Неидеальность ОУ, ее последствия и борьба с ними

June 26, 2010 by admin Комментировать »

Если входное сопротивление неинвертирующего усилителя равно практиче­ски бесконечности, то инвертирующего почти в точности равно R2. Почти — по ряду различных причин, на которых мы не будем останавливаться, потому что эта разница несущественна для практических нужд. Важнее другое — входы реального ОУ все же потребляют ток, называемый током смещения, хотя и очень небольшой. Ток смещения на инвертирующем входе (в любой из двух схем) создаст падение напряжения на резисторе обратной связи, и оно воспринимается как входной сигнал. Если этот ток равен, к примеру, 0,2 мкА (казалось бы— так мало!), как у нашего любимого цА741, то при сопротивлении R1 = 1 МОм напряжение на выходе при отсутствии напряже­ния на входе достигнет 0,2 В.

Как обычно, в большинстве случаев важно не само по себе смещение, а его температурная нестабильность. Борьба с этим явлением может вестись в трех направлениях: во-первых, не следует использовать в цепочке обратной связи сопротивления большого номинала, стандартный диапазон их— от килоом до десятков килоом. Если же при необходимости сохранить достаточно вы­сокое входное сопротивление инвертирующего усилителя при большом ко­эффициенте усиления применение высокоомных резисторов желательно, то следует использовать схему, показанную на рис. 12.3, г. В данном случае вся цепочка в обратной связи работает, как один резистор с номинальным сопро­тивлением 5,1 МОм, и коэффициент усиления равен 100 при входном сопро­тивлении 50 кОм.

Во-вторых, в схему следует вводить компенсирующий резистор Rk (на рис. 12.3, а—в он показан пунктиром)— падение напряжения от тока сме­щения по неинвертирующему входу на нем отчасти компенсирует падение напряжения по входу инвертирующему. Тогда будет уже не столь важен сам ток смещения, сколько разница токов смещения, потребляемых по каждому из входов усилителя, которая определенно меньше каждого из токов.

В-третьих, если наличие именно тока смещения критично, то можно выбрать ОУ с малыми токами смещения — например, с полевыми транзисторами на входе. Так как сами токи там исчезающе малы, то их разница, естественно, вообще может не приниматься во внимание.,

Правда, в ОУ с полевыми транзисторами еще больше, чем в обычных ОУ, проявляется другая напасть— входное напряжение сдвига’, которое есть ве­личина разности напряжений между входами, при котором выходной сигнал ОУ в точности равен нулю. Возникает оно вследствие нестрогой идентично­сти транзисторов входных каскадов, и для разных типов ОУ имеет довольно большой разброс — от десятков микровольт у прецизионных ОУ до единиц и даже десятков милливольт у ОУ с полевыми транзисторами. Естественно, оно, как и токи смещения, зависит от температуры. Бороться с напряжением сдвига гораздо сложнее, чем с токами смещения. Во многих типах ОУ тради­ционно имеются специальные выводы, присоединив к которым переменный резистор, можно регулировать смещение нуля на выходе. Однако пользо­ваться этой возможностью я не рекомендую (ничего хорошего в перекосе входного дифференциального каскада внешним вмешательством нет), и практических схем, где ей пользуются, я не встречал — подобно тому, как никто не пользуется возможностью внешней коррекции частотной характе­ристики, предусмотренной Видларом. Потому у большинства современных ОУ таких выводов нет.

В критичных случаях проще просто выбрать прецизионный ОУ с минималь­ным сдвигом, которых сейчас предлагается довольно много, — укажем на упоминавшиеся уже МАХ478 (сдвоенный) и МАХ479 (счетверенный), отли­чающиеся, кстати, исключительно широким диапазоном допустимых напря­жений питания — от ±2,2 до ±18 В при очень небольшом потреблении — не более 25 мкА на каждый усилитель при максимальном напряжении питания. Правда, они довольно медленные (полоса усиления — десятки килогерц), но для схем по постоянному току быстродействие не имеет значения.

Подробности

к сожалению, усилители МАХ478, которые мы будем в этой книге широко при­менять, фирмой MAXIM более не выпускаются (фирма, по моим наблюдениям, отходит от производства прецизионных ОУ). Без изменений в схеме и в по­грешностях они могут быть заменены, например, на модели фирмы Analog De­vices ОР193/ОР293/ОР493 (соответственно, одинарный/сдвоенный/счетверен­ный) или на ОР2177/ОР4177 (питание от ±2,5 В до ±15 В) или, с некоторым увеличением погрешности, на ОР290/ОР490 (питание от ±0,8 до ±18 В). Очень хороший прецизионный усилитель — ОР97 с питанием до ±20 В, смещением всего 20 мкВ и вдесятеро большим быстродействием, чем у МАХ478, только он имеет повышенное потребление 0,6 мА и выпускается только в одинарном корпусе, а не сдвоенным/счетверенным. Если не жадничать и ограничиться питанием до ±5—6 В (как и будет в большинстве схем с ОУ далее), то малопо­требляющих прецизионных ОУ можно найти больше: для примера укажем ОР196/ОР296/ОР496 (питание до ±6 В, потребление 60—80 мкА, Rail-to-Rail по входу и практически по выходу). Только при выборе учтите, что в характери­стиках часто указывают суммарное напряжение питания (так, если указано, что максимальное напряжение питания может составлять 6 В, то двухполярное должно составлять, соответственно, не более ±3 В, таких типов сейчас выпус­кается больше всего). Ориентироваться нужно на напряжение смещения (Input Offset Voltage) не более 100—200 мкВ, и учитывать возможности размаха на­пряжения по выходу и по входу (в большинстве случаев они ограничены). Если в схеме еще критично и потребление, то из кажущегося разнообразия типов останется не так уж и много вариантов.

Укажем — до кучи — еще один довольно экзотический, но тем не менее ис­пользовавшийся на практике до самого последнего времени способ борьбы со всеми этими сложностями: в случаях, требующих особой точности, всю схему вместе с ОУ попросту размещали в термостате! Как проектировать термостаты, мы узнаем в конце главы, а пока вернемся на землю.

В случае если требуется особо точное усиление некоего сигнала постоянного тока, все же имеется выход без использования подобной экзотики. Во-первых, это так называемые МДМ-усилители (от «модулятор-демодулятор», подобно «модему»). Их широко применяли еще в ламповые времена, так как тогда усилители постоянного тока с более-менее приемлемыми характери­стиками строить было больше не из чего. В основе МДМ-усилителей лежит довольно остроумная идея — модулировать входным сигналом некое пере­менное напряжение относительно высокой частоты, усилить полученное пе­ременное напряжение с меняющейся амплитудой, что значительно проще, так как при этом все эти сдвиги-смещения остаются за бортом, и после опять детектировать, выделив постоянную составляющую.

К сожалению, в этом деле есть свои подводные камни (низкая предельная частота, невысокий коэффициент усиления, вероятность просачивания моду­лируемой частоты на выход, наконец, дороговизна), поэтому большее рас­пространение получили так называемые «операционные усилители, стабили­зированные прерыванием» (chopper stabilized amplifiers). Внутри таких ОУ автоматически производится периодическая компенсация смещения входных параметров. Для разработчика — это просто обычный ОУ, имеющий весьма высокие характеристики: типичное напряжение сдвига составляет 5—10 мкВ, коэффициент усиления — более 10^, очень маленький входной ток смещения (порядка долей наноампера, как у ОУ с полевыми транзисторами) и т. п., при полосе единичного усиления порядка сотен килогерц или единиц мегагерц. К ним относятся отечественные 140УД21 и 149УД24, а также МАХ420, МАХ430/432, ICL7652, AD8629/AD8630, AD8638/AD8639 и другие.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты