Входной ток операционного усилителя. Входные токи операционных усилителей: причины возникновения и методы минимизации

Каковы основные причины возникновения входных токов в операционных усилителях. Как менялись методы снижения входных токов в процессе развития технологии ОУ. Какие современные подходы позволяют минимизировать входные токи до фемтоамперного уровня.

Эволюция технологий операционных усилителей и снижение входных токов

Уровень входных токов операционных усилителей (ОУ) значительно снижался по мере развития технологий их производства:

• Первые интегральные ОУ на биполярных транзисторах имели входные токи 20 нА — 10 мкА
• Применение полевых транзисторов с p-n переходом (JFET) позволило снизить токи до 100 пА
• Использование МОП-транзисторов обеспечило дальнейшее снижение токов на несколько порядков

Однако применение МОП-транзисторов породило проблему их чувствительности к электростатическим разрядам, что потребовало разработки специальных схем защиты входов ОУ.

Основные причины возникновения входных токов в современных ОУ

В современных операционных усилителях на МОП-транзисторах основными причинами возникновения входных токов являются:

1. Токи утечки защитных диодов от электростатических разрядов (ESD-диодов)
2. Токи смещения входных МОП-транзисторов
3. Токи утечки через подложку и изоляцию кристалла

При этом токи утечки ESD-диодов часто являются доминирующей составляющей суммарного входного тока ОУ.

Зависимость входных токов от синфазного напряжения

Входные токи современных ОУ сильно зависят от синфазного входного напряжения. Это объясняется тем, что токи утечки ESD-диодов экспоненциально возрастают при увеличении напряжения на p-n переходе диода.

Типичная зависимость входного тока от синфазного напряжения имеет V-образную форму с минимумом вблизи нуля синфазного напряжения. При увеличении модуля синфазного напряжения входной ток может возрастать на несколько порядков.

Влияние температуры на входные токи

Температура оказывает значительное влияние на уровень входных токов ОУ:

• Токи утечки ESD-диодов примерно удваиваются при повышении температуры на каждые 10°C
• Токи смещения входных МОП-транзисторов также возрастают с ростом температуры
• Токи утечки через подложку и изоляцию экспоненциально зависят от температуры

В результате суммарный входной ток ОУ может увеличиваться в десятки раз при нагреве от комнатной температуры до максимальной рабочей.

Современные методы минимизации входных токов

Для снижения входных токов современных ОУ до фемтоамперного уровня применяются следующие методы:

• Оптимизация конструкции и технологии изготовления входных МОП-транзисторов
• Использование охранных колец для снижения токов утечки через подложку
• Применение схем компенсации входных токов
• Создание эквипотенциальных узлов во входных цепях для подавления токов утечки ESD-диодов

Последний метод, основанный на законе Ома, позволил создать ОУ с рекордно низкими входными токами на уровне единиц фемтоампер.

Операционный усилитель LMP7721 с ультранизкими входными токами

Одним из самых совершенных на сегодняшний день операционных усилителей с ультранизкими входными токами является LMP7721 компании National Semiconductor. Его ключевые параметры:

• Максимальный входной ток: 3 фА при 25°C
• Напряжение смещения: 150 мкВ (типовое)
• Температурный дрейф напряжения смещения: 1.5 мкВ/°C
• Входной шум: 6.5 нВ/√Гц на частоте 1 кГц
• Полоса единичного усиления: 17 МГц

Столь низкие входные токи достигнуты благодаря применению запатентованного метода создания эквипотенциальных узлов во входных цепях усилителя.

Принцип работы схемы подавления входных токов в LMP7721

Суть метода подавления входных токов в LMP7721 заключается в следующем:

1. Во входных цепях усилителя создаются дополнительные узлы, потенциал которых принудительно поддерживается равным потенциалу соответствующего входа
2. ESD-диоды подключаются не напрямую к входам, а к этим дополнительным узлам
3. Согласно закону Ома, между точками с равным потенциалом ток не протекает
4. В результате токи утечки ESD-диодов оказываются изолированными от входов усилителя

Данный метод позволяет снизить входные токи усилителя на несколько порядков по сравнению с традиционными схемами.

Области применения операционных усилителей с ультранизкими входными токами

Операционные усилители с входными токами на уровне единиц фемтоампер находят применение в следующих областях:

• Измерительная техника высокой точности
• Усилители фотодиодов
• Ионометрические измерения (pH-метры, иономеры)
• Электрометрические усилители
• Датчики газов
• Биомедицинские сенсоры
• Аналитическое оборудование для хроматографии и масс-спектрометрии

Такие усилители позволяют измерять чрезвычайно малые токи и заряды, недоступные для обычных операционных усилителей.

Заключение

Развитие технологий операционных усилителей позволило снизить их входные токи от микроампер до единиц фемтоампер. Ключевую роль в достижении столь низких токов сыграли:

• Применение МОП-транзисторов во входных каскадах
• Оптимизация конструкции и технологии изготовления микросхем
• Разработка новых схемотехнических решений для подавления паразитных токов

Современные операционные усилители с ультранизкими входными токами, такие как LMP7721, открывают новые возможности для создания высокочувствительной измерительной аппаратуры в различных областях науки и техники.

Практические операционные усилители — TINA и TINACloud Resources

Практические операционные усилители

Практические операционные усилители приближают их идеальный коллеги, но отличаются по некоторым важным аспектам. Разработчику схемы важно понимать различия между фактическими операционными усилителями и идеальными операционными усилителями, поскольку эти различия могут отрицательно влиять на характеристики схемы.

Наша цель — разработать детальную модель практического операционного усилителя — модель, учитывающую наиболее важные характеристики неидеального устройства. Начнем с определения параметров, используемых для описания практических операционных усилителей. Эти параметры указаны в листах технических данных, предоставляемых производителем операционного усилителя.

В таблице 1 перечислены значения параметров для трех конкретных операционных усилителей, одним из трех которых является µA741. Мы используем операционные усилители µA741 во многих примерах и проблемах в конце главы по следующим причинам: (1) они были изготовлены многими производителями ИС, (2) они встречаются в больших количествах во всей электронной промышленности, и ( 3) они представляют собой операционные усилители общего назначения с внутренней компоновкой, и их свойства могут использоваться в качестве эталона для целей сравнения при работе с другими типами операционных усилителей. Поскольку различные параметры определены в следующих разделах, следует обратиться к таблице 9.1, чтобы найти типичные значения.

Таблица 1 — Значения параметров для операционных усилителей

Наиболее существенная разница между идеальным и реальным операционными усилителями заключается в коэффициенте усиления по напряжению. Идеальный операционный усилитель имеет усиление напряжения, которое приближается к бесконечности. Фактический операционный усилитель имеет конечное усиление напряжения, которое уменьшается с увеличением частоты (мы подробно рассмотрим это в следующей главе).

Увеличение напряжения в разомкнутом контуре 5.1 (G)

Коэффициент усиления по напряжению в разомкнутом контуре операционного усилителя представляет собой отношение изменения выходного напряжения к изменению входного напряжения без обратной связи. Коэффициент усиления по напряжению является безразмерной величиной. Символ G используется для обозначения усиления напряжения разомкнутой цепи. Операционные усилители имеют усиление высокого напряжения для низкочастотных входов. В спецификации операционного усилителя указано усиление напряжения в вольтах на милливольт или в децибелах (дБ) [определено как 20log₁₀(v_вне/v_in)].

5.2 Модифицированная модель операционного усилителя 

На рисунке 14 показана модифицированная версия идеализированной модели операционного усилителя. Мы изменили идеализированную модель, добавив входное сопротивление (R_i), выходное сопротивление (R_o) и синфазное сопротивление (R_cm).

Figure 14 — Модифицированная модель операционного усилителя

Типичные значения этих параметров (для операционного усилителя 741)

Теперь рассмотрим схему на рисунке 15, чтобы проверить производительность операционного усилителя. Инвертирующий и неинвертирующий входы операционного усилителя управляются источниками с последовательным сопротивлением. Выход операционного усилителя подается обратно на вход через резистор, R_F.

Источники, управляющие двумя входами, обозначены v_A и v₁и связанные последовательные сопротивления R_A и R₁, Если входная схема является более сложной, эти сопротивления можно рассматривать как эквиваленты Тевенина этой схемы.

Рисунок 15 — Схема операционного усилителя

5.3 Напряжение смещения на входе (В_io)

Когда входное напряжение идеального операционного усилителя равно нулю, выходное напряжение также равно нулю. Это не так для настоящего операционного усилителя. входное смещение напряжения, V_io, определяется как дифференциальное входное напряжение, необходимое для того, чтобы сделать выходное напряжение равным нулю. V_io ноль для идеального операционного усилителя. Типичное значение V_io для операционного усилителя 741 — 2 мВ. Ненулевое значение V_io нежелательно, потому что операционный усилитель усиливает любое входное смещение, таким образом вызывая больший выход dc ошибка.

Следующая методика может быть использована для измерения входного напряжения смещения. Вместо того, чтобы изменять входное напряжение, чтобы принудить выходной сигнал к нулю, вход устанавливается равным нулю, как показано на рисунке 16, и измеряется выходное напряжение.

Рисунок 16 — Методика измерения Vio

Выходное напряжение, возникающее в результате нулевого входного напряжения, называется выходное напряжение смещения постоянного тока. Входное напряжение смещения получается путем деления этой величины на коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя.

Эффекты входного напряжения смещения могут быть включены в модель операционного усилителя, как показано на рисунке 17.

В дополнение к входному напряжению смещения, идеальная модель операционного усилителя была дополнительно модифицирована с добавлением четырех сопротивлений. R_o это выходное сопротивление, входное сопротивление операционного усилителя, R_iизмеряется между инвертирующей и неинвертирующей клеммами. Модель также содержит резистор, соединяющий каждый из двух входов с землей.

Это синфазные сопротивленияи каждый равен 2R_cm, Если входы соединены вместе, как показано на рисунке 16, эти два резистора параллельны, а суммарное сопротивление Thevenin к земле R_cm, Если операционный усилитель идеален, R_i и R_cm приблизиться к бесконечности (то есть, разомкнутой цепи) и R_o ноль (т. е. короткое замыкание).

Рисунок 17 — Входное напряжение смещения

Внешняя конфигурация, показанная на рисунке 18 (a), может использоваться для нейтрализации влияния напряжения смещения. Переменное напряжение подается на инвертирующий входной терминал. Правильный выбор этого напряжения отменяет смещение входа. Аналогичным образом, рисунок 18 (b) иллюстрирует эту схему балансировки, примененную к неинвертирующему входу.

Рисунок 18 — Балансировка напряжения смещения

ЗАЯВЛЕНИЕ

Вы можете проверить балансировку напряжения смещения входа схемы 18 (a) путем имитации в режиме онлайн с помощью TINACloud Circuit Simulator, нажав на ссылку ниже.

Моделирование цепи балансировки входного смещения напряжения (a) с помощью TINACloud

Моделирование цепи балансировки входного смещения напряжения (a) с помощью TINACloud

ЗАЯВЛЕНИЕ

Вы можете проверить балансировку входного смещения схемы 18 (b) путем онлайн-моделирования с помощью TINACloud Circuit Simulator, нажав на ссылку ниже:

Моделирование схемы балансировки входного смещения напряжения (b) с TINACloud

Симуляция цепи балансировки входного смещения (b) с TINACloud

5.4 Входной ток смещения (I_{Смещение})

Хотя идеальные входы операционного усилителя не потребляют тока, фактические операционные усилители позволяют некоторому току смещения поступать на каждую входную клемму. I_{Смещение} это dc ток на входной транзистор, и типичное значение 2 мкА. Когда сопротивление источника низкое, I_{Смещение} имеет небольшой эффект, поскольку вызывает относительно небольшое изменение входного напряжения. Однако в цепях возбуждения с высоким сопротивлением малый ток может привести к большому напряжению.

Ток смещения может быть смоделирован как два потребителя тока, как показано на рисунке 19.

Рисунок 19 — Балансировка напряжения смещения

Значения этих поглотителей не зависят от полного сопротивления источника. ток смещения определяется как среднее значение двух текущих стоков. таким образом

(40)

Разница между двумя значениями поглотителя известна как входной ток смещения, I_ioи дается

(41)

И ток смещения на входе, и ток смещения на входе зависят от температуры. входной температурный коэффициент тока смещения определяется как отношение изменения тока смещения к изменению температуры. Типичное значение — 10 нА /^oC. входной сдвиг, текущий температурный коэффициент определяется как отношение изменения величины тока смещения к изменению температуры. Типичное значение -2nA /^oC.

Рисунок 20 — Модель тока смещения на входе

Входные токи смещения включены в модель операционного усилителя на рисунке 20, где мы предполагаем, что входной ток смещения незначителен.

То есть,

Рисунок 21 (a) — Схема

Мы анализируем эту модель, чтобы найти выходное напряжение, вызванное входными токами смещения.

На рисунке 21 (a) показана схема операционного усилителя, в которой инвертирующий и неинвертирующий входы соединены с землей через сопротивления.

Схема заменена ее эквивалентом на рисунке 21 (б), где мы пренебрегли V_io, Далее мы упростим схему на рисунке 21 (c), пренебрегая R_o и R_{загрузка}, То есть мы предполагаем R_F >> R_o и R_{загрузка} >> R_o, Требования к выходной нагрузке обычно обеспечивают соблюдение этих неравенств.

Схема далее упрощена на рисунке 21 (d), где последовательная комбинация зависимого источника напряжения и резистора заменена параллельной комбинацией зависимого источника тока и резистора.

Наконец, мы объединяем сопротивления и переключаем оба источника тока обратно на источники напряжения, чтобы получить упрощенный эквивалент рисунка 21 (e).

Рисунок 21 (b) и (c) — Входные эффекты смещения

Мы используем уравнение петли, чтобы найти выходное напряжение.

(43)

в котором

(44)

Синфазное сопротивление, R_cm, находится в диапазоне нескольких сотен Мом для большинства операционных усилителей. Следовательно

(45)

Если мы далее предположим, что G_o большое, уравнение (43) становится уравнением.

(46)

Рисунок 21 (d) и (e) — эффекты смещения на входе

Обратите внимание, что если значение R₁ выбирается равным, тогда выходное напряжение равно нулю. Из этого анализа мы заключаем, что dc сопротивление от V₊ на землю должен равняться dc сопротивление от V_– К земле, приземляться. Мы используем это баланс смещения ограничение много раз в наших проектах. Важно, чтобы как инвертирующие, так и неинвертирующие клеммы имели dc путь к земле, чтобы уменьшить влияние входного тока смещения.

Рисунок 22 — Конфигурации для примера 1

Пример 1

Найдите выходное напряжение для конфигураций рисунка 22, где I_B = 80 нА = 8 10^-8 A.
Решение: Мы используем упрощенную форму уравнения (46), чтобы найти выходные напряжения для схемы на рисунке 22 (a).

Для схемы рисунка 22 (б), мы получаем

ЗАЯВЛЕНИЕ

Кроме того, вы можете выполнить эти расчеты с помощью симулятора цепей TINACloud, используя инструмент интерпретатора, нажав на ссылку ниже.

Моделирование цепи моделирования тока смещения на входе с помощью TINACloud

Моделирование цепи моделирования тока смещения на входе с помощью TINACloud

5.5 Синфазный отказ

Операционный усилитель обычно используется для усиления разницы между двумя входными напряжениями. Поэтому он работает в дифференциальный режим. Постоянное напряжение, добавленное к каждому из этих двух входов, не должно влиять на разницу и, следовательно, не должно передаваться на выход. В практическом случае эта постоянная или среднее значение входов делает влияет на выходное напряжение. Если мы рассмотрим только равные части двух входов, мы рассматриваем то, что известно как общий режим.

Рисунок 23 — Общий режим

Предположим, что две входные клеммы фактического операционного усилителя соединены вместе, а затем с общим источником напряжения. Это показано на рисунке 23. В идеальном случае выходное напряжение будет равно нулю. В практическом случае этот вывод не равен нулю. Отношение ненулевого выходного напряжения к приложенному входному напряжению является усиление синфазного напряжения, G_cm, коэффициент отклонения синфазного режима (CMRR) определяется как отношение dc коэффициент усиления без обратной связи, G_o, для усиления общего режима. Таким образом,

(47)

Типичные значения CMRR варьируются от 80 до 100 дБ. Желательно, чтобы CMRR был как можно выше.

5.6 Коэффициент отклонения питания

Коэффициент отклонения источника питания является мерой способности операционного усилителя игнорировать изменения напряжения источника питания. Если выходной каскад системы потребляет переменную величину тока, напряжение питания может изменяться. Это вызванное нагрузкой изменение напряжения питания может привести к изменениям в работе других усилителей, использующих тот же источник питания. Это известно как наводоки это может привести к нестабильности.

Освободи Себя коэффициент отклонения питания (PSRR) коэффициент изменения v_вне к общему изменению напряжения питания. Например, если положительный и отрицательный источники питания изменяются от ± 5 В до ± 5.5 В, общее изменение составляет 11-10 = 1 В. PSRR обычно указывается в микровольтах на вольт или иногда в децибелах. Типичные операционные усилители имеют PSRR около 30 мкВ / В.

Чтобы уменьшить изменения напряжения питания, источник питания для каждой группы операционных усилителей должен быть разъединены (то есть изолированные) от других групп. Это ограничивает взаимодействие одной группой операционных усилителей. На практике каждая печатная плата должна иметь обводные линии питания, заземленные через керамический конденсатор 0.1-мкФ или танталовый 1-мкФ. Это гарантирует, что колебания нагрузки не будут значительно подаваться за счет подачи на другие карты.

5.7 Выходное сопротивление

В качестве первого шага в определении выходного сопротивления, R_внемы находим эквивалент тевенина для части схемы операционного усилителя, показанной в рамке, показанной пунктирными линиями на рисунке 24. Обратите внимание, что мы игнорируем ток и напряжение смещения в этом анализе.

(24)

Поскольку в схеме нет независимых источников, эквивалентное напряжение Тевенина равно нулю, поэтому схема эквивалентна одиночному резистору. Номинал резистора не может быть определен с помощью комбинации резисторов. Чтобы найти эквивалентное сопротивление, предположим, что к выходным выводам приложен источник напряжения v. Затем мы вычисляем результирующий ток, iи принять соотношение v/i, Это приводит к сопротивлению Тевенину.

Рисунок 25 (часть а) — Эквивалентные схемы Тевенина

Рисунок 25 (часть б)

 

 

 

 

 

 

 

На рисунке 25 (a) показан источник приложенного напряжения. Схема упрощена до той, что показана на рисунке 25 (б).

Схема может быть дополнительно уменьшена до показанной на рисунке 25 (c), где мы определяем два новых сопротивления следующим образом:

(48)

Мы делаем предположение, что Р’_A<< (Р’₁ + R_i) и R_i >> Р’₁, Упрощенная схема результатов рисунка 25 (d).

Дифференциальное входное напряжение, v_d, найдено из этой упрощенной схемы с использованием отношения делителя напряжения.

(49)

Чтобы найти выходное сопротивление, мы начнем с написания уравнения выходного контура.

(50)

Рисунок 25 (части c и d) — Сокращенные эквивалентные схемы Тевенина

Выходное сопротивление затем определяется уравнением (51).

(51)

В большинстве случаев, R_cm настолько велика, что Р’_A»R_A и R₁«»R₁, Уравнение (51) можно упростить, используя усиление напряжения нулевой частоты, G_o, Результатом является уравнение (52).

(52)

ЗАЯВЛЕНИЕ

Вы можете рассчитать выходной импеданс схемы 25 (a) с помощью моделирования схемы с помощью TINACloud Circuit Simulator, щелкнув ссылку ниже.

Выходной импеданс имитации схемы операционного усилителя с TINACloud

Выходной импеданс имитации схемы операционного усилителя с TINACloud

 

Пример 2

Найдите выходное сопротивление буфера с единичным усилением, как показано на рисунке 26.

Рисунок 26 — буфер усиления Unity

 

Решение:  Когда схема рисунка 26 сравнивается с цепью обратной связи рисунка 24, мы находим, что

Следовательно,

Уравнение (51) использовать нельзя, поскольку мы не уверены, что в этом случае применимы неравенства, приводящие к упрощению рисунка 25 (c). То есть упрощение требует, чтобы

Без этого упрощения схема принимает форму, показанную на рисунке 27.

Рисунок 27 — Эквивалентная схема для буфера усиления Unity

Эта схема анализируется, чтобы найти следующие отношения:

В первом из этих уравнений мы предположили, что R_o<< (Р’₁+R_i) << 2R_cm, Выходное сопротивление тогда дается

Где мы снова используем усиление напряжения нулевой частоты, G_o.

 

ПРЕДЫДУЩАЯ- 4. Технические характеристики производителейСЛЕДУЮЩАЯ — 6. Компьютерное моделирование ОУ

AD549 Техническое описание и информация о продукте

Особенности и преимущества

• Крайне низкий входной ток смещения
  • 60 фА, макс. (AD549L)
  • 100 фА, макс. (AD549K)
  • 250 фА, макс. (AD549J)
• Гарантированная величина входного тока смещения в диапазоне синфазных напряжений
• Низкое напряжение смещения
  • 0.50 мВ, макс. (AD549K)
  • 1 мВ, макс. (AD549J)
• Малый дрейф напряжения смещения
  • 15 мкВ/°C, макс. (AD549K)
  • 20 мкВ/°C, макс. (AD549J)
• Низкое энергопотребление
  • Потребляемый ток 700 мкА, макс.
• Низкое входное напряжение шума
  • Полный размах 4 мкВ в полосе от 0.1 Гц до 10 Гц
• Доступны компоненты, отвечающие стандарту MIL-STD-883B

Подробнее о продукте

AD549 – это монолитный электрометрический операционный усилитель с крайне низким входным током смещения. Для поддержания повышенной точности компонент подвергается лазерной подгонке входного напряжения смещения и дрейфа входного напряжения смещения. Крайне низкий входной ток достигается за счет технологии изготовления полевых транзисторов с управляющим p-n переходом (JFET) “Topgate”, разработанной компанией Analog Devices. Эта технология позволяет изготавливать JFET транзисторы, которые обладают крайне низким входным током, и при этом совместимы со стандартной технологией изготовления биполярных транзисторов с биполярным переходом. Архитектура входного каскада обеспечивает высокий входной импеданс (10

15 Ом), фактически гарантируя независимость входного тока от синфазного напряжения.

AD549 подходит для применения в задачах, в которых требуются очень низкий входной ток и малое входное напряжение смещения Он превосходно работает в качестве предварительного усилителя разнообразных датчиков с выходом тока, например, фотодиодов, фотоэлектронных умножителей или датчиков кислорода. AD549 также может быть использован в качестве прецизионного интегратора или усилителя выборки и хранения с малым уходом напряжения. Компонент совместим по выводам со стандартными электрометрическими операционными усилителями и операционными усилителями на полевых транзисторах, что позволяет разработчикам модернизировать существующие системы, затрачивая минимальные средства.

AD549 выпускается в герметичном корпусе TO-99. Металлический корпус соединен с выводом 8 и, таким образом, может независимо подключаться к точке с тем же потенциалом, что и входные выводы, за счет чего минимизируется паразитная утечка на корпус. AD549 выпускается в четырех версиях с разными градациями показателей. Версии J, K и L работают в коммерческом температурном диапазоне от 0°C до +70°C. Версия S работает в военном температурном диапазоне от −55°C до +125°C и доступна в исполнении, соответствующем стандарту MIL-STD-883B, Rev. C. Также доступны компоненты с повышенной надежностью, проходящие контроль по технологии PLUS. Эта технология контроля включает в себя испытания термоциклированием в течение 168 часов, а также другие испытания физическими и климатическими воздействиями в соответствии со стандартом MIL-STD-883B, Rev. C.

Ключевые особенности продукта

1. Заявленные в спецификации входные токи AD549 подвергаются 100-процентному тестированию. Их величина гарантируется после прогрева компонента во всем диапазоне входных синфазных напряжений.
2. Устанавливаемые при помощи лазерной подгонки входное напряжение смещения и дрейф напряжения смещения AD549 не превышают 0.25 мВ/5 мкВ/°C (AD549K), и 1 мВ/20 мкВ/°C (AD549J).
3. Максимальный потребляемый в рабочем состоянии ток питания равен 700 мкА, благодаря чему минимизируется влияние эффектов нагрева на входной ток и напряжение смещения.
4. Компонент обладает шириной полосы при единичном усилении, равной 1 МГц, и скоростью нарастания 3 В/мкс. Время установления в пределах погрешности 0.01% составляет 5 мкс при ступенчатом изменении входного напряжения на 10 В.

Области применения

• Электрометрические усилители
• Предварительные усилители сигналов фотодиодов
• Буферы электродов для измерения pH

Как сделать «идеальный» операционный усилитель, или О том, как бывает полезно помнить закон Ома — Компоненты и технологии

Статья посвящена одному из последних достижений компании National Semiconductor в области совершенствования характеристик интегральных операционных усилителей. Рассмотрен новый метод подавления входных токов операционных усилителей и описана микросхема LMP7721 — прецизионный операционный усилитель с ультранизкими входными токами, в котором использован этот метод. Идею метода «подсказал» Георг Ом.

Введение

На первый взгляд, какая связь между законом Ома и операционными усилителями? О законе Ома слышал каждый старшеклассник. Некоторые из них даже могут его сформулировать, хотя автору доводилось встречать студентов технического университета, которые затруднялись это сделать. Операционные усилители, наоборот, известны только специалистам в области аналоговой электроники. В 1826 году, когда никому еще тогда не известный немецкий ученый Георг Ом опубликовал результаты своих исследований в области электричества, такое сложное устройство, как операционный усилитель, никто и представить себе не мог. Тем не менее, следствие из математического уравнения, известного нам как закон Ома, имеет самое прямое отношение к новейшему операционному усилителю LMP7721, анонсированному компанией National Semiconductor в марте 2008 года. Метод подавления входных токов, используемый в LMP7721, заключается в том, что во входных цепях усилителя искусственно создаются эквипотенциальные узлы, между которыми, как следует из закона Ома, не протекает электрический ток.

Причины возникновения входных токов операционных усилителей

На уровень входных токов операционного усилителя, вне зависимости от конкретного типа микросхемы, оказывают влияние следующие основные факторы: схемотехника входных цепей усилителя, характеристики компонентов, на которых выполнен входной каскад усилителя, синфазное входное напряжение усилителя и температура окружающей среды.

Интегральные операционные усилители первого поколения были построены на биполярных транзисторах. Наиболее распространенный тип усилителя того времени — это трехкаскадный усилитель с дифференциальным усилительным каскадом на входе и эмиттерным повторителем на выходе. Входные токи такого усилителя являются базовыми токами биполярных транзисторов и обычно лежат в пределах от 20 нА до 10 мкА [1]. В качестве примера можно привести самый первый интегральный операционный усилитель μA702 (Fairchild Semiconductor), который был разработан Робертом Видларом в 1964 году [2]. Типовое значение среднего входного тока этого усилителя равно 1,2 мкА при температуре окружающей среды +25 °C и напряжениях положительного и отрицательного источников питания +6 и –3 В соответственно, а максимальные входные токи при тех же условиях могут достигать 3,5 мкА.

В конце 1970-х годов были созданы операционные усилители на принципиально новой элементной базе. Во входных каскадах вместо биполярных транзисторов стали применять полевые транзисторы с p—n-переходом (JFET), благодаря чему удалось снизить входные токи менее чем до 1 нА. Например, у усилителя μA740 (Fairchild Semiconductor) типовое значение входного тока равно 100 пА.

В начале 1980-х годов во входных каскадах операционных усилителей стали использовать полевые транзисторы с изолированным затвором — МОП полевые транзисторы (MOSFET). Это позволило снизить входные токи усилителей еще на несколько порядков, но породило новую проблему. Оказалось, что МОП полевые транзисторы очень уязвимы к электростатическим разрядам и поэтому нуждаются в специальной защите. Если не принять никаких защитных мер, то даже сравнительно небольшое входное напряжение, например 10 В, может вызвать необратимые повреждения микросхемы, в то время как электрический потенциал человека может достигать 1000 и более вольт [3].

На сегодняшний день эта проблема в основном решена [3, 4]. Разработаны достаточно простые и эффективные способы защиты микросхем с помощью внешних цепей, состоящих из резисторов, диодов, стабилитронов и ряда других пассивных компонентов. Многие современные операционные усилители имеют встроенные ограничительные диоды (в дальнейшем — «ESD-диоды»), которые служат для защиты входных цепей от электростатического разряда, а заодно предохраняют входы усилителя от любых перенапряжений в процессе эксплуатации (рис. 1). Далее под словами «операционный усилитель» (или просто «усилитель») подразумевается интегральная микросхема именно такого типа, то есть с МОП-транзисторами во входном усилительном каскаде и со встроенными ESD-диодами.

К сожалению, ESD-диоды, выполняющие вспомогательную функцию, являются одной из главных причин возникновения входных токов современного операционного усилителя. Под действием обратных напряжений, приложенных к диодам, через них протекают токи, величина которых зависит от вида вольт-амперных характеристик диодов, приложенных к диодам напряжений и температуры.

Если пренебречь токами утечки, протекающими через материал диэлектрика между любым из входных выводов микросхемы и другими ее выводами (как по корпусу самой микросхемы, так и по печатной плате), то, как следует из первого закона Кирхгоффа, входной ток I_IN усилителя (рис. 2) будет описываться следующим выражением:

где I₁ и I₂ — обратные токи диодов D1 и D2 соответственно, а I_G — ток утечки затвора входного МОП-транзистора, на величину которого оказывают влияние проводимость изолятора затвора и туннельный эффект в изоляторе, что приводит к дополнительному току утечки между затвором и каналом транзистора.

Детальное описание природы туннельного тока затвора МОП-транзистора можно найти в работе [5], а также в тех публикациях, на которые ссылаются авторы работы. В данной статье речь пойдет только о той составляющей входного тока усилителя, которая обусловлена обратными токами ESD-диодов.

Чтобы представить себе порядок входных токов современных операционных усилителей, обратимся к таблице 1. В ней приведены типовые значения параметров нескольких прецизионных усилителей двух производителей, входящих в группу мировых лидеров в области производства этих компонентов, — National Semiconductor и Analog Devices. Отбор микросхем был проведен по следующему алгоритму. Сначала в программе поставок каждого из производителей [6, 7] были выбраны одноканальные усилители с КМОП входами и нижним пределом напряжения питания не более 5 В. Затем элементы каждой группы были расставлены в порядке возрастания типового значения входного тока (при напряжении питания +5 В, синфазном напряжении +2,5 В и температуре +25 °C) и отброшены те микросхемы, у которых интересующий нас параметр превышает 300 фА. Наконец, из каждой группы были отобраны по три усилителя с минимальным типовым значением напряжения смещения. При равенстве напряжений смещения выбор был сделан в пользу того усилителя, у которого шире полоса пропускания. В результате получился список из шести микросхем, которые по своим входным характеристикам в наибольшей степени (с поправкой на субъективность критериев отбора) соответствуют так называемому «идеальному» усилителю — абстрактной модели операционного усилителя, используемой в аналоговой схемотехнике для упрощения анализа электрических цепей. Как известно, у идеального усилителя входные токи (а также напряжение смещения, температурный дрейф и ряд других параметров) равны нулю. А теперь сравним данные, приведенные в таблице 1, с параметрами вышеупомянутой микросхемы μA702, у которой типовой средний входной ток равен 1,2 мкА, а разность входных токов — 120 нА. Результаты сравнения показывают, каких успехов достигли производители аналоговых интегральных микросхем менее чем за 45 лет развития этой отрасли. У «худшего» из представленных в таблице 1 современных усилителей входной ток в 4 миллиона раз, а разность входных токов в 600 тысяч раз ниже, чем у μA702.

Таблица 1. Входные токи современных операционных усилителей (V_S = 5 В, V_CM = V_S/2)

При сравнении современных операционных усилителей между собой следует обратить внимание на четвертую колонку таблицы 1: у большинства усилителей входные токи при комнатной температуре могут достигать 1 пА и только у одного из них (LMP7721) значение этого параметра в 50 раз ниже. Именно это обстоятельство и побудило автора написать несколько строк в дополнение к той информации о микросхеме LMP7721, которая уже опубликована на нескольких тысячах веб-сайтов различных компаний, имеющих отношение к миру электронных компонентов.

С математической точки зрения задача снижения входного тока операционного усилителя кажется достаточно простой. Как следует из равенства (1), если обеспечить выполнение условия:

то входной ток усилителя будет равен току утечки через изолированный затвор входного МОП-транзистора, то есть достигнет своего минимального значения, предельного для данного уровня технологии производства интегральных микросхем.

По своей природе каждый из токов I₁ и I₂ является обратным током, протекающим через p—n-переход, и может быть описан функцией двух переменных f(T, V), где T — температура перехода, а V — обратное напряжение, приложенное к переходу [8]. Функция f принимает нулевое значение в точке (T, 0) и при T = const является непрерывной монотонно возрастающей функцией переменной «V».

Поскольку диоды D1 и D2 (рис. 2) расположены на одном кристалле, они имеют практически одну и ту же температуру. Будем считать, что температура диодов равна температуре окружающей среды, то есть тепловой режим является установившимся, и внутри микросхемы отсутствует существенное выделение тепла, которое могло бы привести к перегреву кристалла по отношению к окружающей среде.

В отличие от температуры, напряжения, приложенные к диодам, равны только тогда, когда синфазное входное напряжение усилителя V_CM равно нулю при двухполярном симметричном питании или половине напряжения питания V_S при однополярном питании. При изменении синфазного входного сигнала падение напряжения на одном из диодов увеличивается, а на другом уменьшается.

В общем случае, вследствие технологического разброса характеристик, диоды D1 и D2 описываются разными функциями, которые обозначим, соответственно, f₁ и f₂. Тогда, в новых обозначениях и с учетом сделанного выше допущения о температуре диодов, при двухполярном симметричном питании усилителя (рис. 2) выражение (2) принимает вид:

где T_A — температура окружающей среды, V_CM — синфазное входное напряжение, V_S — напряжение питания усилителя.

При T_A = const, V_S = const и изменении V_CM в пределах от –V_S до +V_S функция f₂ монотонно возрастает от нуля до f₂(T_A, 2V_S), а функция f₁ монотонно убывает от f₁(T_A, 2V_S) до нуля. На границах отрезка [–V_S, +V_S] разность функций f₁–f₂ имеет значения разных знаков. Поскольку разность непрерывных функций также является непрерывной функцией, то, как утверждает теорема о прохождении непрерывной функции через нуль при смене знаков, на отрезке [–V_S, +V_S] существует точка, в которой f₁–f₂ = 0.

Очевидно, что если бы диоды D1 и D2 имели абсолютно идентичные вольт-амперные характеристики, то равенство их обратных токов достигалось бы в точке V_CM = 0 (V_CM = V_S/2 при однополярном питании), то есть тогда, когда к диодам приложены одинаковые обратные напряжения. В реальной жизни точка равновесия смещается от середины отрезка [–V_S, +V_S], причем ее положение изменяется в зависимости от температуры окружающей среды и напряжения питания.

Таким образом, изменение любой из трех величин—температуры, синфазного входного напряжения и напряжения питания—приводит к изменению разности обратных токов ESD-диодов, и, следовательно, к изменению входного тока операционного усилителя. Проиллюстрируем этот вывод на примере усилителя LMP7711, разработанного компанией National Semiconductor в 2006 году.

На рис. 3 и 4 приведены типовые зависимости входного тока усилителя LMP7711 от синфазного входного напряжения при четырех значениях температуры и постоянном напряжении питания +5 В (схема питания однополярная) [6]. На основании этих графиков построена таблица 2.

Таблица 2. Типовые характеристики операционного усилителя LMP7711

Графики и данные, приведенные в таблице 2, показывают, что при температуре –40 °C типовой входной ток усилителя LMP7711 не выходит за пределы ±100 фА при изменении синфазного напряжения в пределах от 0 до +3,4 B. При повышении температуры интервал синфазных напряжений, в котором входной ток находится в тех же пределах, что и при более низкой температуре, во-первых, сужается, а во-вторых, смещается середина этого интервала. Например, при +25 °C входной ток находится в пределах ±100 фА при изменении синфазного напряжения на интервале от +1,6 до +3,4 B, то есть на интервале +2,5 ±0,8 В, за границами которого входной ток может достигать значения ±500 фА и более. При температуре +85 °C изменение синфазного входного напряжения на 1 В на интервале от 0 до +4 В приводит к изменению входного тока в среднем на 5 пА, а при +125 °C — на 14 пА.

Из приведенных примеров можно сделать два важных вывода. Во-первых, такой параметр, как типовое значение входного тока, не отражает реальных свойств операционного усилителя в полном объеме, поскольку характеризует поведение усилителя только в окрестностях одной точки (T_A, V_CM), для которой он нормируется. А во-вторых, для того, чтобы приблизиться по своим входным характеристикам к идеальному усилителю, операционный усилитель должен сохранять низкие входные токи во всем рабочем температурном диапазоне и во всем диапазоне допустимых синфазных входных сигналов. Из всех упомянутых выше усилителей такими свойствами обладает только LMP7721. Методические основы построения входных цепей этого усилителя рассмотрены в следующем разделе.

Метод подавления входных токов операционного усилителя

Метод подавления входных токов операционного усилителя, предложенный специалистами компании National Semiconductor, заключается в минимизации тех составляющих входных токов, которые обусловлены обратными токами ESD-диодов. Метод базируется на трех «китах» — трех идеях, одну из которых условно можно назвать математической, вторую — электрической, а третью — схемотехнической.

Математическая идея метода тривиальна: для того, чтобы при любом значении T_A на отрезке от T_min до T_max и любом значении V_CM на отрезке от –V_S до V_S было справедливо тождество

достаточно, чтобы выполнялись условия:

где I₁ и I₂ — обратные токи ESD-диодов, подключенных к одному и тому же входу усилителя, T_A — температура окружающей среды, V_CM — синфазное входное напряжение усилителя, T_min — минимальная рабочая температура, T_max — максимальная рабочая температура, V_S — напряжение питания усилителя.

Электрическая идея является следствием закона Ома: если потенциалы анода и катода диода будут равны, то через диод не будет протекать электрический ток.

Схемотехническая идея заключается в том, чтобы вместо двух диодов (рис. 1) использовать для защиты каждого из входов усилителя две пары последовательно соединенных между собой диодов и вспомогательный повторитель напряжения, как показано на рис. 5. Задача повторителей напряжения — поддерживать равенство потенциалов узлов A и C и узлов B и D соответственно, при изменении синфазного входного сигнала.

Теоретически, при точном совпадении потенциалов указанных выше узлов, обратные токи диодов, которые непосредственно подключены к входам усилителя, равны нулю, то есть не зависят ни от синфазного входного напряжения, ни от температуры.

Предложенный метод прошел успешную апробацию. На его основе был создан уникальный операционный усилитель LMP7721, анонс которого состоялся 18 марта 2008 года. Высокие характеристики усилителя полностью подтвердили правоту заложенных в него теоретических идей. Типовое значение входного тока LMP7721 равно ±3 фА при температуре 25 °C. Много это или мало? На этот вопрос мы ответим немного позже. А пока рассмотрим LMP7721 более внимательно.

LMP7721 — прецизионный операционный усилитель с ультранизкими входными токами

Эту микросхему по праву можно отнести к числу выдающихся достижений компании National Semiconductor в области совершенствования характеристик операционных усилителей. На сегодняшний день LMP7721 имеет не только самое низкое типовое значение входных токов, но, что более важно, самые низкие, предельно допустимые (гарантированные) значения входных токов (табл. 1):

• ±20 фА при +25 °C,
• ±900 фА при +85 °C,
• ±5 пА при +125 °C.

Приведенные на рис. 6–8 графики типовых характеристик усилителя при различных значениях температуры показывают, что низкие входные токи сохраняются при изменении синфазного входного напряжения усилителя в очень широких пределах. Например, при 25 °C типовые входные токи не превышают 3 фА при изменении синфазного сигнала в пределах от нуля до 3,2 В.

Следует отметить, что, являясь лидером по одному из параметров, LMP7721 не уступает лучшим прецизионным усилителям по другим характеристикам. При температуре 25 °C и напряжении питания +5 В усилитель имеет параметры, представленные в таблице 3.

Таблица 3. Параметры усилителя LMP7721

Микросхема LMP7721 имеет 8-выводной корпус SOIC, но, в отличие от других одноканальных усилителей в таком же корпусе, LMP7721 имеет оригинальную цоколевку (рис. 9). Особое расположение выводов позволяет улучшить изоляцию между входными выводами микросхемы и остальными ее выводами (выходом и выводами питания), а также между входами микросхемы и внешними электрическими цепями, находящимися под другими потенциалами.

Минимизация токов утечки во входных цепях прецизионных усилителей

Когда речь идет о токах величиной несколько единиц фемтоампер, уже нельзя пренебрегать паразитными токами утечки, которые могут протекать между входами усилителя и другими электрическими цепями по корпусу микросхемы или по диэлектрическому материалу печатной платы.

Для предотвращения токов утечки в микросхеме LMP7721 приняты следующие конструктивные меры. Во-первых, входные выводы IN+ и IN– микросхемы расположены не рядом, как, например, у LMP2231 (рис. 9), а на противоположных сторонах корпуса, то есть на большем расстоянии друг от друга. Во-вторых, между входными выводами и выводами питания V+ и V– есть изолированные выводы N/C, которые не соединены ни с одной из внутренних цепей микросхемы. Такое расположение выводов позволяет создать вокруг входных выводов микросхемы охранную зону достаточно большой площади с помощью эквипотенциальных охранных колец (рис. 10).

Чтобы охранные кольца правильно выполняли свою функцию, нужно придерживаться следующих рекомендаций:

• входные выводы микросхемы должны располагаться внутри замкнутого охранного кольца, как показано на рис. 10;
• охранных колец должно быть два (на каждой стороне печатной платы), и они должны быть электрически соединены между собой;
• охранные кольца должны находиться под потенциалом, равным потенциалу того из входов усилителя, который имеет более низкоомную связь с аналоговой «землей»;
• не следует наносить защитную маску на области печатной платы, окруженные охранными кольцами (с обеих сторон платы).

Для подключения усилителя LMP7721 к выходу удаленного источника сигнала (например, к выходу высокоимпедансного датчика) рекомендуется [6] использовать триаксиальный (Triax) кабель и, если требуется, триаксиальные разъемы, которые имеют двойное экранирование. Внешние экраны кабеля и разъемов соединяются с общим входом усилителя, центральный провод подключается к сигнальному входу усилителя, а на внутренний (защитный) экран с помощью дополнительного повторителя напряжения подается потенциал, равный потенциалу второго входа усилителя (рис. 11). Благодаря такому подключению защитного экрана подавляются паразитные токи утечки через изоляцию кабеля и, следовательно, снижается составляющая аддитивной погрешности, обусловленная входным током усилителя и высоким внутренним сопротивлением источника входного сигнала.

Заключение

Вернемся к вопросу, заданному во второй части статьи: «3 фемтоампера — это много или мало?» Это всего 20 электронов за одну миллисекунду!

Литература

1. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергия, Ленинградское отделение, 1980.
2. Келл Г. Магические числа электроники: 702, 709, 741 // Новости электроники. 2007. № 14.
3. Garcia A., Freeman W. Overvoltage Effects On Analog Integrated Circuits. http://search.analog.com/search/default.aspx?query=ESD+prevention+manual&local=en
4. Bryant J., Kester W., Kitchin C., Nash E. Protecting Instrumentation Amplifiers. http://search.analog.com/search/default.aspx?query=ESD+prevention+manual&local=en
5. Мустафаев А. Г., Мустафаев А. Г. Материалы затворного диэлектрика для КМОП-технологии // Электронный научный журнал «Исследовано в России». http://zhurnal.ape.relarn.ru/ articles/2007/175.pdf
6. Справочно-информационный портал компании National Semiconductor по операционным усилителям. http://www.national.com/appinfo/amplifiers
7. Справочно-информационный портал компании Analog Devices. http://www.analog.com/en
8. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1984. Т. 1.

Электроника и микропроцессорная техника | Страница 9 из 12

Операционные усилители и преобразователи на их базе

Операционные усилители (ОУ) – исторически сложившееся название, связанное с использованием этих усилителей для моделирования операций. Они относятся к классу усилителей постоянного тока (УПТ) прямого усиления. Характерными особенностями ОУ являются: большой коэффициент усиления, большое входное и малое выходное сопротивления, широкая полоса пропускания, дифференциальный вход. Перечисленные свойства, а также интегральная технология изготовления сделали ОУ одним из основных компонентов современных аналоговых электронных схем. ОУ также нашли широкое применение и в импульсной технике в качестве компараторов, релаксационных генераторов. Основой ОУ является дифференциальный каскад типа балансного УПТ, рассмотренный выше.

Условное графическое обозначение ОУ и его основные выводы показаны на рис. 63, ОУ по отношению к нулевому уровню имеет два входа и один выход.

Вход I, обозначенный знаком «+», называют неинвертиртирующим. Выходное напряжение ОУ совпадает по знаку со входным напряжением на этом входе.

Вход 2, обозначенный знаком «-«, называют инвертирующим — выходное напряжение и входное напряжение на этом входе противоположны по знаку. Между входами 1 и 2 образуется дифференциальный вход усилителя.

Входы и выход ОУ обычно выполняют на нулевом уровне, т.е. в исходном состоянии, при отсутствии входного сигнала напряжения на входах и на выходе равны нулю. При подаче входного сигнала напряжение на выходе может как увеличиваться, так и уменьшаться. Для этого для питания ОУ используют, как правило, два разнополярных источника питания +U_Пи —U_Ппричём  |+U_П|=|-U_П|. Входное напряжение подают на один из входов, а на второй вход подают постоянный, например, нулевой потенциал или на оба входа подают два разных напряжения от двух раздельных источников (рис.64 а,б) . В обоих случаях на дифференциальном входе ОУ действует дифференциальный входной сигнал U_ВХ=U_ВХ2 — U_ВХ1. Этот сигнал может быть получен и от одного источника с незаземлённым выходом (рис. 64в).

Рис. 64. Схемы подачи входного сигнала на входы ОУ

Если входные напряжения U_ВХ1 и U_ВХ2 одинаковы и у них совпа­дают амплитуды и фазы, то их называют синфазными входными напря­жениями или синфазным сигналом U_ВХ.СХ.. При подаче синфазного сиг­нала входы I и 2 фактически являются объединёнными, и на них подаётся напряжение U_ВХ.СФ от общего источника (рис.65). Синфазные сигналы являются вредными и возникают в результате внеш­них наводок на цепи ОУ, при колебаниях напря­жений питания, окружающей температуры и т.д., поэтому синфазные сигналы иногда называют син­фазными помехами.

Рис. 65. Схема подачи синфазного сигнала

Общая структурная схема ОУ показана на рис.66. Для ОУ являются обязательными два, а иногда три, каскада усиления,  которые  обеспечивают большой  коэффициент усиления, каскад сме­щения или сдвига уровня, который обеспечивает на выходе нулевой потенциал при отсутствии входного сигнала, и выходной каскад, обеспечивающий малое выходное соп­ротивление ОУ. Кроме этих, общих для всех ОУ, функциональных узлов в конкретных типах ОУ дополнительно применяют входные и междука­скадные эмиттерные повторители, цепи защиты входа ОУ от перенапряжений и выхода ОУ от короткого замыкания, а также цепи внутренней кор­рекции частотной характеристики ОУ.

Рис. 66. Структурная схема операционного усилителя

В первом каскаде усиления применяют балансный УПТ с симметричным дифференциальным входом. Для увеличения входного сопротивления ОУ в первом каскаде используются составные транзисторы и режимы малых коллекторных и базовых токов. В некоторых ОУ для увеличения входного сопротивления применяют дополнительные входные каскады — эмиттерные повторители на биполярных транзисторах и истоковые повторители на полевых униполярных транзисторах. В качестве второго каскада усиления используют или балансный УПТ с несимметричным выходом или реостатный усилитель. Простейшим выходным каскадом ОУ является эмиттерный повторитель, работающий в линейном режиме.

При использовании в электронных устройствах ОУ почти всегда охвачен обратной связью. Именно в совокупности с цепями обратных связей ОУ образует определённый функциональный узел и выполняет заданные операции, поэтому необходимо различать параметры собственно ОУ, как отдельного элемента, и параметры узлов, выполненных на базе ОУ. На высоких частотах образуется фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями, дополнительный к заданному изменению фазы на 180°. Суммарный сдвиг фаз может достигнуть в усилителе с обрат­ной связью 360°, обратная связь станет положительной, и при достаточно большом коэффициенте усиления ОУ может самовозбудиться. В связи с этим в ОУ предусматривают цепи коррекции частотной характеристи­ки. Эти цепи создают ООС, которая уменьшает коэффициент усиления на высоких частотах. В большинстве ОУ предусмотрена внешняя коррекция при помощи внешних навесных элементов — резисторов и конденса­торов.  В некоторых ОУ коррекция выполнена внутри интегральной микросхемы. Во всех случаях при расширении полосы пропускания ОУ уменьшают его коэффициент усиления и, наоборот, при необходимости увеличить усиление сужают полосу.

Система параметров, характеризующих операционный усилитель, помимо приведенных выше общих для усилителей любого типа включает в себя ряд специфических
показателей, к ним относятся:

• Uсм-напряжение смещения (1-10мВ) – приведенное ко входу напряжение, необходимое для смещения амплитудной характеристики в начало координат, т.е.приведения к нулю выходного напряжения ОУ при отсутствии входных сигналов в нормальных климатических условиях, напряжение смещения подаётся на один из входов ОУ или на специальный вход при настройке схемы ,
• m= ? Uсм/⁰С – температурный коэффициент напряжения смещения (10-50 мкВ/⁰С),
• Iвх = (Iвх1+Iвх2)/2 – входной ток ОУ, определяемый как полусумма входных токов каждого входа (10-200 нА),
• ? Iвх= (Iвх1-Iвх2) –ток сдвига (1-100нА),
• n= ? ? Iвх/⁰С – температурный коэффициент тока сдвига (0,1-10 нА/⁰С),
• Ксф =Uвых.сф./Uвх.сф. –коэффициент передачи синфазного сигнала (1-10),
• Ксф.ос.=20lgК/Ксф (50-80 дб) –коэффициент ослабления синфазного сигнала, здесь К – собственный коэффициент усиления ОУ,
• V(10-50 В/мкс) – скорость нарастания напряжения на выходе ОУ при подаче на его вход прямоугольного импульса напряжения,
• ?гр.-граничная частота полосы пропускания при которой Коу падает до 0,7 своего значения при нулевой частоте входного сигнала (10 –50 КГц)
• F₁ – частота единичного усиления (1-10 МГц) при которой Коу уменьшается до1.

Параметры ?гр., F₁ позволяют определить реальную величину Коу на заданной частоте входного сигнала.

Примечание: в скобках указан примерный диапазон параметров, характерный для современных  ОУ различных типов. Кроме того. нормируются также предельно допустимые величины напряжений питания ОУ, входных дифференциального и синфазного напряжений.

В настоящее время используют несколько десятков различных функциональных узлов, выполненных на базе ОУ.

На рис. 67 показан инвертирующий усилитель. В исходном состоянии напряжение на входе и выходе усилителя равны нулю. Внешние резисторы R₁, R₂ образуют цепь ООС, резистор R₃ используют для компенса­ции влияния входных токов ОУ, являющихся одной из причин дрейфа выходного напряжения (механизм этого влияния будет рассмотрен ниже).

Рис. 67. Инвертирующий усилитель.

анализе схем с ОУ  используется понятие «идеальный ОУ», у которого К=? , R_ВХ=?, R_ВЫХ=0. Эти приближения позволяют сформулировать два правила для идеального ОУ: Uвх.дф.= Uвых/=0 (т.наз. эквипотенциальный нуль,  когда потенциалы инвертирующего и неинвертирующего входов  одинаковы, но сопротивление между ними очень велико) и Iвх = Uвх.дф/R_ВХ = Uвх.дф/? =0 ( ОУ по входам тока не потребляет).Эти правила существенно облегчают расчеты при приемлемом уровне погрешности, которая тем меньше, чем ближе параметры реального ОУ к идеальным, что имеет место у современных интегральных ОУ. Пользуясь указанными приближениями и основными выводами теории обратной связи , можно записать вместо очевидного соотношения  i₁ = i_ос + i_вх  уравнение i_1? i_ос  , т.к. R_ВХ=? и i_вх = 0, тогда получим напряжение обратной связи  и коэффициент обратной связи в виде:

; 

Далее можно условно считать, что  Rвх.ос. = Uвх/ i₁ = R_1, (т.к. Uвх.дф.=0), т.е. входное сопротивление схемы относительно невелико, что является особенностью инвертирующего ОУ. Внешний коэффициент усиления  Квнеш. (применяется также обозначение Кос) найдем из следующих очевидных для идеального ОУ соотношений:

i₁ = Uвх/R₁ ; i_ос= Uвых./R₂; i₁ = i_ос= Uвх/R₁= Uвых./R₂ и Квнеш.=  Uвых./ Uвх = —  R₂/ R₁

(знак «-»  отражает инвертирующие свойства данной схемы, в расчётах обычно не используется ). Выходное сопротивление схемы приблизительно равно Rвых.ос.=Rвых.ОУ/2. Указанным способом можно получить вполне приемлемые для инженерных расчётов основные параметры схемы усилителя, имея ввиду, что допущенные погрешности будут скомпенсированы на этапе наладки при практической реализации  схемы.

Если R₁=R₂, то K_ос=-1 , т.е. этот усилитель будет выполнять роль инвертора — устройства, изменяющего только знак вxoдного сигнала без изменения его величины.

На рис.68  показан неинвертирующий  усилитель. Здесь входной сигнал подают на неинвертирующий вход ОУ, сигнал на выхо­де имеет тот же знак. Так как в ОУ с ООС потенциалы входов V_А=V_Б , то на входе «б» при действии входного сигнала: U_Б=U_ВХ.. Следовательно можно считать, что

,

откуда

.

Входное сопротивление :

R_ВХ.ос » R_ВХ.ОУ т.е. оно гораздо больше, чем у инвертирующего усилителя. Выходное сопротивление R _ВЫХ.ос»R _ВЫХ./2.

Рис.68 Неинвертирующий  усилитель.

На рис.69  показан повторитель сигнала — функциональный узел, в котором входной и выходной сигналы одинаковы по знаку и по величине. Коэффициент усиления повторителя К_ос=1. 0н получается из формулы для предыду­щей схемы, если учесть, что R₂=0, R₁=?. Входное сопротивление R_{ВХ.ПОВТ.} »R_ВХ.ОУ?К, т.е. очень большое. Выходное сопротивление R_{ВЫХ.ПОВТ} » R_ВЫХ.ОУ/К »0. Такие параметры делают повторитель удобным каскадом согласования высокоомного источника сигнала и низкоомной нагрузки.

Рис.69. Повторитель на базе ОУ

На рис.70  показан двухвходовой инвертирующий сумматор. Здесь резисторы R_1.1, R_1.2 служат совместно с R₂ для об­разования ООС. Кроме того, резисторы R₁  служат для взаимной развязки друг от друга источников сигналов. При R₁=R₂, К_ОС=-1 и U_ВЫХ=-(U_ВХ1+U_ВХ2). Для каждого источника входное сопротивление сумматора R_ВХ.СУМ » R₁;  выходное сопротивление R_{ВЫХ.СУМ} ?R_ВЫХ /2.

Рис.70. Инвертирующий сумматор

На рис.71 показан интегратор. В цепъ ООС вместо R₂ включён конденсатор С. Так как для «идеального ОУ» i₁= ₂,i₁= -U_ВХ /R₁,, то . Входное сопротивление при этом R_ВХ = R₁,  а выходное сопротивление R_{ВЫХ.ИНТ.} »R_ВЫХ.ОУ.

Рис.71. Интегратор

В частном случае, когда на вход интегратора подается импульс постоянного напряжения Uвх = Uм длительностью tи, на выходе образуется линейно изменяющееся напряжение:
Uвых = Uм*tи/t, где t = RC – постоянная времени цепи обратной связи.
Интегратор, работающий в указанном режиме часто используется в генераторах линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), а также в  схемах формирования пилообразного напряжения развертки.

На рис.72  показан компаратор, который служит для определения момента ра­венства двух напряжений. Здесь входное синусоидальное напряжение сравнивается с нулевым потенциалом. ОУ использован без обратной связи, что является особенностью данной схемы. Напряжение на выходе при­нимает два крайних значения ±U_НАС, где U_НАС — напряжение насыщения ОУ (максимально возможное напряжение на выходе, обычно ниже напряжения питания на 1-2В). При положитель­ном входном сигнале напряжение на выходе отрицательное. При переходе входного нап­ряжения через нуль выходное напряжение меняет знак.

Рис. 72. Компаратор

Широкое применение в измерительной технике находят так называемые активные фильтры на базе ОУ. Термин «активный» объясняется включением в схему RC-фильтра активного элемента – в данном случае ОУ. Смысл такого включения заключается в компенсации потерь на пассивных элементах фильтра с целью получения высокой равномерности коэффициента передачи в полосе пропускания и большой крутизны спада передаточной характеристики. Теория активных фильтров в настоящее время хорошо разработана, методика их расчетов доведена до таблиц и номограмм. Основная задача при этом сводится к аппроксимации передаточной характеристики полиномами Чебышева, Бесселя и др. Выбор коэффициентов этих полиномов, а, следовательно, и параметров элементов схемы фильтра, обеспечивает наилучшее в том или ином смысле приближение к желаемым амплитудно-частотным характеристикам.

В качестве примера на рисунке 73 приведен двухполюсный (по числу конденсаторов) фильтр нижних частот (пропускает на выход сигнал  в диапазоне частот от нуля до частоты среза).

Рис. 73  Активный НЧ фильтр

Здесь K_ОС — коэффициент усиления ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (элементы R и (K_ОС-1)?R). ОУ в неинвертирующем включении обеспечивает относительно плоскую передаточную характеристику в полосе пропускания и крутой спад на частоте среза при соответствующем выборе R, R₁, R₂, C₁, C₂. Последовательное соединение подобных схем (многополюсные фильтры) позволяет добиться необходимой формы передаточной характеристики.

Измерительный усилитель тока используется для измерения малых токов без внесения искажений в цепь за счет внутреннего сопротивления обычного микроамперметра. Схема такого усилителя показана на рис.74

Рис. 74 Схема измерения малых токов на базе ОУ

Источник измеряемого тока показан в виде эквивалентной схемы, содержащей источник ЭДС  е_ВХ с внутренним сопротивлением R_U,  которая выполняет роль резистора R₁в обычной схеме инвертирующего усилителя (рис.67). Нетрудно показать, что в этом случае U_ВЫХ = —R₂I_ВХ, что легко выполнимо для ОУ, имеющего большой собственный (внутренний) коэффициент усиления. По этой же причине входное сопротивление схемы весьма мало и не оказывает влияния на величину измеряемого тока. Заменив в схеме (рис.74) резистор R₂ на конденсатор, получим интегратор входного тока (усилитель электрического заряда), удобный, например, для усиления сигналов пьезоэлектрических датчиков. В этом случае существенно снижается погрешность измерения по сравнению с обычной схемой усиления напряжения пьезоэлектрического датчика.

Свойство усилителя на базе ОУ поддерживать ток в цепи обратной связи равным току во входной цепи используется для прецизионных преобразователей сопротивления в напряжение (ПСН), особенно если резистивный датчик (обычно тензодатчик) находится на значительном удалении от измерительной части схемы. Принцип работы простейшего  ПСН показан на рис.75.

Рис.75. Простейший ПСН

Rх,Rо –измеряемое и образцовое  сопртивления,

r1,r2– сопротивления проводов длинной линии,
Uо – источник образцового напряжения.

Из вышеизложенного следует: Uвых.= -А*Rх при условии r1 = r2 =0, где А = Uо/Rо = =Const., реально Uвых.= Uо/Rо*( Rх + r1 + r2 ), т.е. вносится погрешность влияния сопротивления проводов соединительной линии. Существенно уменьшить эту погрешность можно используя трёхпроводную линию как показано на рис.76.

Рис.76 ПСН с трёхпроводной линией.

r3 – сопротивление третьего провода

В этом случае третий провод передаёт лишь потенциал на инвертирующий вход ОУ, поскольку его сопротивление  исчезающе мало по сравнению с входным сопротивлением ОУ, сопротивление  r2  обычно много меньше образцового Rо и также перестаёт существенно влиять на погрешность, кроме того справедливо и соотношение r1«Rх. При этих практически реальных условиях можно показать, что:

если  при этом  выполняется  соотношение

,то результат измерения  сопротивления будет близок к идеальному.

Реальный операционный усилитель — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Реальный операционный усилитель

Cтраница 1

Реальный операционный усилитель ( ОУ) — это усилитель с большим коэффициентом усиления и непосредственными связями, применяемый, в основном, в качестве активного элемента в схемах с обратными связями.  [1]

Реальные операционные усилители имеют конечную величину входного сопротивления. Различают входное сопротивление для дифференциального сигнала и входное сопротивление для синфазного сигнала. Их действие иллюстрируется схемой замещения входного каскада операционного усилителя, представленной на рис. 6.5. У операционных усилителей с биполярными транзисторами на входах входное сопротивление для дифференциального сигнала rD составляет несколько мегом, а входное сопротивление для синфазного сигнала гс / — несколько гигаом Входные токи, определяемые этими, сопротивлениями, имеют величину порядка нескольких наноампер.  [3]

Хотя реальный операционный усилитель очень близок к идеальному, тем не менее необходимо принимать во внимание несколько ограничений.  [5]

Выходное напряжение реального операционного усилителя изменяется непрерывно. Максимальная скорость изменения выходного напряжения называется скоростью нарастания напряжения и измеряется в вольтах за микросекунду. Скорость нарастания напряжения может служить серьезным ограничением для получения больших амплитуд выходного напряжения и для работы на высоких частот. Для операционных усилителей 741 скорость нарастания напряжения составляет, как правило, 0 5 В / мкс.  [7]

Выходное напряжение реального операционного усилителя изменяется непрерывно. Максимальная скорость изменения выходного напряжения называется скоростью нарастания напряжения и измеряется в вольтах за микросекунду. Скорость нарастания напряжения может служить серьезным ограничением для получения больших амплитуд выходного напряжения и для работы на высоких частот.  [9]

При использовании реального операционного усилителя операция вычитания осуществляется неидеально, так как коэффициент ослабления синфазного сигнала имеет конечную величину.  [11]

При использовании реального операционного усилителя следует учитывать входной ток 1В при отсутствии сигнала и смещение нуля усилителя ( наличие напряжения 170), поскольку влияние этих параметров увеличивается со временем.  [13]

Как видно из табл. 6.1, реальные операционные усилители довольно далеки от идеала в отношении выходного сопротивления. Оно, правда, может быть в значительной степени уменьшено путем применения обратной связи. Возникающее при этом увеличение UD компенсирует изменение выходного напряжения.  [15]

Страницы:      1    2    3

РАЗДЕЛ 2. АНАЛОГОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Лекция 5.Операционные усилители

Устройство и принцип действия.Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель напряжения, предназначенный для выполнения различных операций с аналоговыми сигналами: их усиление или ослабление, сложение или вычитание, интегрирование или дифференцирование, логарифмирование или потенцирование, преобразование их формы и др. [1,2,5,6,8]. Все эти операции ОУ выполняет с помощью цепей положительной и отрицательной обратной связи, в состав которых могут входить сопротивления, емкости и индуктивности, диоды, стабилитроны, транзи­сторы и некоторые другие электронные элементы. Поскольку все операции, выполняемые при помощи ОУ, могут иметь нормированную погрешность, то к его характеристикам предъявляются определенные требования.

Требования эти в основном сводятся к тому, чтобы ОУ как можно ближе соответствовал идеальному источнику напряжения, управляемому напряжением: бесконечно большой коэффициент усиления. А это значит, что входное сопротивление ОУ должно быть равно бесконечности, и, следовательно, входной ток должен быть равен нулю. Выходное сопротивление должно быть равно нулю, а, следовательно, нагрузка не должна влиять на выходное напряжение. Частотный диапазон усиливаемых сигналов должен простираться от постоянного напряжения до очень высокой частоты. Поскольку коэффициент усиления ОУ очень велик, то при конечном значении выходного напряжения напряжение на его входе должно быть близким к нулю.

Входная цепь ОУ обычно выполняется по дифференциальной схеме, а это значит, что входные сигналы можно подавать на любой из двух входов, один из которых изменяет полярность выходного напряжения и поэтому называется инвертирующим, а другой не изменяет полярности выходного напряжения и называется — неинвертирующим. Условное схематическое обозначение диф­ференциального операционного усилителя приведено на рис. 5.1, а. Инвертирую­щий вход можно отмечать кружочком или писать около него знак минус (-). Неинвертирующий вход или совсем не отмечается, или около него пишется знак плюс (+). Два вывода ОУ используются для подачи на него напряжения питания +Е_пи –Е_п. Положительное и отрицательное напряжения питания обычно имеют одно и то же значение, а их общий вывод одновременно является общим выводом для входных и выходного сигналов (в дальнейшем выводы питания изображаться не будут).

Если один из двух входов ОУ соединить с общим выводом, то можно получить два ОУ с одним входом, один из которых будет инвертирующим (рис. 5.1, б), а другой – неинвертирующим (рис. 5.1, в).

Рис. 5.1. Схематическое изображение дифференциального операционного

усилителя (а), инвертирующего (б) и неинвертирующего (в) усилителей

 

Выходное напряжение для дифференциального усилителя определяется по формуле

U_вых=(U_вх1-U_вх2)К , (5.1)

где К → ∞ – коэффициент усиления ОУ.

Для инвертирующего ОУ выходное напряжение равно U_вых=-U_вх2К, а для неинвертирующего U_вых=U_вх1К. Разностное напряжение (U_вх1-U_вх2)=U_диф – называют дифференциальным входным сигналом. По сути дела, это напряжение приложено между инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ.

Дифференциальный ОУ можно заменить его схемой замещения. Для идеального ОУ можно воспользоваться схемой замещения, приведенной на рис. 5.2. В этой схеме замещения на выходе включен источник напряжения U_вых, управ­ляе­мый дифференциальным входным нап­­ряжением U_диф=U_вх1-U_вх2 в со­от­ветствии с уравнением (5.1).

Рис. 5.2. Схема замещения идеального

дифференциального операционного

усилителя

 

Входные токи в этой схеме отсут­ствуют, так как входное сопротивление ОУ считается равным бесконечности. Так как выходное напряжение ОУ есть конечная величина (обычно не более 20 вольт), а коэффициент усиления усилителя К бесконечно велик (типичное значение 100000), то

U_вх1 – U_вх2 = U_вых / К » 0 и U_вх1=U_вх2 .

Отмеченные обстоятельства важны при анализе различных схем на ОУ, поэтому целесообразно сформулировать их в виде двух правил:

Правило 1. При работе ОУ в линейной области характеристики напряжения на его входах имеют одинаковые значения (U_вх1=U_вх2).

Правило 2. Входные токи для обоих входов ОУ равны нулю.

 

Рассмотрим различные практические схемы на базе ОУ.

Инвертирующий усилитель.На рис. 5.3 представлена базовая прин­ципиальная схема инвертирующего усилителя. Выражение для её

коэффициента усиления определяется, исходя из следующих сооб­ражений.

Рис.5.3. Схема инвертирующего усилителя

 

Поскольку неинвертирующий вход заземлён, его потенциал равен нулю. Тогда в соответствии с правилом 1 потенциал инвертирующего входа (точка а) также равен нулю (так называемая виртуальная земля). В соответствии с первым законом Кирхгофа с учётом правила 2 можно записать

I_вх = I₀ . (5.2) На основании закона Ома для участка цепи имеем и . Поскольку потенциал т. а равен нулю на основании положения правила 1, то подстановка выражений для токов в (5.2) даёт , откуда получим

. (5.3)

Таким образом, данная схема инвертирует входной сигнал, и коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен .

Неинвертирующий усилитель.На рис.5.4

 

Рис.5.4. Схема неинвертирующего усилителя

 

представлена вторая базовая схема на ОУ – неинвертирующий усилитель. По правилу 2 ток I₀ должен течь через резисторы R₀ и R_вхна землю, не ответвляясь на ОУ, поэтому можно записать .

Согласно правилу 1, на инвертирующем входе также действует входное напряжение U_вх, поэтому . Теперь можем записать, что

. Откуда получим

. (5.4)

Следовательно, рассмотренная схема входной сигнал не инвертирует, её коэффициент усиления положителен и всегда больше или равен единице. Входное сопротивление схемы близко к бесконечности.

Ввиду того, что сопротивление проводников, обеспечивающих подсоединение резисторов в схемах усилителей, отлично от нуля, то для исключения их влияния на величины коэффициентов передачи следует номиналы резисторов R_вх и R₀ устанавливать в несколько кОм.

Усилитель с единичным коэффициентом усиления.Если в не—

Рис.5.5. Схема усилителя с единичным

коэффициентом усиления

 

инвертирующем усилителе положить R_вхравным бесконечности (разорвать эту цепь), а R₀ установить равным нулю, то мы придём к схеме, изображённой на рис.5.5. Согласно правилу 1, напряжение на инвертирующем входе ОУ должно равняться входному напряжению U_вх. С другой стороны, инвертирующий вход соединён с выходом схемы. Следовательно, U_вых = U_вх, то есть выходное напряжение повторяет входное.

Такая схема повторителя напряжения используется в качестве усилителя с большим значением входного сопротивления, обеспечивая развязку предыдущего каскада электронной схемы от нагрузочного влияния следующих за ним каскадов. Она используется в качестве входного каскада при работе электронных схем с маломощными датчиками неэлектрических величин.

Сумматор (суммирующий усилитель).Инвертирующий усили-

Рис.5.6. Схема сумматора

 

тель может суммировать несколько входных напряжений. Каждое входное напряжение соединяется с инвертирующим входом ОУ через отдельный резистор. В этом случае инвертирующий вход принято называть суммирующей точкой, поскольку здесь суммируются все входные токи и ток обратной связи. Принципиальная схема сумматора представлена на рис. 5.6. Из равенства нулю напряжения на инвертирующем входе и нулевого значения входного тока усилителя следует

и , , … .

Так как на инвертирующем входе действует нулевое напряжение, то . После соответствующих подстановок получаем

, (5.5)

где — коэффициент передачи сумматора по i-му входу.

Как видно из (5.5), резистор R₀ влияет на все коэффициенты передачи в схеме, а резисторы R₁, R₂, …R_n определяют индивидуальные значения весовых коэффициентов для соответствующих каналов ввода суммируемых напряжений. Кстати, входное сопротивление сумматора по i-му входу практически совпадает с соответствующим R_i.

При построении схем на реальных ОУ необходимо обеспечить, исходя из общей теории их работы, равенство проводимости цепей, подключённых к обеим входным клеммам усилителя,. Из этого условия к неинвертирующему входу ОУ должен подключаться резистор соответствующего номинала, соединённый вторым своим выводом с землёй.

Схемы интеграторов тока и напряжения приведены на рис.5.7. Для схемы интегратора тока (рис.5.7,а) на основании правил 1 и 2 можно записать уравнения i_вх= i_с, , откуда получаем значение выходного напряжения . (5.6)

Аналогично, можно записать для интегратора напряжения (рис.

5.7,б) значение выходного напряжения, если учесть, что i_вх=U_вх/R ,

 

Рис. 5.7 . Схемы интегратора тока (а) и интегратора напряжения (б) на

дифференциальном ОУ

 

 

. (5.7)

Кроме линейных элементов в цепи обратной связи ОУ могут быть включены различные нелинейные элементы: диоды, стабилитроны, транзисторы и др., обеспечивая необходимый вид реализуемой функции.

Схема сумматора на рис.5.6 может выполнять операцию вычитания при задании одному из слагаемых напряжений полярность с противоположным знаком. Эту же операцию вычитания может реализовывать схема на рис.5.8 при задании входных напряжений одного знака на оба входа ОУ. Все резисторы одного номинала: R₁=R₂=R₃=R₄=R. Для обоснования вида реализуемой схемой зависимости воспользуемся сформулированными выше правилами 1 и 2, из которых следует одинаковость потенциалов точек а и б и равенство токов I₁ и I₀. Потенциал точки б на основании закона Ома

Рис.5.8. Вычитатель

 

.

Запишем выражения для токов I₁ и I₀ через падения напряжений на участках цепи и приравняем их:

, , то есть .

Учитывая равенство всех сопротивлений схемы и подставляя значение потенциала U_а, имеем , то есть .

Во многих устройствах обработки аналоговых сигналов, например в измерительных схемах, необходимо выделение либо составляющих только одной полярности (однополупериодное выпрямление), либо определение абсолютного значения сигнала (двухполупериодное выпрямление). Эти операции могут быть реализованы на пассивных диодно-резистивных цепях, но значительное прямое падение напряжения на диодах (0,5 – 1 В) и нелинейность его вольтамперной характеристики вносят в этом случае значительные погрешности, особенно при обработке слабых сигналов. Применение ОУ позволяет в значительной степени ослабить влияние реальных характеристик диодов.

Схемы однополупериодных выпрямителей, приведенные на рис. 5.9, отличаются друг от друга передаваемой волной входного сигнала (положительной или отрицательной) и знаком коэффициента передачи (инвертирующие и неинвертирующие). Неинвертирующие однополупериодные выпрямители имеют более высокое входное сопротивление, чем инвертирующие.

В инвертирующем выпрямителе (рис.5.9 справа верхний) диод VD₁ открывается на отрицательной полуволне сигнала, обеспечивая его передачу на выход с коэффициентом »1, определяемым отношением резисторов (R₂+R_VD1) и R₁ (R₁=R₂=10кОм, R_VD»50 Ом). Диод VD₂ смещен при этом в обратном направлении. Противоположная фаза напряжения на выходе инвертирующего усилителя замыкает через VD₂ цепь обрат­ной связи, обеспечивая почти нулевую величину коэффициента пере­да­чи усилителя ( »0). Неинвертирующий выпрямитель при

Рис. 5.9. Схемы однополупериодных выпрямителей

передаче пропускаемой полуволны работает примерно также, однако их функционирование в режиме отсечки существенно различается Как в инвертирующем, так и в неинвертирующем выпрямителях диод VD₂ введен для повышения их быстродействия. Если убрать этот диод, то в режиме отсечки ОУ входит в состояние насыщения. При пе-

реходе в режим пропускания ОУ сначала должен выйти из состояния насыщения и далее увеличивать выходное напряжение до уровня открывания диода VD₁. Введение диода VD₂ предотвращает насыщение ОУ и ограничивает перепад его выходного напряжения при смене полярности входного сигнала. В неинвертирующей схеме диод VD₂ обеспечивает ограничение выходного напряжения ОУ путем замыкания его выхода на землю, поэтому ОУ должен допускать короткое замыкание на выходе в течение неограниченного времени. Кроме того, в неинвертирующей схеме операционный усилитель должен иметь большое допустимое дифференциальное входное напряжение и малое время восстановления из режима ограничения выходного тока.

Существенным недостатком представленных выше схем является их высокое выходное сопротивление, имеющее, к тому же, нелинейный характер.

Двухполупериодные выпрямители. Наиболее просто реализуются прецизионные двухполупериодные выпрямители с незаземленной нагрузкой, например, стрелочным миллиамперметром. Схема такого устройства приведена на рис.5.10. Здесь операционный усилитель служит в качестве управляемого по напряжению источника тока. Поэтому выходной ток не зависит от падения напряжения на диодах и сопротивления нагрузки R_н.

Рис.5.10. Двухполупериодный выпрямитель

с незаземлённой нагрузкой

 

Мостовая схема выпрямляет обе полувол­ны входного сигнала, при этом выпрямленный ток протекает через нагрузку: I_вых=|U_вх|/R . Cхема имеет высокое входное сопротивление.

Лучшие характеристики имеет схема, приведенная на рис.5.11, в которой применено инвертирующее включение операционных усилителей. Схема содержит сумматор на ОУ₂ и однополупериодный выпрямитель на ОУ₁ (см. левую нижнюю схему на рис.5.9). Сигналы на ОУ₂ поступают по каналу ‘a’- U_a=U_вх и по каналу ‘b’ после некоторого преобразования в цепи ОУ₁.

Рис. 5.11. Схема двухполупе­ри­-

одного выпрямителя с работой

ОУ в линейном режиме

 

Прежде всего рассмотрим принцип работы ОУ₁. При положительном входном напряжении он работает как инвертирующий усилитель (рис.5.12,а). В этом случае напряжение U₂ отрицательно, т.е. диод VD₁ проводит, а VD₂закрыт, поэтому U₁ = –U_вх. При отрицательном входном напряжении U₂ положительно, т.е. диод VD₁ закрыт, а VD₂ проводит и замыкает цепь отрицательной обратной связи усилителя, которая препятствует насыщению усилителя ОУ₁ — коэффициент усиления полуволны около нуля (рис.5.12,б). Поэтому точка сум­мирования остается под нуле­вым потенциалом. Поскольку диод VD₁ закрыт, напряжение U₁ во второй полупериод также равно нулю. Справедливы соотношения (рис.5.12,б):

 

Рис.5.12. Формирование двухполупериодного

выпрямления в схеме рис.5.11

 

Одновременно по каналу ‘a’ на вход сум­матора поступает U_вх=U_a. Коэффициент передачи сумматора по каналу ‘a’ равен -1, а по каналу ‘b’ равен -2. Поэтому раздельное действие каналов ОУ₂ приводит к картине выходных напряжений на рис.5.12,в. В итоге формируется выходное напряжение по рис.5.12,г.

Следовательно, подключение сумматора на ОУ₂ обеспечивает двухполупериодное выпрямление. Сумматор формирует напряжение

U_вых = –(U_вх + 2U₁), и

(5.8)

Это и есть искомая функция двухполупериодного выпрямителя.

Достоинством рассмотренной схемы является равное входное сопротивление для разных полярностей входного сигнала и отсутствие синфазного напряжения на входах усилителей.

 

Контрольные вопросы.

1. Какой смысл закладывается в слово «операционный» в названии операционных усилителей ОУ?

2. Каким требованиям должна соответствовать электронная схема, чтобы её можно было бы назвать операционным усилителем?

3. Чем отличаются входные клеммы операционного усилителя?

4. Как на принципиальных электрических схемах идентифицируют входные клеммы операционного усилителя?

5. Поясните вывод формулы выходного напряжения для инвертирующей схемы включения ОУ, каков вид его выходной характеристики.

6. Поясните вывод формулы выходного напряжения для неинвертирующей схемы включения ОУ, каков вид его выходной характеристики.

7. Какова практическая ценность схемы ОУ с единичным коэффициентом усиления?

8. Поясните работу схемы двухполупериодного выпрямления переменного тока? Почему эта схема нашла применение при выпрямлении сигналов малой амплитуды различных датчиков?

9. Предложите схему моделирования уравнения . Рассчитайте параметры схемы, проверьте её работу на ПЭВМ для двух комбинаций входных сигналов. Оцените её метрологию.

10. Проверьте на ПЭВМ работу двухполупериодного выпрямителя для входного напряжения переменного тока 0-200 мВ. Постройте функцию U_вых=φ(U_вх).

 

 

Лекция 6. АНАЛОГОВЫЕ КОМПАРАТОРЫ

НАПРЯЖЕНИЯ

 

Компараторами напряжения называют интегральные микро­схемы, предназначенные для сравнения двух напряжений и выдачи результата сравнения в логической форме: больше или меньше [1,2,6,8,9,10]. По сути дела, компаратор напряжения чувствителен к полярности напряжения, приложенного между его сигнальными входами. Напряжение на выходе будет иметь высокий уровень U¹_вых всякий раз, когда разность напряжений между его неинвертирующим (U_оп) и инвертирующим (U_вх) сигнальными входами положительна и, наоборот, когда разностное напряжение отрицательно, то выходное напряжение компаратора соответствует логическому нулю U⁰_вых. Аналоговый компаратор предназначен для сравнения непрерывно изменяющегося входного сигнала U_вх на его инвертирующем входе с опорным сиг­налом U_оп на неинвертирующем. Выходное напряжение U_вых — диск­ретный или логический сигнал, определяемый соотно­ше­нием (6.1):

(6.1)

Графическая зависимость выходного напряжения от разности входных напряжений приведена на рис.6.1,а, а условное схемати­чес­кое обозначение компаратора приведено на рис. 6.1,б.

Рис.6.1. Передаточная характеристика (а) и условное изображение стробиру-емых компараторов по уровню (б) и

фронту (в)

 

Как видно из обозначения, компаратор напряжения помимо основных сигнальных входов может иметь служебные входы различ­ного назначения: стробирования, согласования уровней и др.

Упрощённая структурная схема компаратора напряжения приведена на рис.6.2. Она состоит из входного дифференциального каскада ДК, устройства смещения уровней и выходной логики.

Рис.6.2. Упрощённая структурная

схема компаратора

 

Входной дифференциальный кас­кад формирует и обеспечивает основ­ное усиление разностного сигнала. Помимо этого он позволяет осущес­т­влять балансировку выхода при помощи внешнего подстроечного резистора и корректировку напряжения смещения нулевого уровня в пределах 1=2 мВ, возникающего в дифференциальном каскаде. С помощью балансировки можно также установить предпочтительное начальное состояние выхода.

Входы стробирования предназначены для фиксации момента времени, когда происходит сравнение входных сигналов и выдача результата сравнения на выход. Для этого на вход стробирования подаётся импульсный сигнал разрешения сравнения. Результаты сравнения могут появиться на выходе компаратора только во время строба или могут фиксироваться в элементах памяти компаратора до прихода очередного импульса строба. Кроме того, стробирование может выполняться по уровню импульса или по его фронту (перепаду уровней). Для указания стробирования по фронту на входе стробирования изображается направление перепада от низкого уровня к высокому или, наоборот, от высокого уровня к низкому . Пример такого обозначения стробирования приведён на рис.6.1,в.

Характеристики аналоговых компараторов. Аналоговые компараторы описываются набором параметров, которые нужно учитывать при их использовании. Основные параметры можно разделить на статические и динамические. К статическим параметрам относятся такие, которые определяют его состояние в установив­шемся режиме. Основные из них:

— пороговая чувствительность – минимальный разностный сигнал, который может обнаружить компаратор и зафиксировать на выходе как логический сигнал;

— напряжение смещения е_см – определяет смещение передаточной характеристики относительно идеального положения (см. рис.6.1,а), для коррекции которого используют балансировку;

— напряжение гистерезиса U_г – разность входных напряжений, вызывающих срабатывание компаратора при увеличении или уменьшении входного напряжения;

— выходные логические уровни – напряжения U¹_вых и U⁰_вых ;

— выходной ток I_вых – ток, отдаваемый компаратором в нагрузку.

Рис.6.3. Передаточная характеристика

компаратора без гистерезиса (а) и с

гистерезисом (б)

 

Гистерезис компаратора прояв-ляется в том, что переход из состояния U⁰_вых в состояние U¹_вых происходит при входном напряжении DU_вх1, а возвращение из U¹_вых в U⁰_вых – при напряжении DU_вх2 (рис.6.3,б). Разность DU_вх1-DU_вх2=U_г называется напряжением гистерезиса. Появление гистерезиса связано с использованием в компараторе положительной обратной связи, которая позволяет устранить дребезг U_вых при DU_вх=0. Наличие гистерезиса приводит к появлению зоны неопределённости, внутри которой невозможно установить значение DU_вх.

Основным динамическим параметром компаратора является время переключения t_п. Это промежуток времени от начала сравнения до момента, когда выходное напряжение компаратора достигает противоположного логического уровня. Время переключения замеряется при постоянном опорном напряжении, подаваемом на один из входов компаратора, и скачке входного напряжения U_вх, подаваемого на другой вход. Это время зависит от величины превышения U_вх над опорным напряжением. На рис. 6.4 приведены переходные характеристики компаратора mА710 для различных значений дифференциального входного напряжения U_д при общем скачке входного напряжения в 100 мВ. Время переключения компаратора t_п можно разбить на две составляющие: время задержки t_з и время нарастания до порога срабатывания логической схемы t_н. В справочниках обычно приводится время переключения для значения дифференциального напряжения, равного 5 мВ после скачка.

 

 

Рис. 6.4. Переходная характеристика

компаратора mА710 при различных

превышениях скачка входного напря-

жения U_д над опорным: 1 — на 2 мВ;

2 — на 5 мВ; 3 — на 10 мВ; 4 — на 20 мВ

 

 

В простейшем случае в качестве аналогового компаратора может быть использован операционный усилитель по рис.6.5.

Рис. 6.5. Компаратор на операционном усилителе

 

Здесь к неинвертирующему входу ОУ подключено опорное напряжение U_оп, относительно которого контролируется изменение входного напряжения U_вх. Выходное напряжение U_вых в зависимости от соотношения (U_оп — U_вх) принимает значения +Е_п или –Е_п, реализуя выражение .

Определим зависимость выходного напряжения компаратора от величины входного при заданной величине опорного напряжения U_оп, которое установим, например, равным 5В. U_вх будем варьировать от –∞ до +∞, задавая ему следующие значения:

U_вх=-10В, отсюда U_вых=К(5-(-10))=15К=+E_п ;

U_вх=-5В, отсюда U_вых=К(5-(-5))=10К=+E_п ;

U_вх=0В, отсюда U_вых=К(5-0)=5k=+ E_п ;

U_вх=4,9В, отсюда U_вых=К(5-(4,9))=0,1k=+ E_п ;

U_вх=5,1В, отсюда U_вых=К(5-5,1)=-0,1k=- E_п ;

U_вх=10В, отсюда U_вых=К(5-10)=-5k=- E_п ;

U_вх=15В, отсюда U_вых=К(5-15)=-10k=- E_п .

График выходной характеристики представлен на рис.6.6:

Рис.6.6. Выходная характеристика компаратора

по рис.6.5

 

Из приведённого расчёта и графика видно, что пока U_оп>U_вх, выходное напряжение компаратора остаётся постоянным и равным +Е_п. В диапазоне изме­нения U_вх от 4,9В до 5,1В происходит изменение знака разности DU на входе операционного усилителя, что вызывает изменение знака выходного напряжения, которое далее остаётся постоянным и равным –Е_п.

Выходной сигнал компаратора почти всегда действует на входы логических цепей и потому согласуется по уровню и мощности с их входами. Таким образом, компаратор — это элемент перехода от аналоговых сигналов к цифровым, поэтому его иногда называют однобитным аналого-цифровым преобразователем.

Неопределенность состояния выхода компаратора при нулевой разности входных сигналов не требует уточнения, так как реальный компаратор всегда имеет либо конечный коэффициент усиления, либо создаётся петля гистерезиса (рис.6.3,б). Рассмотрим более подробно процесс переключения компаратора из одного состояния в другое при изменении U_вх=ƒ(t) по рис.6.7, где контурная линия определяет среднее значение U_вх, а точки около неё – случайные отклонения за счёт неизбежного «шума» в реальных условиях.

Рис. 6.7. Процессы переключения

компаратора

 

Чтобы выходной сигнал компаратора изменился на конечную величину |U¹_вых — U⁰_вых| при бесконечно малом изменении входного сигнала, компаратор должен иметь бесконечно большой коэффициент усиления (эпюра 1 на рис. 6.7) при полном отсутствии шумов во входном сигнале. Такую характеристику можно имитировать двумя способами — или просто использовать усилитель с очень большим коэффициентом усиления, или ввести положительную обратную связь.

Рассмотрим первый путь. Как бы велико усиление не было, при U_вх, близком к нулю, характеристика будет иметь вид эпюры 1 на рис. 6.7. Это приведет к двум неприятным последствиям. Прежде всего, при очень медленном изменении U_вх выходной сигнал также будет изменяться замедленно, что плохо отразится на работе последующих логических схем (эпюра 2 на рис. 6.7). Еще хуже то, что при таком медленном изменении U_вх около нуля выход компаратора может мно­го­кратно с большой частотой менять свое состояние под действием по­мех (так называемый «дребезг», эпюра 3 рис.6.7). Это приведет к ложным срабатываниям в логических элементах и к огромным динамическим потерям в силовых ключах. Для устранения этого явления обычно вводят положительную обратную связь, которая обе­с­печивает формирование в переходной характеристике компаратора гистерезис (рис.6.3,б). Наличие гистерезиса хотя и вызывает некоторую задержку в переключении компаратора (эпюра 4 на рис. 6.7), но существенно уменьшает или даже устраняет дребезг U_вых.

Недостаток выходной характеристики компаратора по схеме рис. 6.5, у которой выходное напряжение изменяется от +Е_п до -Е_п , устраняется в схеме по рис. 6.8. В качестве компаратора может быть использован операционный усилитель (ОУ), включенный по схеме инвертирующего сумматора. Однако вместо резистора в цепи обратной связи включены параллельно стабилитрон VD₁ и диод VD₂.

 

Рис. 6.8. Схема компаратора на

инвертирующем сумматоре

 

Пусть R₁=R₂=10 кОм, R_VD2=50 Ом. Если U_вх — U_оп > 0, выходное напряжение ОУ отрицательно и через открытый диод VD₂ замыкает цепь обратной связи усилителя, устанавливая его коэффициент усиления согласно (5.3), равным . Выходное напряжение схемы — небольшое отрицательное напряжение, равное падению напряжения на открытом диоде. При U_вх — U_оп < 0 на стабилитроне установится напряжение, равное его напряжению стабилизации U_ст. Это напряжение должно соответствовать единичному логическому уровню цифровых интегральных микросхем (ИМС), входы которых подключены к выходу компаратора. Таким образом, выход ОУ принимает два состояния – логической единицы U_ст и логического нуля – около 0 вольт, причем в обоих усилитель работает в линейном режиме.

Многие типы ОУ не допускают сколько-нибудь существенное входное дифференциальное напряжение. Включение по схеме рис. 6.8 обеспечивает работу ОУ в режиме компаратора практически с нулевыми дифференциальными и синфазными входными напряжениями. Недостатком данной схемы является относительно низкое быстродействие, обусловленное необходимостью частотной коррекции, так как ОУ работает в линейном режиме со 100%-ной обратной связью. Используя для построения компаратора обычные ОУ, трудно получить время переключения менее 1 мкс.

В заключение перечислим некоторые особенности компараторов по сравнению с ОУ:

1. Несмотря на то, что компараторы очень похожи на опе­ра­ционные усилители, в них почти никогда не используют отри­ца­тельную обратную связь, так как в этом случае весьма вероятно (а при наличии внутреннего гистерезиса — гарантировано) самовоз­буж­дение компараторов.

2. В связи с тем, что в схеме нет отрицательной обратной связи, напряжения на входах компаратора неодинаковы.

3. Из-за отсутствия отрицательной обратной связи входное сопротивление компаратора относительно низко и может меняться при изменении входных сигналов.

4. Выходное сопротивление компараторов значительно и различ­но для разной полярности выходного напряжения.

 

Двухпороговый компаратор (или компаратор «с окном») фиксирует, находится ли входное напряжение между двумя заданными пороговыми напряжениями или вне этого диапазона. Для реализации такой функции выходные сигналы двух компараторов необходимо подвергнуть операции логического умножения (рис. 6.9,а). Как показано на рис. 6.9,б, на выходе логического элемента

Рис. 6.9. Схема двухпорогового компаратора (а) и диаграмма его работы (б)

 

единичный уровень сигнала будет иметь место тогда, когда выполняется условие U₁ < U_вх < U₂, так как в этом случае на выходах обоих компараторов будут единичные логические уровни. Такой компаратор выпускается в виде ИМС mА711 (отечественный аналог — 521СА1).

Рис. 6.10. Простейший aналого-цифровой

преобразователь на компараторах напряжения

Основное применение компараторы напря­жения находят в устройствах сопряжения циф­ровых и аналоговых сигналов. Простейшим примером такого применения является аналого-цифровой преобразователь параллельного типа, приведенный на рис 6.10. В нем использо­ваны четыре компаратора K_l…K₄ и резистивный делитель опорного напряжения U_on. При одинаковых значениях сопротивлений в резистивном делителе на инвертирующие входы компараторов подано напряжение nU_o/4, где n — порядковый номер компаратора. На неинвертирующие входы компаратора подано на­пряжение U_вх. В результате сравнения входного напряжения с опорными напряжениями на инвертирующих входах компараторов на выходах компараторов образуется унитарный цифровой код входного напряжения. При помощи цифрового преобразователя кода этот код можно преобразовать в двоичный.

Контрольные вопросы.

1. Что такое компаратор и его назначение? Его условное графи­ческое изображение со стробированием по уровню и фронту.

2. Передаточная характеристика компаратора без и с гистере­зи­сом. Цель формирования гистерезиса и его реализация?

3. Что такое напряжение гистерезиса, чем можно его обеспечить?

4. Как определить время переключения компаратора? Как оно изменяется в зависимости от превышения U_вх над опорным напряжением?

5. Построение компаратора на ОУ. Его передаточная характеристика.

6. Как можно определить передаточную характеристику компаратора на ОУ расчётным путём?

7. Работа компаратора по рис.6.8. Преимущества этой схемы.

8. Двухпороговый компаратор по рис.6.9 – назначение, функционирование, реализация логического умножения.

 

 

Лекция 7. Коммутаторы аналоговых

Сигналов

 

---

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

Операционный усилитель принцип работы для чайников, инвертирующее включение оу

Что такое операционный усилитель

ОУ – интегральная микросхема (ИМС), основным предназначением которой является усиление значения постоянного тока. Она имеет только один выход, который называется дифференциальным. Этот выход обладает высоким коэффициентом, усиливающим сигнал (Kу). ОУ в основном применяются при построении схем с отрицательной обратной связью (ООС), которая при основной ТХ по усилению и определяет Kу исходной схемы. ОУ применяются не только в виде отдельных ИМС, но и в разных блоках сложных устройств.

У ОУ 2 входа и 1 выход, а также есть выводы для подключения источника питания (ИП). Принцип действия операционного усилителя прост. Существует 2 правила, взятых за основу. Правила описывают простые процессы работы ИМС, происходящие в ОУ, и как работает ИМС, понятно даже чайникам. На выходе разность напряжений (U) равна 0, а входы ОУ почти не потребляют ток (I). Один вход называется неинвертирующим (V+), а другой является инвертирующим (V-). Кроме того, входы ОУ обладают высоким сопротивлением (R) и практически не потребляют I.

Чип сравнивает значения U на входах и выдает сигнал, предварительно усиливая его. Kу ОУ имеет высокое значение, достигающее 1000000. Если произойдет подача низкого U на вход, то на выходе возможно получить величину, равную U источника питания (Uип). Если U на входе V+ больше, чем на V-, то на выходе получится максимальное положительное значение. При запитывании положительным U инвертирующего входа на выходе будет максимальная величина отрицательного напряжения.

Основным требованием для работы ОУ является применение двухполярного ИП. Возможно применение однополярного ИП, но при этом возможности ОУ сильно ограничиваются. Если использовать батарейку и принять за 0 ее плюсовую сторону, то при измерении значений получится 1,5 В. Если взять 2 батарейки и соединить их последовательно, то произойдет сложение U, т.е. прибор покажет 3 В.

Если принять за ноль минусовой вывод батарейки, то прибор покажет 3 В. В другом случае, если принять за 0 плюсовой вывод, то получается -3 В. При использовании в качестве нуля точки между двумя батарейками получится примитивный двухполярный ИП. Проверить исправность ОУ можно только при подключении его в схему.

Виды и обозначения на схеме

С развитием электросхемотехники операционные усилители постоянно совершенствуются и появляются новые модели.

Классификация по сферам применения:

1. Индустриальные – дешевый вариант.
2. Презиционные (точная измерительная аппаратура).
3. Электрометрические (малое значение Iвх).
4. Микромощные (потребление малого I питания).
5. Программируемые (токи задаются при помощи I внешнего).
6. Мощные или сильноточные (отдача большего значения I потребителю).
7. Низковольтные (работают при U<3 В).
8. Высоковольтные (рассчитаны на высокие значения U).
9. Быстродействующие (высокая скорость нарастания и частота усиления).
10. С низким уровнем шума.
11. Звуковой тип (низкий коэффициент гармоник).
12. Для двухполярного и однополярного типа электрического питания.
13. Разностные (способны измерять низкие U при высоких помехах). Применяются в шунтах.
14. Усилительные каскады готового типа.
15. Специализированные.

По входным сигналам ОУ делятся на 2 типа:

1. С 2 входами.
2. С 3 входами. 3 вход применяется для расширения функциональных возможностей. Обладает внутренней ООС.

Схема операционного усилителя достаточно сложная, и не имеет смысла его изготавливать, а радиолюбителю нужно только знать правильную схему включения операционного усилителя, но для этого следует понимать расшифровку его выводов.

Основные обозначения выводов ИМС:

1. V+ – неинвертирующий вход.
2. V- – инвертирующий вход.
3. Vout – выход.Vs+ (Vdd, Vcc, Vcc+) – плюсовая клемма ИП.
4. Vs- (Vss, Vee, Vcc-) – минус ИП.

Практически в любом ОУ присутствуют 5 выводов. Однако в некоторых разновидностях может отсутствовать V-. Существуют модели, которые обладают дополнительными выводами, которые расширяют возможности ОУ.

Выводы для питания необязательно обозначать, т.к. это увеличивает читабельность схемы. Вывод питания от положительной клеммы или полюса ИП располагают вверху схемы.

Основные характеристики

ОУ, как и другие радиодетали, имеют ТХ, которые можно разделить на типы:

1. Усилительные.
2. Входные.
3. Выходные.
4. Энергетические.
5. Дрейфовые.
6. Частотные.
7. Быстродействие.

Коэффициент усиления является основной характеристикой ОУ. Он характеризуется отношением выходного сигнала ко входному. Его еще называют амплитудной, или передаточной ТХ, которая представлена в виде графиков зависимости. К входным относятся все величины для входа ОУ: Rвх, токи смещения (Iсм) и сдвига (Iвх), дрейф и максимальное входное дифференциальное U (Uдифмакс).
Iсм служит для работы ОУ на входах. Iвх нужен для функционирования входного каскада ОУ. Iвх сдвига – разность Iсм для 2 входных полупроводников ОУ.

Во время построения схем нужно учитывать эти I при подключении резисторов. Если Iвх не учитывать, то это может привести к созданию дифференциального U, которое приведет к некорректной работе ОУ.
Uдифмакс – U, которое подается между входами ОУ. Его величина характеризует исключение повреждения полупроводников каскада дифференциального исполнения.

Для надежной защиты между входами ОУ подключаются встречно-параллельно 2 диода и стабилитрона. Дифференциальное входное R характеризуется R между двумя входами, а синфазное входное R – величина между 2 входами ОУ, которые объединены, и массой (земля). К выходным параметрам ОУ относятся выходное R (Rвых), максимальное выходное U и I. Параметр Rвых должен быть меньшим по значению для обеспечения лучших характеристик усиления.

Для достижения маленького Rвых нужно применять эмиттерный повторитель. Iвых изменяется при помощи коллекторного I. Энергетические ТХ оцениваются максимальной мощностью, которую потребляет ОУ. Причина некорректной работы ОУ – разброс ТХ полупроводников дифференциального усилительного каскада, зависящего от температурных показателей (температурный дрейф). Частотные параметры ОУ являются основными. Они способствуют усилению гармонических и импульсных сигналов (быстродействие).

В ИМС ОУ общего и специального вида включается конденсатор, предотвращающий генерацию высокочастотных сигналов. На частотах с низким значением схемы обладают большим коэффициентом Kу без обратной связи (ОС). При ОС используется неинвертирующее включение. Кроме того, в некоторых случаях, например при изготовлении инвертирующего усилителя, ОС не используется. Кроме того, у ОУ есть динамические характеристики:

1. Скорость нарастания Uвых (СН Uвых).
2. Время установления Uвых (реакция ОУ при скачке U).

Где применяются

Существует 2 вида схем ОУ, которые различаются способом подключения. Главный недостаток ОУ – непостоянство Kу, зависящего от режима функционирования. Основные сферы применения – усилители: инвертирующий (ИУ) и неинвертирующий (НИУ). В схеме НИУ Kу по U задается резисторами (сигнал нужно подавать на вход). ОУ содержит ООС последовательного типа. Эта связь выполнена на одном из резисторов. Она подается только на V-.

В ИУ происходит сдвиг сигналов по фазе. Для изменения знака выходного отрицательного напряжения необходима параллельная ОС по U. Вход, который является неинвертирующим, нужно заземлить. Входной сигнал через резистор подается на инвертирующий вход. Если неинвертирующий вход уходит на землю, то разность U между входами ОУ равна 0.

Можно выделить устройства, в которых применяются ОУ:

1. Предусилители.
2. Усилители звуковых и видеочастотных сигналов.
3. Компараторы U.
4. Дифусилители.
5. Диференциаторы.
6. Интеграторы.
7. Фильтрующие элементы.
8. Выпрямители (повышенная точность выходных параметров).
9. Стабилизаторы U и I.
10. Вычислители аналогового типа.
11. АЦП (аналого-цифровые преобразователи).
12. ЦАП (цифро-аналоговые преобразователи).
13. Устройства для генерации различных сигналов.
14. Компьютерная техника.

Операционные усилители и их применение получили широкое распространение в различной аппаратуре.

Основная инвертирующая схема включения ОУ

123

Операционные усилители.

В современной измерительной аппаратуре в качестве линейных усилителей используются операционные усилители. Легкость их применения, стабильность рабочих характеристик и способность выполнять различные преобразования сигнала делает ОУ идеальным выбором для аналоговых схем. Исторически ОУ получили свое развитие в области аналогового вычисления, где эти схемы разрабатывались для суммирования, вычитания, умножения, интегрирования, дифференцирования и т.д., с целью решения дифференциальных уравнений во многих технических задачах. Сегодня аналоговые вычислительные устройства в основном заменены цифровыми, однако высокие функциональные возможности ОУ по-прежнему находят себе применение и поэтому их используют во многих электронных схемах и приборах, в частности, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях.

На рис.1.1 показаны условные обозначения ОУ.

а) б) в)

Рис.1.1. Условнее обозначения ОУ

Обозначения а) и б) часто встречаются в литературе, в) – условное графическое обозначение на принципиальных электрических схемах.

Условное обозначение ОУ (рис. 1.1) — треугольник, у которого на стороне основания слева показаны два входа, а справа в вершине— выход. Вход со знаком «+» является неинвертирующим, при подаче входного сигнала на этот вход полярность сигнала на выходе остается той же, что и на входе; вход со знаком «—» инвертирующий, при подаче сигнала на этот вход на выходе его полярность меняется на противоположную.

Разность напряжений на входах ОУ (е++е_) называют дифференциальным (разностным) входным сигналом ОУ, а полусумму этих напряжений (е++е_)/2 — синфазным входным сигналом. Синфазный входной сигнал определяет ту составляющую входных сигналов, которая является общей для обоих входов ОУ.

Операционный усилитель тем точнее будет реализовать заданную для него конкретной схемой включения функцию, чем ближе его параметры будут приближаться к параметрам идеального операционного усилителя.

Идеальный ОУ характеризуется следующими свойствами электрических параметров:

1. Коэффициент усиления напряжения со стороны неинвертирующего входа положителен.

2. Коэффициент усиления напряжения со стороны инвертирующего входа отрицателен.

3. Входное сопротивление неограниченно велико (RBX=∞).

4. Выходное сопротивление Rвых равно нулю.

5. Коэффициент усиления напряжения неограниченно велик (К=∞).

6. Ширина полосы пропускания бесконечно велика.

7. Uвых=К(е+-е_).

8. Uвых=0, если е+=е_.

9. Выходная характеристика линейна и симметрична относительно нулевого уровня.

Достижение этих показателей и есть основное требование к ОУ.

Реально идеальных ОУ не существует; например, создать усилитель с бесконечной полосой пропускания даже при конечном коэффициенте усиления невозможно.

В зависимости от конкретного применения ОУ в реальных устройствах к ним предъявляют и дополнительные требования, связанные со спецификой данного устройства.

Большое Rвx свидетельствует о том, что практически на входе ОУ не потребляется энергия от источника сигнала, что ко входу ОУ может быть подключен источник сигнала с любым внутренним сопротивлением. Очень малое сопротивление Rвых позволяет подключить к выходу ОУ низкоомную нагрузку, при этом потери мощности на выходном сопротивлении ОУ будут незначительны.

Наличие низкого уровня шума означает, что реальная чувствительность ОУ очень велика, что ОУ способен усиливать самые слабые сигналы.

Основная инвертирующая схема включения ОУ

На рис.1.2 приведена основная инвертирующая схема включения ОУ.

Рис.1.2. Основная инвертирующая схема включения ОУ

Выход ОУ соединен с инвертирующим входом сопротивлением обратной связи RОС. Сигнал подается на инвертирующий вход через сопротивление R1. Исходя из свойств ОУ (бесконечный коэффициент усиления), делаем вывод, что при конечном напряжении на выходе разность потенциалов в трчках А и В равна нулю. Т.к. потенциал точки В равен нулю (соединение с землей), то и потенциал точки А тоже равен нулю. Этот факт дает основание считать точку А кажущейся землей, поскольку прямого соединения с землей эта точка не имеет.

Отсюда следует, что ток во входной цепи определяется только сопротивлением R1: i=uВХ/R1. Из-за бесконечного входного сопротивления ОУ на вход усилителя ток не ответвляется и полностью протекает по сопротивлению ОС RОС. Отсюда: . Подставив сюда значение тока, получим: . Следовательно, коэффициент усиления:

(1.1)

Входное сопротивление каскада равно R1.

Суммирующий усилитель

Наличие точки кажущейся земли позволяет строить при помощи ОУ суммирующие усилители (рис.1.3).

Рис.1.3. Суммирующий усилитель

Вследствие того, что потенциал в точке А равен нулю, входные токи не влияют друг на друга и определяются только параметрами входных цепей:

Эти токи суммируются в цепи обратной связи: .

Подставим значения токов: , отсюда:

Идеальный операционный усилитель и его свойства

Так как наш мир не является идеальным, так и идеальных операционных усилителей не существует. Однако параметры современных ОУ находятся на достаточно высоком уровне, поэтому анализ схем с идеальными ОУ даёт результаты, очень близкие к реальным усилителям.

Для понимания работы схем с операционными усилителями вводится ряд допущений, которые приводят реальные операционные усилители к идеальным усилителям. Таких допущений всего пять:

1. Ток, протекающий через входы ОУ, принимается равным нулю.
2. Коэффициент усиления ОУ принимается бесконечно большим, то есть выходное напряжение усилителя может достичь любых значений, однако в реальность ограничено напряжением питания.
3. Разность напряжений между входами идеального ОУ равна нулю, то есть если один из выводов соединён с землёй, то и второй вывод имеет такой же потенциал. Отсюда также следует, что входное сопротивление идеального усилителя бесконечно.
4. Выходное сопротивление идеального ОУ равно нулю.
5. Амплитудно-частотная характеристика идеального ОУ является плоской, то есть коэффициент усиления не зависит от частоты входного сигнала.

Близость параметров реального операционного усилителя к идеальным определяет точность, с которой может работать данный ОУ, а также выяснить ценность конкретного операционного усилителя, быстро и правильно сделать выбор подходящего ОУ.

Исходя из вышеописанных допущений, появляется возможность проанализировать и вывести соотношения для основных схем включения операционного усилителя.

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель характеризуется тем, что входной сигнал поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя. Данная схема включения изображена ниже

Схема включения неинвертирующего усилителя.

Работа данной схемы объясняется следующим образом, с учётом характеристик идеального ОУ. Сигнала поступает на усилитель с бесконечным входным сопротивлением, а напряжение на неинвертирующем входе имеет такое же значение, как и на инвертирующем входе. Ток на выходе операционного усилителя создает на резисторе R2 напряжение, равное входному напряжению.

Таким образом, основные параметры данной схемы описываются следующим соотношением

Отсюда выводится соотношение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя

Таким образом, можно сделать вывод, что на коэффициент усиления влияют только номиналы пассивных компонентов.

Необходимо отметить особый случай, когда сопротивление резистора R2 намного больше R1 (R2 >> R1), тогда коэффициент усиления будет стремиться к единице. В этом случае схема неинвертирующего усилителя превращается в аналоговый буфер или операционный повторитель с единичным коэффициентом передачи, очень большим входным сопротивлением и практически нулевым выходным сопротивлением. Что обеспечивает эффективную развязку входа и выхода.

Логарифмирующий преобразователь

Одной из схем на операционном усилителе, которые нашли применение, является логарифмирующий преобразователь. В данном схеме используется свойство диода или биполярного транзистора. Схема простейшего логарифмического преобразователя представлена ниже

Логарифмирующий преобразователь.

Данная схема находит применение, прежде всего в качестве компрессора сигналов для увеличения динамического диапазона, а так же для выполнения математических функций.

Рассмотрим принцип работы логарифмического преобразователя. Как известно ток, протекающий через диод, описывается следующим выражением

где IO – обратный ток диода,
е – число е, основание натурального логарифма, e ≈ 2,72,
q – заряд электрона,
U – напряжение на диоде,
k – постоянная Больцмана,
T – температура в градусах Кельвина.

При расчётах можно принимать IO ≈ 10-9 А, kT/q = 25 мВ. Таким образом, входной ток данной схемы составит

тогда выходное напряжение

Простейший логарифмический преобразователь практически не используется, так как имеет ряд серьёзных недостатков:

1. Высокая чувствительность к температуре.
2. Диод не обеспечивает достаточной точности преобразования, так как зависимость между падением напряжения и током диода не совсем логарифмическая.

Вследствие этого вместо диодов применяют транзисторы в диодном включении или с заземлённой базой.

Экспоненциальный преобразователь

Схема экспоненциального преобразователь получается из логарифмического преобразователя путём перемены места диода и резистора в схеме. А работа такой схемы так же как и логарифмического преобразователя основана на логарифмической зависимости между падение напряжения на диоде и током протекающим через диод. Схема экспоненциального преобразователя показана ниже

Экспоненциальный преобразователь.

Работа схемы описывается известными выражениями

Таким образом, выходное напряжение составит

Также как и логарифмический преобразователь, простейший экспоненциальный преобразователь с диодом на входе применяют редко, вследствие вышеописанных причин, поэтому вместо диодов на входе используют биполярные транзисторы в диодном включении или с общей базой.

Схемы включения операционных усилителей, описанные выше, не являются исчерпывающими, а лишь только призваны дать основные понятия. Более подробно схемы включения операционных усилителей я рассмотрю в следующих статьях. Всем удачи.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Что вам нужно знать о входном токе смещения — и почему — Аналоговые — Технические статьи

Другие части, обсуждаемые в сообщении: THS4551

Один из моих стандартных вопросов на собеседовании для новых выпускников колледжей — описать неидеальные аспекты эксплуатации. усилитель (операционный усилитель). В то время как большинство кандидатов начинают с коэффициента усиления разомкнутого контура, напряжения смещения, полосы пропускания и шума, лишь немногие упоминают входной ток смещения. Даже у опытных проектировщиков схем часто возникают вопросы о входном токе смещения и его последствиях.В этом посте я отвечу на некоторые из этих вопросов и, надеюсь, развею некоторые заблуждения.

Q: Что такое входной ток смещения?

A: Термин «входной ток смещения» (I _B ) в технических описаниях — как для операционных усилителей, так и для полностью дифференциальных усилителей (FDA) — относится к постоянным токам, текущим на входные контакты усилителя или из них, чтобы создать определенная рабочая точка во время нормальной работы, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1: Определение входного тока смещения для простого входного каскада PNP

Поскольку для работы полевого МОП-транзистора требуется очень небольшой постоянный ток затвора, во входном токе смещения КМОП-усилителя преобладает утечка из ячеек защиты от электростатического разряда (ЭСР) и других вторичных цепей, подключенных к входам.Величина этого тока утечки невелика — порядка пикоампер (пА). Поскольку входы усилителей с биполярным переходным транзистором (BJT) требуют базовых токов для правильного смещения, входной ток смещения BJT намного больше — порядка микроампер (мкА). Следовательно, входной ток смещения является важной проблемой для усилителей BJT.

Q: Зачем вам нужны усилители с BJT-входом?

A: Поскольку усилители CMOS имеют почти незначительные входные токи смещения, зачем вам вообще усилители BJT? Ответ заключается в том, что биполярный транзистор имеет гораздо большую крутизну ( г, _м ) по сравнению с КМОП-транзистором при том же токе покоя.Кроме того, соответствие между BJT также намного лучше, как и его мерцание (или шум 1 / f). Все три преимущества имеют решающее значение для высокоскоростных прецизионных усилителей; следовательно, входы BJT повсеместно используются в высокопроизводительных операционных усилителях и FDA.

В: Как вы оцениваете влияние входных токов смещения?

A: Хотя использование усилителей со значительными входными токами смещения часто требует некоторых дополнительных конструктивных решений, вы можете быть удивлены, обнаружив, насколько мало они на самом деле влияют на производительность системы.Как только вы поймете влияние входного тока смещения, вы сможете взвесить преимущества входного усилителя BJT по сравнению с этими эффектами.

Давайте исследуем влияние входных токов смещения, используя схему FDA, показанную на рисунке 2. THS4551 — новейшее дополнение к семейству драйверов прецизионного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) TI. THS4551 имеет не только полосу пропускания 150 МГц при токе 1,35 мА I _q , но и дрейф ± 2 мкВ / ° C макс. V _OS , как показано в таблице 1. Архитектура входа BJT обеспечивает такую ​​производительность, но создает заметный I _B .

Рисунок 2: Схема THS4551 FDA с резисторами 1%

Таблица 1: Основные параметры постоянного тока, относящиеся к входу, THS4551

Обращаясь к простейшему с математической точки зрения случаю, давайте сначала предположим, что FDA всегда связаны с симметричными элементами обратной связи, поскольку это приводит к минимальному преобразованию сигнала из синфазных ошибок в дифференциальный выход.

Вы можете рассчитать «приведенное к выходу» напряжение смещения V _OOS в два этапа.Сначала найдите положительное и отрицательное напряжения суммирующего перехода усилителя, используя уравнение 1:

.

Затем используйте уравнение 2 для вычисления V _OUT на основе усиления от суммирующего перехода к выходу, которое является усилением шума:

Комбинируя уравнения 1 и 2 вместе, вы можете рассчитать V _OOS на выходе как разницу между этими двумя выходными напряжениями с помощью уравнения 3:

Выходной сигнал В, _OOS, , — это просто разница между входными токами смещения на каждой стороне, умноженная на их соответствующие значения резисторов обратной связи (R _F ).Резистор усиления (R _G ) выпал из уравнения V _OOS . Интуитивно это связано с тем, что небольшой R _G , который уменьшил бы влияние I _B на напряжение суммирующего перехода, также увеличивает шумовое усиление от суммирующего перехода к выходу, и два эффекта компенсируют друг друга.

Давайте воспользуемся схемой на Рисунке 2 и характеристиками THS4551 в Таблице 1, чтобы рассчитать выходной сигнал V _OOS в наихудшем случае для каждого фактора (вход V _OS , I _B и I _OS ), перечислены в таблице 2.

Добавляющий фактор	Макс 25 ° C погрешность	Наихудший прирост выпуска	Вклад наихудшего случая в выходной сигнал В OOS (мкВ)	Прирост на
Вход В ОС	± 175 мкВ	3.04В / В	± 532	Уровень шума
I B ±	1,5 мкА	± 20 Ом	± 30	Несоответствие резистора обратной связи
I OS	± 50 нА	1,01 кОм	± 50,5	Резистор обратной связи

Таблица 2: Термины напряжения смещения, приведенные к выходу THS4551 для R _F = 1 кОм, 1%

Теперь давайте рассмотрим четыре случая для различных номиналов резистора и допусков в схеме.Для двух значений R _F (1 кОм и 5 кОм) и двух допусков (1% и 0,1%) в таблице 3 показаны результаты.

Корпус	RF (кОм)	RF Допуск (%)	Выход в худшем случае В OOS терминов (мкВ)
			В ОС	I B ±	I OS
1	1	1	± 532	± 30	± 50.5
2	1	0,1	± 526	± 3	± 50,1
3	5	1	± 532	± 150	± 252,5
4	5	0.1	± 526	± 15	± 250,3

Таблица 3: Термины напряжения смещения, приведенные к выходу THS4551 для различных вариантов R _F

Точно так же на Рисунке 4 показаны результаты для дрейфа выходного смещения.

Корпус	RF (кОм)	RF Допуск (%)	Выход в худшем случае В OOS Дрейф членов (мкВ / ° C)
			В ОС	I B ±	I OS
1	1	1	± 6.1	± 0,11	± 0,283
2	1	0,1	± 6	± 0,01	± 0,28
3	5	1	± 6,1	± 0,55	± 1.41
4	5	0,1	± 6	± 0,06	± 1,4

Таблица 4: Условия дрейфа смещения, приведенные к выходу THS4551 для различных вариантов R _F

Пара выводов:

• Хорошо спроектированный FDA или операционный усилитель с BJT-входом должен быть способен выдерживать несколько килоомов R _F без особого влияния на характеристики постоянного тока.
• Если производительность по постоянному току является проблемой, подумайте об увеличении допусков резисторов R _F и R _G до 0,1%, что является простым и недорогим методом смягчения негативных эффектов I _B .

Q: А как насчет шума входного тока?

A: Большая часть этого поста посвящена влиянию I _B и I _OS на напряжение смещения и дрейф напряжения смещения. Еще один важный эффект входного тока — добавление шума.К счастью, шум — это просто изменяющееся во времени смещение, поэтому вы можете рассчитать эффект шума так же, как вы рассчитали эффект смещения. Например, шум выходного напряжения из-за шума входного тока просто равен

Еще одна проблема, о которой стоит упомянуть, — это внутренняя отмена смещения ввода. Различные методы подавления обычно могут снизить I _B с уровня микроампер до наноампер. I _OS также будет уменьшена, хотя и не настолько. Однако эти методы подавления обычно увеличивают шум входного тока из-за некоррелированного шума от тока подавления.Поэтому, если шум ограничивает производительность вашей системы, подавление входного смещения, скорее всего, не правильный выбор.

Заключение

По сравнению с усилителями с CMOS-входом, операционные усилители с BJT-входом и FDA предлагают множество преимуществ: более широкую полосу пропускания при более низкой мощности, более низкий уровень шума напряжения и шума 1 / f, а также лучшую точность по постоянному току. Однако у них есть одна загвоздка: более высокие входные токи смещения. При тщательном проектировании вы можете оценить и уменьшить отрицательные эффекты более высоких входных токов смещения.

Каков ваш опыт работы с проблемами, связанными с входным током смещения? Я лишь прикоснулся к эффектам I _B и не упомянул многие второстепенные проблемы. Что еще ты хочешь узнать? Авторизуйтесь ниже и оставьте комментарий.

Дополнительные ресурсы

• Узнайте больше о THS4551 и узнайте об уравнениях, связанных с расчетами смещения FDA.
• Проверьте этот модуль по входному току смещения от TI Precision Labs.
• Узнайте обо всем ассортименте высокоскоростных операционных усилителей TI и изучите соответствующие технические ресурсы.

Planet Analog — Входной ток смещения имеет значение при прецизионных измерениях

Входной ток смещения — это обычно упускаемый из виду 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.

Обычно 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 из входных транзисторов, 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 выходной сигнал усилителя.

Однако в настоящее время в большинстве новых усилителей используются КМОП-транзисторы. С MOSFET 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 ОУ входной ток смещения может иметь положительное или отрицательное значение в зависимости от условий. На рисунке 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 рис. 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 по усилителям 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», которая позволяет 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 считывания тока имеют значительные токи смещения, поэтому внешние резисторы должны иметь сопротивление не более 10 Ом.

В этой архитектуре входной ток смещения действует только на внешние резисторы. Внутренние резисторы R1 и R3 не протекают через них 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 демонстрирует недавний пример разработки приложений 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 во входных токах 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 выходного сигнала. Эта ошибка становится еще больше, если I _OS больше, чем типичное значение, указанное 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 считывания 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 состоит 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 корректировки его. 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, является усредненным значением 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 — 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 операционного усилителя

ВЛИЯНИЕ ТОКА СМЕЩЕНИЯ

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

В основном проблема с током 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 от 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 _с показан на рисунке (b). в этом случае входной ток I ₁ вызывает падение (I ₁ R _с ) на R _с . 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 указано, 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. Повторитель напряжения на входе

   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 I ₂
   Vout (error) = | I ₁ — I ₂ | R _s

   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 инвертирующих и неинвертирующих усилителях. Чтобы компенсировать влияние тока смещения в неинвертирующем усилителе, подключен 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.

Метод уменьшения входного тока смещения для операционного усилителя в стандартной технологии CMOS — Chin — 2020 — Электроника и связь в Японии

1 ВВЕДЕНИЕ

В системах, работающих со слабыми токовыми сигналами, таких как оптические наблюдения или внутримоторные датчики, преобразователи I / V (трансимпедансные схемы), показанные на рисунке 1, часто используются для преобразования слабого тока в напряжение, а затем для получения цифровых сигналов через Преобразователи AD.Точность преобразователей I / V , состоящих из операционного усилителя, встроенного в микросхему интегральной схемы (ИС), и внешнего сопротивления сильно зависит от характеристик операционного усилителя; в частности, ошибки возникают из-за входного напряжения смещения операционного усилителя и входного тока смещения. Входное напряжение смещения вызывает определенное напряжение смещения на выходе. Входной ток смещения накладывается на слабый ток, подаваемый от датчика, который затем преобразуется в напряжение, что вызывает ошибки в сигнале выходного напряжения. Операционные усилители с высоким входным сопротивлением (низким входным током смещения) считаются необходимыми, чтобы избежать влияния входного тока смещения операционного усилителя на выходное напряжение,

I / V преобразователь [Цветной рисунок можно посмотреть в wileyonlinelibrary.com]

Входные клеммы КМОП-усилителя подключены к клеммам затвора МОП-транзисторов, затвор электрически изолирован оксидной пленкой. Таким образом, ток, протекающий во входных клеммах операционного усилителя CMOS, теоретически равен нулю, а входной ток смещения операционного усилителя CMOS очень мал по сравнению с биполярными операционными усилителями. По этой причине операционные усилители CMOS используются в качестве схем интерфейса ввода датчиков; однако в реальном КМОП-усилителе элементы защиты от электростатического разряда, подключенные к входным клеммам, генерируют ток утечки.Ток утечки в элементах ESD, работающих при низкой или комнатной температуре, чрезвычайно мал, и входной ток смещения можно принять равным нулю. Однако при высокой температуре ток утечки в элементах ESD растет экспоненциально, и возникают значительные ошибки в выходном напряжении преобразователей I / V в высокотемпературной среде. Измеренная температурная зависимость входного тока смещения в КМОП-операционном усилителе показана на рисунке 2. Входной ток смещения ниже 100 фА при комнатной температуре (25 ° C), но при высокой температуре (150 ° C) ток смещения достигает 2.3 нА, то есть увеличивается более чем в 10 000 раз.

I _bias обычного КМОП операционного усилителя [Цветную диаграмму можно посмотреть на wileyonlinelibrary.com]

Уже был разработан метод решения этой проблемы с использованием SOI с точки зрения структуры процесса. ¹ Эта статья решает проблему увеличения входного тока смещения при высокой температуре из-за тока утечки ESD. В частности, метод решения проблемы с точки зрения проектирования схем с использованием стандартной технологии CMOS с относительно простым процессом представлен ниже вместе с результатами проверки эффективности посредством оценки прототипа.

2 ТОКА УТЕЧКИ, ВЫЗВАННОГО ДИОДАМИ ЗАЩИТЫ ОТ ЭСТАТИЧЕСКОГО РАЗРЯДА

Известно, что ток утечки от защиты от электростатического разряда резко увеличивает входной ток смещения до недопустимого уровня. Таким образом, мы рассматриваем ток утечки как причину входного тока смещения. Типичная схема защиты от электростатического разряда состоит из диодов электростатического разряда, вставленных между клеммой источника высокого напряжения ( В, _DD ) и входной клеммой, а также между входной клеммой и клеммой источника низкого напряжения (GND) для подачи напряжения обратного смещения (Рисунок 3).На рисунке 4 показано поперечное сечение ESD-диода в случае стандартной КМОП с использованием подложки P-типа. P ⁺ в N-ячейке образует анод, а N ⁺ образует катод; P-N переход между анодом и катодом используется как диод ESD. Однако в то же время между подложкой P-типа и N-лункой также образуется переход P-N, так что паразитный диод применяется к катоду диода ESD. Подложка P-типа смещена до самого низкого потенциала, и на паразитные диоды всегда прикладывается напряжение обратного смещения.Схема защиты от электростатического разряда с паразитными диодами показана на рисунке 5.

Схема защиты от электростатического разряда

Диодная структура, созданная на подложке P-типа [Цветную диаграмму можно посмотреть на сайте wileyonlinelibrary.com] Защита от электростатического разряда с помощью паразитных диодов [Цветной рисунок можно посмотреть на сайте wileyonlinelibrary.com] Плотность тока в диодах выражается через ток диффузии и ток генерации-рекомбинации; последнее преобладает при обратном смещении. ² Таким образом, плотность тока утечки J может быть определена с использованием тока генерации-рекомбинации J _GR , как показано ниже. ² (1) Здесь q — заряд электрона, ω — ширина обедненной области в ступенчатом переходе, τ ₀ — время жизни носителей заряда; они практически не зависят от температурной характеристики. Кроме того, n _i — это собственная плотность носителей, и ее изменение с температурой можно выразить следующим образом: E _g означает запрещенную зону при температуре T .(2)

Член exp ( qV /2 kT ) в уравнении (1) близок к нулю в случае напряжения обратного смещения; следовательно, согласно уравнению (2), ток утечки экспоненциально растет с температурой T . На рисунке 6 представлены измеренные температурные характеристики тока утечки от ESD-диодов и паразитных диодов в схеме ESD-защиты. На вертикальной оси отложены токи утечки в логарифмическом масштабе; то есть токи зависят от температуры и, в частности, возрастают по экспоненте.Кроме того, сравнение результатов измерений на Рисунке 6 показывает, что ток утечки паразитных диодов примерно на два порядка выше, чем ток утечки ESD-диодов. Это можно объяснить тем фактом, что площадь поперечного сечения PN перехода больше в паразитных диодах, как показано на рисунке 4, в то время как состав перехода другой.

Ток утечки диодов [Цветной рисунок можно посмотреть на сайте wileyonlinelibrary.com]

3 ВВОДА ТОКА СМЕЩЕНИЯ В CMOS OP-AMP

Раздел 2 объясняет причины и температурную зависимость тока утечки в диодах защиты от электростатического разряда.В этом разделе показано, что ток утечки от защитных диодов течет на входные клеммы КМОП операционного усилителя в качестве входного тока смещения.

Как показано на рисунке 5, паразитные диоды сформированы между катодами диодов ESD и низким потенциалом. При этом паразитный диод D _1p , подключенный к катоду D ₁ , и паразитный диод D _3p , подключенный к катоду D ₃ , помещаются между V _DD и заземлением; следовательно, токи утечки не влияют на входной ток смещения.Входной ток смещения I _{смещение} (-) инвертирующей входной клеммы В _{IN —} — это разница между токами утечки антистатических диодов D ₁ и D ₂ , подключенных к входной клемме плюс ток утечки паразитного диода D _2p , подключенного к катоду ESD диода D ₂ , то есть (3) Точно так же входной ток смещения I _{смещение} (+) неинвертирующей входной клеммы В _{IN +} выражается через I _D3 , I _D4 и Я _D4p .

4 ПРЕДЛАГАЕМАЯ ЦЕПЬ ЗАЩИТЫ ОТ ЭСТАТИЧЕСКОГО РАЗРЯДА С КОМПЕНСАЦИЕЙ ТОКА УТЕЧКИ

Было показано, что входной ток смещения в КМОП-операционном усилителе с типичной схемой защиты от электростатического разряда вызван разницей между токами утечки от диодов электростатического разряда и токами утечки паразитных диодов. Основная причина — токи утечки от паразитных диодов, но, как показано на рисунке 6, токи утечки от диодов ESD увеличиваются при высокой температуре, что нельзя игнорировать. Таким образом, необходимо учитывать токи утечки как от ESD-диодов, так и от паразитных диодов, чтобы уменьшить входной ток смещения.Здесь мы рассматриваем два метода уменьшения входного тока смещения.

Первый метод заключается в уменьшении разницы между токами утечки от диодов ESD за счет использования процесса SOI и улучшения схемы ESD. Паразитные диоды не образуются в диодах ESD и не генерируют ток утечки при использовании траншейных структур в технологии SOI. Поэтому все, что осталось сделать, это добавить схему для уменьшения разницы между токами утечки от диодов ESD. Однако специальные кремниевые пластины и операции должны быть добавлены к стандартной технологии CMOS, чтобы использовать процесс SOI.

Второй метод заключается в полной компенсации разницы между токами утечки от диодов ESD и токов утечки от паразитных диодов путем только улучшения схемы. То есть входной ток смещения, если смотреть на входные клеммы, уменьшается с помощью дополнительной схемы компенсации токов утечки. Этот метод отличается от предыдущего тем, что токи утечки от паразитных диодов также могут быть компенсированы, что полезно с точки зрения применимости к стандартной технологии CMOS с использованием паразитных диодов.

Как упоминалось в разделе 1, мы используем последнее схемное решение, чтобы обеспечить схему защиты от электростатического разряда схемой компенсации токов утечки, тем самым уменьшая входной ток смещения. Предлагаемая схема защиты от электростатического разряда показана на рисунке 7. ³ Для простоты на схеме показана только схема компенсации входного тока смещения для инвертирующей входной клеммы V _{IN +} основного операционного усилителя. Схема с такой же конфигурацией используется для уменьшения входного тока смещения в инвертирующем выводе В _{IN —} .

Предлагаемая защита от электростатического разряда с компенсацией тока утечки

На рисунке 7 элементы, соединенные встречно параллельно с диодами ESD, называются парой двунаправленных диодов . Кроме того, операционный усилитель, используемый для обеспечения тока компенсации тока утечки, называется усилителем ошибки . Предлагаемая схема защиты от электростатического разряда состоит из двух идентичных наборов двунаправленной диодной пары и усилителя ошибки, а также двух диодов ESD, подключенных к высоковольтному выводу В, _DD и низковольтному выводу GND.Предлагаемая схема сконфигурирована последовательным соединением двунаправленных диодных пар с обычной схемой защиты от электростатического разряда, показанной на рисунке 3. Двунаправленные диоды обеспечивают путь разряда для диодов электростатического разряда, подключенных к В _DD или к земле, так что функция защиты от электростатического разряда поддерживается.

В предлагаемой схеме присутствуют паразитные диоды, такие же, как и в традиционной схеме защиты от электростатического разряда, как показано на рисунке 8.

Паразитные диоды предлагаемой схемы [Цветной рисунок можно посмотреть в wileyonlinelibrary.com] Операционные усилители обычно используются с отрицательной обратной связью; следовательно, инвертирующие и неинвертирующие входные клеммы основного операционного усилителя имеют одинаковый потенциал из-за виртуального короткого замыкания, то есть (4) Точно так же инвертирующие и неинвертирующие входные клеммы усилителя ошибки также имеют одинаковый потенциал из-за виртуального короткого замыкания; следовательно, потенциал инвертирующего потенциала усилителя ошибки В _A равен (5) Как следует из уравнения (5), одинаковое напряжение приложено к парам двунаправленных диодов D _3F -D _3R и D _4F -D _4R , и следующее может быть записано с использованием выходного напряжения В _X ошибки amp.(6) Паразитные диоды D _3Fp и D _4Fp имеют одинаковую структуру, и их токи утечки равны; то есть, (12)

Следовательно, в предлагаемой схеме ток не течет на входные клеммы и от них, а входной ток смещения можно сделать нулевым. То есть в предлагаемой схеме усилитель ошибки выдает ток той же величины, что и ток утечки от паразитных диодов, что является основной причиной входного тока смещения.

Тот же результат получается, когда входные клеммы усилителя ошибки подключены к клемме, которая должна быть компенсирована ( В _{IN +} на рисунке 8). Однако в этом случае выходной импеданс цепи, подключенной к В _{IN +} , зависит от величины обратной связи, и применяется положительная обратная связь; следовательно, усилитель ошибки подключен к инвертирующему терминалу ( В, _IN, , , _– на рисунке 8) по соображениям стабильности.

5 ОШИБКА КОНСТРУКЦИИ УСИЛИТЕЛЯ

В предыдущем разделе предполагалась работа в идеальных условиях, но в реальном мире напряжения на клеммах двух двунаправленных диодных пар не совсем равны, и возникает ошибка напряжения В, смещение _, . Это смещение В, вызвано входным напряжением смещения в основном операционном усилителе и усилителе ошибки. V _{смещение} вызывает ошибки в компенсации тока утечки, которые проявляются как входной ток смещения.

Чтобы исследовать ток ошибки, вызванный смещением В , I — В , были измерены характеристики пары двунаправленных диодов, как показано на рисунке 9. Результаты измерений, представленные на рисунке 9, касаются паразитных диодов; то есть уравнение (7) выполняется, и рабочая точка двунаправленной диодной пары при смещении В, _{= 0} = 0 является точкой нулевого тока.

I — V Характеристики двунаправленной диодной пары [Цветной рисунок можно посмотреть в wileyonlinelibrary.com] Проводимость g в этой точке составляет 130 нА / В. Следовательно, ток, который появляется как ток входного смещения, равен (13) То есть (14)

Согласно уравнению (14), | V _{смещение} | В данном исследовании для поддержания входного тока смещения в пределах ± 100 пА требуется <770 мкВ. Диапазон синфазного входного напряжения усилителя ошибки разработан так же, как и в основном операционном усилителе, то есть 0 ≤ В _icm ≤ 4 В. В этом синфазном диапазоне входного напряжения можно поддерживать входной ток смещения. в пределах ± 100 пА при условии, что общее входное напряжение смещения основного операционного усилителя и усилителя ошибки составляет 770 мкВ или меньше.На самом деле, смещение В, зависит от температуры, а также от диодов и других устройств; Имея это в виду, схема была спроектирована таким образом, чтобы полное входное напряжение смещения при нормальной температуре составляло 600 мкВ или меньше. Технические характеристики основного операционного усилителя и усилителя ошибки приведены в таблице 1.

ТАБЛИЦА 1. Технические характеристики и результаты моделирования (25 ° C)

	Главный операционный усилитель		Ошибка усилителя
	Спец.	Сим.	Спец.	Сим.
Ток покоя	<600 мкА	578,0 мкА	<200 мкА	184.6 мкА
Напряжение смещения (150 ° C)	<400 мкВ	1,21 мкВ	<200 мкВ	27,6 мкВ
I смещение	0	0	0	0
Коэффициент усиления постоянного тока	> 120 дБ	134.0 дБ	> 80 дБ	96,6 дБ
CMRR	> 90 дБ	161,9 дБ	> 90 дБ	106,2 дБ
ПСРР	> 90 дБ	146.4 дБ	> 90 дБ	101,3 дБ
GBW	> 1,2 МГц	1,20 МГц	> 1 МГц	1,02 МГц
Запас по фазе	> 60 °	70.3 °	> 60 °	82,2 °
Разница прироста	> 15 дБ	15,78 дБ	> 15 дБ	19,7 дБ
Скорость нарастания	> 0.4 В / мкс	0,45 В / мкс	> 0,5 В / мкс	0,84 В / мкс

6 ПРЕДЛАГАЕМЫЙ ПРОТОТИП ЦЕПИ И ОЦЕНКА РАБОТЫ

Для проверки эффективности метода снижения входного тока смещения с помощью компенсации токов утечки от паразитных элементов в схеме защиты от электростатического разряда был изготовлен операционный усилитель с предложенной схемой на микросхеме IC со стандартом 0.Технология CMOS 7 мкм. Микрофотография прототипа микросхемы представлена ​​на рисунке 10; Схема, реализованная на микросхеме размером 1,5 мм × 1,65 мм, сконфигурирована из основного операционного усилителя и предлагаемой схемы защиты от электростатических разрядов, включающей диоды защиты от электростатических разрядов, усилители ошибок и другие запасные элементы.

Фотография кристалла [Цветной рисунок можно посмотреть на сайте wileyonlinelibrary.com]

Результаты измерения входного тока смещения в прототипе операционного усилителя представлены на рисунках 11 и 12.Результаты подтвердили, что входной ток смещения | I _{смещение} | было менее 100 пА при температуре T = 150 ° C в диапазоне синфазного входного напряжения 0 < В _icm ≤ 4 В. Это ниже 5% входного тока смещения в обычных КМОП-операционных усилителях при T = 150 ° C. Причина увеличения входного тока смещения около синфазного входного напряжения В _icm = 0 В на рисунке 12 заключается в том, что низкое выходное напряжение В, _OL усилителя ошибки больше нуля.Прототип операционного усилителя может использоваться в диапазоне 0 < В _icm ≤ 4 В без увеличения входного тока смещения.

Результаты измерения отклонения I в зависимости от температуры [Цветную диаграмму можно посмотреть на сайте wileyonlinelibrary.com] Результаты измерения смещения I в зависимости от входного синфазного напряжения [Цветной рисунок можно посмотреть на сайте wileyonlinelibrary.com]

Измеренные электрические характеристики только основного операционного усилителя и прототипа операционного усилителя с низким смещением при нормальной температуре приведены в таблице 2.Как показывают эти результаты, ток потребления в прототипе операционного усилителя увеличился на столько же, сколько потребляется усилителями ошибки в предлагаемой схеме; однако другие основные характеристики в таблице 2 существенно не пострадали, в то время как смещение входного тока было значительно уменьшено.

ТАБЛИЦА 2. Сводка измеренных характеристик (25 ° C)

	Только главный операционный усилитель	Низкий I смещение ОУ
Ток покоя	565 мкА	970 мкА
Напряжение смещения	66.9 мкВ	−15 мкВ
I смещение	−0,24 Па	−0,4 пА
Коэффициент усиления постоянного тока	135,4 дБ	130.4 дБ
CMRR	95,7 дБ	105,3 дБ
ПСРР	100,5 дБ	113,6 дБ
GBW	1.23 МГц	1,21 МГц
Запас по фазе	63 °	57 °
Разница прироста	12,5 дБ	10,1 дБ
Скорость нарастания	0.47 В / мкс	0,49 В / мкс

Кроме того, в таблице 3 показаны результаты измерений входного тока смещения в пяти микросхемах при температуре T = 150 ° C и В _icm = 2,5 В. Эти результаты различаются, но входной ток смещения I Смещение поддерживается ниже целевого значения ± 100 пА во всех микросхемах.

ТАБЛИЦА 3. Результаты измерений смещения I (5 микросхем, 150 ° C)

	# 1	# 2	# 3	# 4	# 5
I смещение (+) (pA)	−5.3	65,0	−46,2	−26,2	40,7
I смещение (-) (pA)	−4,7	−28.3	−29,3	−60,4	30,8

Чтобы проверить предложенную схему с точки зрения защиты от электростатического разряда, был проведен тест на электростатический разряд в соответствии со стандартами EIAJ ED-4701/300, ⁴ , стандартными спецификациями для испытаний на долговечность, и входной ток смещения I _{смещения} был сравнивается до и после подачи импульсного напряжения электростатического разряда.Пример этих измеренных / сравниваемых результатов для входного тока смещения ( В, _IN, , , _{+ клемма} ) в тесте ESD показан на рисунке 13. На диаграмме Начальное измерение и Окончательное измерение относится к полученным результатам. соответственно, до и после подачи импульсного напряжения электростатического разряда.

I _bias сравнение результатов начального / конечного измерения [Цветной рисунок можно просмотреть в wileyonlinelibrary.com]

Не было значительных изменений входного тока смещения до и после подачи импульсного напряжения электростатического разряда, что подтвердило характеристики защиты от электростатического разряда предлагаемой схемы усилителя.

7 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Был рассмотрен способ уменьшения входного тока смещения для решения технической проблемы увеличения входного тока смещения в КМОП операционных усилителях при высокой температуре. Была предложена новая схема защиты от электростатического разряда для значительного снижения входного тока смещения с использованием стандартной технологии CMOS.Операционный усилитель с низким смещением, использующий предложенную схему, был изготовлен с использованием КМОП-технологии 0,7 мкм и оценены характеристики прототипа. Измерения прототипов микросхем подтвердили, что входной ток смещения при высокой температуре был снижен до менее 5% от тока смещения в обычных КМОП операционных усилителях. Также было подтверждено, что предложенная схема ESD не оказывает существенного влияния на основные характеристики основного операционного усилителя, за исключением увеличения потребляемого тока из-за дополнительных элементов и небольшого изменения входного синфазного диапазона.

Биографии

• Кокен Чин, не член. В 2018 году закончил первый семестр докторской степени в Токийском городском университете (Grad. School of Eng.) И работал в компании New Japan Radio Co., Ltd., занимающейся исследованиями и разработками в области аналоговых интегральных схем.

• Мамору Осава, не член. В 2015 году закончил первый семестр докторской степени в Университете электросвязи (Высшая школа информатики и инженерии) и был принят на работу в New Japan Radio Co., Ltd. Исследования и разработки в области аналоговых интегральных схем.

• Ацуши Китадзима, не член, В 2002 году окончил Университет Тюо (факультет науки и техники, факультет электротехники и электроники) и работал в компании New Japan Radio Co., Ltd., занимающейся исследованиями и разработками в области аналоговых интегральных схем. .

• Ёсиаки Араи, не член. В 2006 году получил докторскую степень в Токийском университете науки (Высшая школа естественных и технических наук) и работал в New Japan Radio Co., Ltd. Исследования и разработки в области аналоговых интегральных схем.

• Джун Ямасита, не член. В 1992 году окончил Университет Мэйдзи (факультет инженерии, факультет электротехники и электроники) и работал в компании New Japan Radio Co., Ltd., занимающейся исследованиями и разработками в области операционных усилителей, источников питания, двигателей и других аналоговых полупроводниковых устройств. (Отдел проектирования полупроводников).

• Хисаси Ито, член. В 1983 году окончил Нагойский технологический институт (информатика.), и был нанят New Japan Radio Co., Ltd. R&D в операционных усилителях, источниках питания, аудио и других аналоговых полупроводниковых устройствах (Semiconductor Design Division).

• Хао Сан, член. В 2004 году защитил докторскую диссертацию в Университете Гумма (Grad. School of Eng.) И был принят на работу в университет в качестве ассистента, доцента 2007 года, с 2009 года адъюнкт-профессора в Токийском городском университете. Исследования в области проектирования ИС для обработки смешанных сигналов.

ССЫЛКИ

• 1Carrol KJ.Интегрированная схема защиты от электростатического разряда (ESD) для сигнального электрода, Патент США 11/948, 2007: 443.
• 2Андерсон Б.Л., Андерсон Р.Л. Основы полупроводниковых приборов. Нью-Йорк: McGraw-Hill Education; 2005: 816.
• 3Chin K, Kitajima A, Arai Y, Yamashita J, Ito H, San H. Метод компенсации тока утечки схемы защиты от электростатического разряда для КМОП операционного усилителя, Международный симпозиум 2016 года по интеллектуальной обработке сигналов и системам связи (IEEE ISPACS 2016) ; 518–521: 2016.https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/7824722.
• 4 JEITA. Методы испытаний полупроводниковых приборов на экологию и долговечность , EIAJ ED-4701/300; 2001. https://home.jeita.or.jp/tsc/std-pdf/ED-4701_300.pdf.

Операционные усилители

Операционные усилители

Операционные усилители

Операционные усилители — это универсальные ИС, содержащие около сотни транзисторов, которые могут выполнять множество математических функций.По этой причине они строительные блоки многих схем обработки сигналов. У них есть два входа: инвертирующий (-) и неинвертирующий (+). Источник положительного напряжения и отрицательный источник напряжения или земля подключены непосредственно к операционному усилителю, хотя эти редко отображаются на принципиальных схемах. Есть единственный выход, который почти всегда подключается к инвертирующему входу с обратной связью.

Операционные усилители имеют почти бесконечное усиление, высокое входное сопротивление и низкую выходную мощность. сопротивление.Из-за этого они служат многим полезным целям в аналоговых схемах. Некоторые из этих свойств обсуждаются в контексте следующих Примеры.

Все схемы в примерах можно проанализировать, соблюдая следующие простые правила.

1. Выход делает все необходимое для разницы напряжений. на входах равняется нулю.
2. Входы не потребляют ток.
3. Выходное напряжение не зависит от выходного тока.

Несмотря на то, что внутри операционного усилителя много чего происходит, эти правила описывают его поведение интегральной схемы «черного ящика». Идеальные операционные усилители моделируются с бесконечное усиление и бесконечный импеданс — реальные операционные усилители только приблизительно их свойства модели. Аналогичным образом, хотя наша модель предполагает бесконечное усиление напряжения, предельная величина выходного напряжения примерно на 1,4 В ниже, чем величина напряжения питания (это связано с падением диодов в операционном усилителе). Что-нибудь из этого эффекты должны быть заметны, если мы применяем входной сигнал прямоугольной формы.На подъеме и падающие переходы прямоугольной волны напряжение меняется бесконечно быстрые, и хотя они быстрые, операционные усилители не могут переключаться мгновенно — там на выходе должен получиться слегка не вертикальный наклон. Это может быть измеряется скоростью нарастания напряжения (с — изменение напряжения по сравнению с изменением время).

Инвертирующий усилитель — Эта конфигурация копирует инвертированную и масштабированную версию входного сигнала. к его выходу.При этом схема изолирует цепь, которая производит входная ссылка из схемы, которая использует выход в силу нашего Соотношение импеданса операционного усилителя.

Неинвертирующий усилитель — Мы можем добиться усиления без инверсии, если перенастроим цепь немного.

Установив R ₂ на ноль (короткое замыкание) и R ₁ на бесконечность (разомкнутая цепь на землю), мы получаем неинвертирующее, единичное усиление усилитель — повторитель с единичным усилением .Это важное использование операционные усилители. Высокое входное сопротивление усилителя практически не потребляет ток и, таким образом, действует как буфер импеданса. Например, можно использовать делитель напряжения для ступенчатого изменения напряжения, используемого для снижения резистивной нагрузки не беспокоясь об импедансной нагрузке делителя. Операционный усилитель позволяет отслеживать входное напряжение, не потребляя значительного тока.

Интегрирующие и дифференцирующие усилители — Используя емкость, операционный усилитель может вычислить интегральную и дифференциальную входного напряжения.В первом примере мы видим, что выходное напряжение представляет собой интеграл входного напряжения.

А при переключении конденсатора и резистора выходное напряжение равно производная входного напряжения по времени.

Сумматор — Эта схема производит и выводит равный отрицательная взвешенная сумма соответствующих входов. Можно представить, что с правильные входные сопротивления, мы могли бы построить форму цифро-аналогового преобразователя с в котором входные «биты» усиливаются на величину, пропорциональную их положению двоичным словом.

Компаратор — Эта установка используется для определения того, какой входной сигнал больше. Когда входы равны, выхода нет. Когда инвертирующий вход больше, операционный усилитель становится насыщенным, а выходное напряжение равно источник положительного напряжения. Когда инвертирующий вход больше, выход напряжение равно отрицательному напряжению питания. Есть компараторы TTL доступны, что было бы рекомендовано для этой цели, но мощный операционный усилитель могу сделать это в крайнем случае.

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 рассчитываться и сравниваться с номинальными значениями в технических паспортах производителя. Полоса пропускания мощности и скорость нарастания 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 в противном случае 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 усиление синфазного сигнала. 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 отклонения синфазного сигнала (CMRR), который определяется как:
   Обычно CMRR выражается в дБ.
   
4. Скорость нарастания и ширина полосы мощности:
   Ограничение скорости нарастания — 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 в неспособности 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 следует применять 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 рассчитывать 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 операционного усилителя 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 влияние ограничения скорости нарастания напряжения; это совершенно нормально. В этом эксперименте величина низкочастотного выходного сигнала 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 также 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 полоса пропускания:
   Сравните измеренную скорость нарастания и ширину полосы частот с номинальными значениями, указанными в таблицах данных. Дайте погрешность в процентах. Не забудьте использовать правильные спецификации для микросхем каждого из многих производителей.

Требуемое оборудование:

Часть	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
200k Резистор	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, полученные от 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

Введение в характеристики схемы идеального операционного усилителя

Введение

Операционный усилитель (сокращенно ОУ) — это в основном устройство усиления напряжения, предназначенное для использования с такими компонентами, как конденсаторы и резисторы, между его входными / выходными клеммами, или просто линейная интегральная схема (ИС) с несколькими клеммами.В электронике коэффициент усиления по напряжению без обратной связи реального операционного усилителя очень велик, что можно увидеть в дифференциальном усилителе с бесконечным коэффициентом усиления без обратной связи, бесконечным входным сопротивлением и нулевым выходным сопротивлением. Кроме того, он имеет положительные и отрицательные входы, которые позволяют схемам, использующим обратную связь, выполнять широкий спектр функций. А между тем, его можно еще больше упростить до идеальной модели операционного усилителя, называемой идеальным операционным усилителем (также называемой идеальным OPAMP ).

1 Характеристики идеального операционного усилителя

При анализе различных схем применения операционных усилителей интегральный операционный усилитель часто рассматривается как идеальный операционный усилитель. Так называемый идеальный операционный усилитель предназначен для идеализации различных технических показателей операционных усилителей и должен иметь следующие характеристики.

1.1 Бесконечное входное сопротивление

Входной терминал идеального операционного усилителя не пропускает ток. В электронике операционные усилители являются устройствами усиления напряжения.Они усиливают напряжение, подаваемое на операционный усилитель, и выдают тот же сигнал, что и выходной, с гораздо большим усилением. Чтобы операционный усилитель принимал сигнал напряжения в качестве своего входа, сигнал напряжения должен падать на операционный усилитель. Если вы знаете концепцию делителя напряжения, напряжение падает в основном на компонентах с высоким импедансом, пропорционально согласно закону Ома по формуле V = IR. Таким образом, чем больше сопротивление (или импеданс) устройства, тем больше падение напряжения на этом устройстве.Чтобы убедиться, что сигнал напряжения полностью падает на операционном усилителе, он должен иметь очень высокий входной импеданс, чтобы напряжение полностью падало на нем. Если бы у него был низкий входной импеданс, напряжение на нем не могло бы упасть, и он не принял бы сигнал. Вот почему операционные усилители должны иметь высокое входное сопротивление.
Также легко сделать входной импеданс ниже (подключите резистор параллельно) или импеданс источника выше (подключив резистор последовательно).

Рис. 1. Символ идеального операционного усилителя и кривая передаточной характеристики

1.2 Нулевой выходной импеданс

Выход идеального операционного усилителя является идеальным источником напряжения, независимо от того, как изменяется ток, протекающий в нагрузке усилителя, выходное напряжение усилителя всегда имеет определенное значение, то есть выходное сопротивление равно нулю. На практике нулевой выходной импеданс на самом деле является отличным свойством от бесконечного входного импеданса, но в течение очень долгого времени к бесконечному входному сопротивлению подходили только с компромиссом в напряжении смещения и шума.

1.3 Бесконечное усиление без обратной связи

В разомкнутом состоянии дифференциальный сигнал на входе имеет бесконечное усиление по напряжению.Эта особенность делает операционный усилитель очень подходящим для практических приложений с верхней отрицательной обратной связью.

1,4 Бесконечный коэффициент подавления синфазного сигнала

Идеальный операционный усилитель может реагировать только на разницу между напряжениями на обоих концах V + и V-. Кроме того, одна и та же часть двух входных сигналов (т. Е. Синфазный сигнал) будет полностью проигнорирована. Более того, высокий CMRR требуется, когда дифференциальный сигнал должен быть усилен при наличии возможно большого синфазного входа, такого как сильные электромагнитные помехи (EMI).Примером может служить передача звука по симметричной линии при звукоусилении или записи.

1.5 Бесконечная пропускная способность

Идеальный операционный усилитель будет усиливать входной сигнал любой частоты с таким же дифференциальным коэффициентом усиления, который не изменяется при изменении частоты сигнала.

2 предположения об идеальном ОУ

Операционный усилитель можно рассматривать как источник тока, управляемый напряжением, или как интегральную схему, которая может усиливать слабые электрические сигналы.Исходя из этого, для идеального OPAMP, какова связь между ним и этими электрическими сигналами?
Во-первых, предположим, что ток, протекающий на входе операционного усилителя, равен нулю. Это предположение почти полностью верно для операционных усилителей на полевых транзисторах, поскольку входной ток для операционных усилителей на полевых транзисторах ниже 1 пА. Но для двойных высокоскоростных операционных усилителей это предположение не всегда верно, поскольку входной ток в них иногда может достигать десятков микроампер.
Во-вторых, предположим, что коэффициент усиления операционного усилителя бесконечен, поэтому операционный усилитель может изменять выходное напряжение до любого значения в соответствии с требованиями к входу.Это означает, что выходное напряжение операционного усилителя может достигать любого значения. Фактически, когда выходное напряжение близко к напряжению источника питания, операционный усилитель будет насыщаться. Возможно, эта гипотеза и выходит, но требует практического ограничения. Например, на более высоких частотах в игру вступают внутренние переходные конденсаторы транзистора, что снижает выходную мощность и, следовательно, коэффициент усиления усилителя. Реактивное сопротивление конденсатора уменьшается с увеличением частоты в обход большей части выхода. Операционный усилитель находится в состоянии насыщения.

Рисунок 2. Насыщение ОУ

Например, согласно таблице данных LM741, усиление напряжения большого сигнала составляет 200 В / мВ. Это означает усиление разомкнутого контура 200000. Если вы используете операционный усилитель в разомкнутом контуре (то есть без отрицательной обратной связи), даже микровольты входного напряжения (входное напряжение смещения LM741 составляет 3 мВ) приведут выход к насыщению.
В большинстве схем усилителя операционный усилитель настроен на использование отрицательной обратной связи, что значительно снижает коэффициент усиления по напряжению (т.е.е. усиление замкнутого контура). В генераторах и триггерах Шмита операционный усилитель настроен на использование положительной обратной связи. Схема компаратора является примером схемы, в которой используется коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи. Его выход всегда будет с насыщением, положительным или отрицательным. В схеме интегратора усиление по постоянному току должно быть ограничено добавлением резистора обратной связи параллельно конденсатору, иначе выход станет насыщенным.
Даже в схемах усилителя амплитуда входного сигнала и коэффициент усиления по напряжению схемы должны быть сбалансированы, чтобы выходное напряжение не превышало напряжение источника питания.Например, для неинвертирующего усилителя с коэффициентом усиления 100 по напряжению максимально допустимое входное напряжение будет 150 мВ, если VCC составляет 15 В. Если вы подадите сигнал 200 мВ, выход операционного усилителя перейдет в насыщение, так как требуемый выход будет 20 вольт, что превышает VCC в 15 вольт.
В-третьих, предположение о бесконечном усилении также означает, что входной сигнал должен быть нулевым. Коэффициент усиления операционного усилителя будет управлять выходным напряжением до тех пор, пока напряжение (напряжение ошибки) между двумя входными клеммами не станет равным нулю.Напряжение между двумя входными клеммами равно нулю. Нулевое напряжение между двумя входными клеммами означает, что если одна входная клемма подключена к жесткому источнику напряжения, например к земле, другая входная клемма также будет иметь такой же потенциал. Кроме того, поскольку ток, протекающий на входной клемме, равен нулю, входное сопротивление операционного усилителя бесконечно.
В-четвертых, выходное сопротивление идеального операционного усилителя равно нулю. Идеальный операционный усилитель может управлять любой нагрузкой без падения напряжения из-за своего выходного сопротивления.При малых токах выходное сопротивление большинства операционных усилителей находится в диапазоне нескольких десятых на один Ом, поэтому в большинстве случаев это предположение верно.

3 Рабочие характеристики идеальных операционных усилителей

3.1 Работа в линейной области

Когда идеальный операционный усилитель работает в линейной области, выходное и входное напряжение имеют линейную зависимость. Где u0 — выходное напряжение интегрированного операционного усилителя; u + и u- — напряжения на неинвертирующей входной клемме и инвертирующей входной клемме соответственно.Auo — это увеличение дифференциального напряжения разомкнутого контура. Согласно характеристикам идеального операционного усилителя, две важные характеристики идеального операционного усилителя в линейной области.
1) Нулевое дифференциальное входное напряжение
Поскольку увеличение дифференциального напряжения разомкнутого контура идеального операционного усилителя равно бесконечности, а выходное напряжение является определенным значением, значения напряжения на неинвертирующем входном терминале и инвертирующем входном терминале примерно равны. Точно так же, как короткое замыкание между входом и выходом, но это подделка.Поскольку это эквивалентное короткое замыкание, а не настоящее короткое замыкание, это явление называется «виртуальным коротким замыканием».
2) Нулевой входной ток
Поскольку входное сопротивление разомкнутого контура идеального операционного усилителя бесконечно, ни на одном из входов в операционный усилитель не течет ток. В это время ток на неинвертирующей входной клемме и инвертирующей входной клемме равен нулю. Как отключение, но эквивалентное отключение, поэтому это явление называется «виртуальный разрыв». Виртуальный короткий и виртуальный разрыв — две важные концепции для анализа идеального операционного усилителя, работающего в линейной области.
Фактически, идеальный операционный усилитель обладает характеристиками «виртуального короткого замыкания» и «виртуального разрыва». Эти две характеристики очень полезны для анализа схем линейных усилителей. Необходимое условие виртуального короткого замыкания — отрицательная обратная связь. Когда вводится отрицательная обратная связь, в это время, если напряжение на прямом выводе немного выше, чем напряжение на обратном выводе, на выходе выводится высокое напряжение, эквивалентное напряжению источника питания после усиления операционного усилителя.Фактически, время отклика операционного усилителя изменяется от исходного состояния выхода до состояния высокого уровня (золотое правило анализа аналоговых схем: изменение сигнала — это непрерывный процесс изменения). Из-за сопротивления обратной связи изменение обратного конца неизбежно повлияет на его напряжение, когда обратное конечное напряжение бесконечно близко к прямому конечному напряжению, схема достигает сбалансированного состояния. Выходное напряжение больше не меняется, то есть напряжение на переднем конце и обратном конце всегда близко.(Примечание: метод анализа аналогичен при понижении напряжения.)

3.2 Работа в нелинейной области

Когда операционный усилитель работает в нелинейной области, выходное напряжение больше не увеличивается линейно с входным напряжением, а насыщается. Идеальный операционный усилитель также имеет две важные характеристики при работе в нелинейной области.
1) Когда u + ≠ u-, выходное напряжение идеального операционного усилителя достигает значения насыщения.
Когда u +> u-, операционный усилитель работает в области положительного насыщения с положительным выходным напряжением.
Когда u + Идеальный операционный усилитель работает в нелинейной области u + ≠ u-, «виртуального замыкания» нет.
2) Входной ток равен нулю.
Хотя входное напряжение u + ≠ u- выше, входной ток считается нулевым.

4 Анализ характеристик идеального операционного усилителя

Что касается операционного усилителя, там, вероятно, есть такое описание: трехконтактный элемент (структура схемы с двусторонним входом, несимметричный выход), идеальный транзистор, усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления.
(1) Высокое входное сопротивление
В этой ситуации ток, протекающий на входной клемме, близок к 0, ток источника сигнала почти не используется, что близко к характеристике регулирования напряжения. И виртуальный разрыв происходит из этого.
(2) Низкое выходное сопротивление
Он имеет характеристики адаптации к любой нагрузке. И сопротивление последующей цепи нагрузки не повлияет на выходное напряжение.
(3) Бесконечное усиление напряжения
(4) При определенных условиях напряжения питания усилитель может работать только в режиме замкнутого контура (отрицательная обратная связь), а фактическое усиление ограничено.Поскольку сами операционные усилители не имеют соединения 0 В, но их конструкция предполагает, что типичные сигналы будут ближе к центру их положительного и отрицательного источников питания. Таким образом, если ваше входное напряжение находится на одном пределе или вынуждает выход к одному источнику, скорее всего, он не будет работать должным образом. Работа в режиме разомкнутого контура аналогична работе компаратора, и выходной сигнал имеет высокий или низкий уровень.
В состоянии замкнутого контура (ограниченное усиление) усилитель случайным образом сравнивает потенциалы двух входных клемм.Выходной каскад выполняет немедленную настройку, когда они не равны. Таким образом, конечная цель усиления — уравнять потенциалы двух входных клемм. И виртуальный шорт получен из этого.

5 предустановок сбалансированного сопротивления

5.1 Роль сбалансированного сопротивления

1) Для согласования входного импеданса обычно требуется подходящее сопротивление.
2) Чтобы уменьшить дисбаланс входного тока, синфазный резистор теоретически должен быть равен параллельному сопротивлению двух резисторов на обратном конце.На практике, в результате замкнутого контура, особенно в условиях глубокой отрицательной обратной связи, рассогласование на выходе не очевидно. И нет необходимости в синфазном заземляющем резисторе, когда несоосность не является основной проблемой. Потому что симметричный резистор — это отправная точка для идеального операционного усилителя. Сопротивление синфазного заземления полезно для биполярных операционных усилителей и не имеет значения для операционных усилителей МОП-типа.
3) Оконечное сопротивление входа заземления: необходимо для согласования импеданса и настройки высокой частоты.
4) Ток смещения и ток смещения.
Для операционных усилителей с током смещения, превышающим ток смещения, согласование входного сопротивления может быть уменьшено, а прецизионные схемы могут компенсировать ток смещения до минимума. Если ток смещения и ток смещения одинаковы, согласованное сопротивление увеличит ошибку.
5) Установите для тока смещения на входе, цель которого состоит в том, чтобы уравнять импеданс инвертирующего и неинвертирующего входов, так что предполагается, что два входа с одинаковыми токами смещения имеют равные падения напряжения, тем самым может быть обеспечено противодействие. сделал.

5.2 Входной балансировочный резистор Описание

Операционный усилитель подключен к инвертирующему усилителю:
Установите входное сопротивление для R1, сопротивление обратной связи для Rfi,
Предположим, что неинвертирующий конец не подключен к симметричному резистору, а заземлен напрямую.
Установите входной ток смещения для операционного усилителя IB (одинаковое напряжение в инвертирующем и неинвертирующем концах).
Ток, протекающий через R1, и Rf представлен I1 и If.
Инвертирующее напряжение V-, усиление операционного усилителя A.
Используйте KCL в инвертирующем конце (установите входной сигнал на 0).
Где (0-V -) / R1- (A + 1) V- / Rf = IB

Из приведенного выше уравнения следует, что V — = — (IB × R1 × Rf / (Rf + (A + 1) R1))

В это время выходное напряжение операционного усилителя составляет Vo = A × (IB × R1 × Rf / (Rf + (A + 1) R1)) <

Приведенную выше формулу можно приблизительно представить как Vo = IB × ((A × R1) / Rf)

Если синфазный вывод проходит через резистор R2 на землю и R2 = R1 / Rf, то напряжение на синфазном выводе составляет В + = — IB × R2

KCL применяется к инвертированной клемме, где (0-V -) / R1 + (A × (V + -V -) — V -) / Rf = IB

> В это время выходное напряжение операционного усилителя Vo = 0.

6 уравнений идеального ОУ

Понимание основных условий идеального операционного усилителя и их комбинирование с методом узлового напряжения по закону тока Кирхгофа (KCL) и теоремой суперпозиции узла является эффективным методом анализа идеальной схемы операционного усилителя.
Как показано ниже, найдите выходное напряжение uo
1) Уравнение на основе KCL
Из концепции виртуального разрыва, i + = i- = 0, тогда i1 = i2, i3 = i4, поэтому

(а)

На основе виртуального разрыва u + = u-, затем

(б)

2) Метод напряжения узла
Составьте список уравнений напряжения узла для узла 1 и узла 2 и получите

(в)

Примечание. Поскольку выходной ток операционного усилителя неизвестен в пунктах 1) и 2), невозможно перечислить уравнение KCL или уравнение напряжения узла на выходе операционного усилителя.Кроме того, выход uo операционного усилителя в 2) следует рассматривать как независимый источник напряжения.
3) Теорема суперпозиции
При наличии нескольких входных сигналов выбор теоремы суперпозиции для решения может упростить процесс анализа и вычислений. Размер выходного сигнала uo можно рассматривать как суперпозицию выходного сигнала, полученного независимым действием u1 и u2. Когда u1 действует один, клемма u2 заземлена, а выход операционного усилителя:

(г)

Следовательно, конечный выход операционного усилителя:

(д)

7 Несколько общих схем операционных усилителей

Схема неинвертирующего усилителя
Неинвертирующий усилитель представляет собой конфигурацию схемы операционного усилителя, которая выдает усиленный выходной сигнал.Он обеспечивает высокий входной импеданс и все преимущества, полученные от использования операционного усилителя.

Рисунок 3. Схема неинвертирующего усилителя

Схема инвертирующего усилителя
Инвертирующий усилитель (также известный как инвертирующий операционный усилитель или инвертирующий операционный усилитель) представляет собой тип схемы операционного усилителя, который выдает выходной сигнал, который не совпадает по фазе с его входом на 180 градусов по фазе. относительно входного сигнала. На следующем рисунке показаны два внешних резистора для создания цепи обратной связи и замыкания цепи через усилитель.

Рисунок 4. Схема инвертирующего усилителя

Операционный усилитель в качестве сумматора
Схема сумматора может быть создана путем подключения большего количества входов к инвертирующему операционному усилителю. Принципиальная схема суммирующего усилителя показана на следующем рисунке.

Рисунок 5. Операционный усилитель как сумматор

Дифференциальный усилитель
Дифференциальный усилитель — это аналоговая схема с двумя входами и одним выходом, выход которой идеально пропорционален разнице между двумя напряжениями.Это очень полезная схема операционного усилителя, в которой параллельно с входными резисторами добавляются дополнительные резисторы, как показано ниже.

Рисунок 6. Дифференциальный усилитель

Составной усилитель
Композитный усилитель — это комбинация нескольких операционных усилителей, которые соединены каскадом вместе с контуром отрицательной обратной связи по всей сети.

Рисунок 7. Композитный усилитель

Сопротивление в цепи обычно выбирается на уровне кОм, соотношение сопротивлений влияет на усиление и смещение, кроме того, ток питания, частотная характеристика и способность управления емкостной нагрузкой операционного усилителя определяют свои конкретные значения в схемах. .Если он используется в высокочастотной цепи, сопротивление необходимо уменьшить, чтобы получить лучший высокочастотный отклик, но это увеличит входной ток смещения, тем самым увеличивая ток источника питания.

8 различий между идеальным операционным усилителем и практичным операционным усилителем

Идеальные операционные усилители не потребляют питание, имеют бесконечное входное сопротивление, неограниченную полосу усиления и скорость нарастания, не имеют входного тока смещения и входного смещения. У них неограниченное соблюдение напряжения.
Практические операционные усилители потребляют некоторую мощность, имеют очень высокий входной импеданс, ограниченную полосу усиления и ограниченную скорость нарастания, имеют некоторый входной ток смещения и входное напряжение смещения.Соответствие напряжению ограничивается шиной питания, а часто даже меньше.
Практичные операционные усилители по-прежнему очень полезны, потому что большинство перечисленных выше ограничений намного лучше, чем то, что нужно вашей схеме.
Для идеального усилителя он вообще не потребляет ток со своего входа. Предполагая, что усилитель с двумя входами, ток сигнала в обоих входных пробниках равен нулю. Другими словами, входное сопротивление должно быть бесконечным. Выход должен работать как выход идеального источника напряжения.Это означает, что потенциал между выходом и землей должен быть A (v2-v1), независимо от того, какой ток потребляет нагрузка, подключенная к выходу. Другими словами, выходной импеданс должен быть равен нулю.
Для реального усилителя входное сопротивление должно быть как можно большим, а выходное сопротивление — как можно меньшим.
На самом деле, в реальной жизни операционный усилитель не может работать с нулевым током.

9 Номер ссылки

Обзор основ работы с электронным операционным усилителем

Обзор основ работы с неинвертирующим и инвертирующим усилителями

Основные проблемы Анализ основных проблем с операционным усилителем

.