тем самым сопротивление почти до бесконечности. На практике эта схема может легко обеспечить входное сопротивление 50 МОм от операционного усилителя 741; этот предел устанавливается импедансом утечки разъема ИС операционного усилителя и печатной платы.

РИСУНОК 9.Повторитель переменного напряжения с входным сопротивлением 50 МОм без защитного кольца или 500 МОм с защитным кольцом.


Если требуется еще больший входной импеданс, область печатной платы, окружающая входной вывод операционного усилителя, должна быть снабжена напечатанным «защитным кольцом», которое приводится в действие с выхода операционного усилителя, как показано, чтобы импедансы утечки печатной платы и т. д. сами загружаются и повышаются до почти бесконечных значений. В этом случае схема Figure 9 дает входное сопротивление около 500 МОм при использовании с операционным усилителем 741 или даже больше, если используется операционный усилитель с полевым транзистором.

СЛЕДУЮЩИЕ ЦЕПИ С ТОКОВЫМ УСИЛИЕМ

Большинство операционных усилителей могут обеспечивать максимальные выходные токи всего в несколько миллиампер, и это предел управления током цепей повторителя напряжения на рисунках 9 . Однако токоподводящую способность повторителя напряжения можно легко увеличить, подключив простой или дополнительный каскад усилителя тока на эмиттерном повторителе между выходом операционного усилителя и конечной выходной клеммой схемы, как показано в базовых конструкциях на рис. Фигуры 10 и 11 .Обратите внимание, что переходы база-эмиттер транзисторов подключены к цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя, чтобы минимизировать влияние нелинейности перехода.

РИСУНОК 10. Однонаправленный повторитель постоянного напряжения с усиленным приводом выходного тока. РИСУНОК 11. Двунаправленный повторитель постоянного напряжения с усиленным приводом выходного тока.


Схема Рис. 10 может генерировать большие токи (через Q1), но может потреблять только относительно небольшие (через R1).Таким образом, эту схему можно рассматривать как однонаправленный, только положительный повторитель постоянного напряжения.

Схема , рис. 11 может как истощать (через Q1), так и принимать (через Q2) большие выходные токи, и ее можно рассматривать как двунаправленный (положительный и отрицательный) повторитель напряжения. В простой форме, показанной на схеме, схема создает значительные перекрестные искажения, когда выходное напряжение приближается к нулевому значению. Это искажение можно устранить соответствующим смещением Q1 и Q2.

На практике схемы Figure 10 и 11 имеют максимальную пропускную способность по току около 50 мА, эта цифра продиктована низкой номинальной мощностью указанных транзисторов.Большую емкость накопителя можно получить, используя альтернативные транзисторы.

ДОБАВИТЕЛИ И СУБТРАКТОРЫ

Рисунок 12 показывает схему аналогового сумматора постоянного напряжения с единичным усилением, который дает инвертированное выходное напряжение, равное сумме трех входных напряжений. Входные резисторы R1-R3 и резистор R4 обратной связи имеют одинаковые значения, поэтому схема действует как инвертирующий усилитель постоянного тока с единичным усилением между каждой входной клеммой и выходом. Ток, протекающий в R4, равен сумме токов R1 — R3, и, таким образом, инвертированное выходное напряжение равно сумме входных напряжений.В высокоточных приложениях схема может быть оснащена устройством обнуления смещения.

РИСУНОК 12. Инвертирующий сумматор постоянного тока с единичным усилением. РИСУНОК 13. Аудиомикшер Unity-gain.

Схема Рисунок 12 Схема показана с тремя входными соединениями, но на самом деле может иметь любое количество входов (каждый со значением, равным R1), но в этом случае значение R5 должно (для оптимального смещения) должны быть изменены, чтобы равняться параллельным значениям всех других резисторов.Если требуется, схему можно сделать так, чтобы коэффициент усиления по напряжению был больше единицы, просто увеличив значение резистора обратной связи R4. Схема может использоваться в качестве «звукового микшера» с несколькими входами путем объединения входных сигналов по переменному току и предоставления R5 того же значения, что и резистора обратной связи, как показано в схеме с четырьмя входами на , рис. 13, .

РИСУНОК 14. Дифференциальный усилитель постоянного тока с единичным усилением или вычитатель.


На рисунке 14 показана схема дифференциального усилителя постоянного тока с единичным усилением или аналогового вычитателя, в котором выходной сигнал равен разнице между напряжениями двух входных сигналов, т.е.е., равно e 2 — e 1 . В схеме этого типа значения компонентов выбираются так, чтобы R1 / R2 = R3 / R4, и в этом случае коэффициент усиления по напряжению A равен R2 / R1. Когда — в Рисунок 14 — R1 и R2 имеют равные значения, схема дает единое общее усиление и, таким образом, действует как аналоговый вычитатель.

СБАЛАНСИРОВАННАЯ ФАЗА-РАЗДЕЛИТЕЛЬ

Фазоразделитель имеет пару выходных клемм, которые выдают выходные сигналы, идентичные по амплитуде и форме, но с одним выходом, сдвинутым по фазе на 180 ° (т.е., перевернутый) относительно другого. Рисунок 15 показывает простой способ создания сбалансированного фазоделителя постоянного тока с единичным усилением с использованием пары 741 операционного усилителя.

РИСУНОК 15. Сбалансированный фазоделитель постоянного тока с единичным усилением.


Здесь IC1 действует как неинвертирующий усилитель с единичным усилением или повторитель напряжения и обеспечивает буферизованный выходной сигнал, идентичный входному.

Этот выход также обеспечивает входной сигнал для IC2, который действует как инвертирующий усилитель с единичным усилением, и обеспечивает второй выход, который инвертируется, но в остальном идентичен исходному входному сигналу.

АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ

Цепи фильтров

используются для подавления нежелательных частот и пропускания только тех, которые требуются разработчиком. Простой фильтр нижних частот R-C ( Рисунок 16 (a) ) пропускает низкочастотные сигналы, но отклоняет высокочастотные.

Выходной сигнал падает на 3 дБ при частоте «разрыва» или «кроссовера» (f C ) 1 / 2πRC), а затем падает со скоростью 6 дБ / октаву (= 20 дБ / декаду), поскольку частота увеличился (см. Рисунок 16 (b) ). Таким образом, простой фильтр 1 кГц дает примерно 12 дБ подавления сигнала 4 кГц и 20 дБ — сигнала 10 кГц.

РИСУНОК 16. Схема и характеристики простых R-C фильтров 1-го порядка.


Простой фильтр верхних частот R-C ( Рисунок 16 (c) ) пропускает высокочастотные сигналы, но отклоняет низкочастотные. Выходной сигнал уменьшается на 3 дБ при частоте прерывания 1 / 2πRC), а затем падает со скоростью 6 дБ / октаву, когда частота уменьшается ниже этого значения ( Рисунок 16 (d) ). Таким образом, простой фильтр 1 кГц дает примерно 12 дБ подавления сигнала 250 Гц или 20 дБ сигнала 100 Гц.

Каждая из двух вышеупомянутых схем фильтров использует один каскад R-C и известна как фильтр «1-го порядка». Если несколько (n) одинаковых фильтров эффективно каскадированы, результирующая схема известна как фильтр «n-го порядка» и имеет крутизну выходного сигнала, превышающую f C , (n x 6 дБ) / октаву.

Таким образом, фильтр нижних частот 4-го порядка 1 кГц имеет крутизну 24 дБ / октаву и дает 48 дБ подавления для сигнала 4 кГц и 80 дБ для сигнала 10 кГц.

Один из способов эффективного каскадирования таких фильтров — подключить их к цепям обратной связи подходящих усилителей на операционных усилителях; такие схемы известны как «активные фильтры», и На рисунках 17, 23 показаны практические примеры некоторых из них.

ЦЕПИ АКТИВНОГО ФИЛЬТРА

Рисунок 17 показывает практическую схему и формулу максимально плоского (Баттерворта) фильтра нижних частот 2-го порядка с единичным усилением и частотой прерывания 10 кГц. Его выходной сигнал падает с частотой 12 дБ / октаву выше 10 кГц и примерно на 40 дБ ниже на частоте 100 кГц и так далее. Чтобы изменить частоту прерывания, просто измените значение R или C пропорционально соотношению частот относительно Рисунок 17 ; уменьшите значения на это соотношение, чтобы увеличить частоту, или увеличьте их, чтобы уменьшить ее.Таким образом, для работы с частотой 4 кГц увеличьте значения R в соотношении 10 кГц / 4 кГц, или в 2,5 раза.

РИСУНОК 17. Активный фильтр нижних частот 2-го порядка 10 кГц с единичным усилением. РИСУНОК 18. Версия «Равные компоненты» активного фильтра нижних частот 10 кГц 2-го порядка.


Незначительная загвоздка схемы Figure 17 заключается в том, что одно из ее значений C должно быть в два раза больше значения другого, и это может потребовать нечетных значений компонентов. Рисунок 18 показывает альтернативную схему фильтра нижних частот 2-го порядка 10 кГц, которая преодолевает эту загвоздку и использует равные значения компонентов. Обратите внимание, что операционный усилитель спроектирован так, чтобы обеспечивать усиление по напряжению (в данном случае 4,1 дБ) через резисторы R1 и R2, которые должны иметь указанные значения.

РИСУНОК 19. Фильтр нижних частот 4-го порядка 10 кГц.


На рисунке 19 показано, как два из этих «равных компонентных» фильтра могут быть включены в каскад для создания фильтра нижних частот 4-го порядка с крутизной 24 дБ / октаву.Обратите внимание, что в этом случае резисторы R1 / R2, определяющие усиление, имеют отношение 6,644, а R3 / R4 имеют отношение 0,805, что дает общий коэффициент усиления по напряжению 8,3 дБ. Нечетные значения R2 и R4 можно компенсировать последовательным соединением 5% резисторов.

РИСУНОК 20. Фильтр верхних частот 100 Гц 2-го порядка с единичным усилением. РИСУНОК 21. Версия «Равные компоненты» фильтра верхних частот 100 Гц 2-го порядка.


На рисунках 20 и 21 показаны версии с единичным усилением и «равные компоненты» соответственно фильтров верхних частот 100 Гц 2-го порядка, а Рисунок 22 показывает фильтр верхних частот 100 Гц 4-го порядка.Рабочие частоты этих цепей, а также частоты , рисунки 18, и , 19, , могут быть изменены точно так же, как в , рисунок 17, , т. Е. Путем увеличения значений R или C для уменьшения частоты прерывания, или наоборот.

РИСУНОК 22. Фильтр верхних частот 100 Гц 4-го порядка.


Наконец, чтобы завершить эту часть серии, Рисунок 23 показывает, как Рисунок 21 ВЧ и Рисунок 18 ФНЧ могут быть подключены последовательно, чтобы получить (с подходящим значением компонента изменения) с 300 Гц на 3.Речевой фильтр 4 кГц, обеспечивающий подавление 12 дБ / октаву для всех сигналов вне этого диапазона.

РИСУНОК 23. Речевой фильтр от 300 Гц до 3,4 кГц с откликом 2-го порядка.


В случае фильтра верхних частот значения C в рис. 21 уменьшаются в три раза, чтобы увеличить частоту прерывания со 100 Гц до 300 Гц и, в случае фильтра нижних частот. фильтра, значения R в Рисунок 18 увеличиваются в 2 раза.94, чтобы уменьшить частоту прерывания с 10 кГц до 3,4 кГц. NV

В следующий раз мы рассмотрим практические генераторы на операционных усилителях и схемы переключения в третьей части этой серии из четырех частей.


% PDF-1.6 % 1120 0 объект > эндобдж xref 1120 83 0000000016 00000 н. 0000002549 00000 н. 0000002684 00000 н. 0000002884 00000 н. 0000002922 00000 н. 0000002971 00000 н. 0000003027 00000 н. 0000003063 00000 н. 0000003339 00000 н. 0000003448 00000 н. 0000003560 00000 н. 0000003669 00000 н. 0000003781 00000 н. 0000003888 00000 н. 0000004000 00000 н. 0000004084 00000 н. 0000004165 00000 н. 0000004247 00000 н. 0000004329 00000 н. 0000004411 00000 н. 0000004493 00000 н. 0000004575 00000 н. 0000004657 00000 п. 0000004739 00000 н. 0000004821 00000 н. 0000004903 00000 н. 0000004984 00000 н. 0000005197 00000 н. 0000005334 00000 п. 0000006037 00000 п. 0000006430 00000 н. 0000006654 00000 н. 0000006733 00000 н. 0000007817 00000 н. 0000008739 00000 н. 0000009268 00000 н. 0000009498 00000 п. 0000010575 00000 п. 0000010614 00000 п. 0000011743 00000 п. 0000012140 00000 п. 0000012697 00000 п. 0000012938 00000 п. 0000013174 00000 п. 0000014331 00000 п. 0000015447 00000 п. 0000015888 00000 п. 0000016324 00000 п. 0000016708 00000 п. 0000016967 00000 п. 0000017212 00000 п.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *