No Image

Что такое напряжение смещения

СОДЕРЖАНИЕ
0 просмотров
11 марта 2020

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

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

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

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

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

Рассмотрим числовой пример. Если коэффициент усиления по постоянному напряжению с разомкнутой обратной связью составляет 100 дБ, то получаем усиление 1/10^(100 дБ/20) = 10 мкВ/В. Таким образом, чтобы сместить выход на 1 В относительно средней точки, требуется приложить ко входу напряжение 10 мкВ. Теперь представьте эту ситуацию так, как будто напряжение смещения изменяется при изменении выходного напряжения. Тогда изменению выходного напряжения на 9 В будет соответствовать изменение в 90 мкВ на входе. Попробуйте определить самостоятельно, много это, для вашей схемы или нет?

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

Рис. 10. Напряжение смещения как функция от выходного напряжения

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

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

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

Напряжением смещения нуля (входным напряжением смещения) ОУ называется такое напряжение, при подаче которого на вход выходное напряжение будет равно нулю. Входным током сдвига ОУ называется разность входных токов усилите ля. Обычно используется приведенное к входу значение напряжения смещения нуля, так как выходные параметры ОУ зависят от обратной связи.

Влияние напряжения смещения нуля и входного тока сдвига заключается в том, что входной сигнал должен компенсировать некоторое начальное смещение на входе, прежде чем появится выходной сигнал. Кроме того, при отсутствии входного сигнала существует некоторое постоянное смещение начального уровня на выходе. Например, если у ИС усилителя напряжение смещения нуля составляе r 1 мВ и на его вход подан сигнал такой же величины, то на выходе усилителя никакого сигнала не будет. Если же увеличить входной сигнал до 2 мВ, усиливаться будет только часть сигнала, превышающая уровень 1 мВ.

Схема для измерения напряжения смещения нуля и входного тока сдвига ОУ приведена на рис. 6.26. Выходное напряжение измеряется в двух режимах: Ej (Sl замкнут – R3 закорочены) и Е2 (Sl разомкнут – R3 включены в цепь).

Читайте также:  Что делать если замазка засохла

При равенстве сопротивлений R1, R2 и R3 значениям, показанным на схеме (рис. 6.26), допустим, что величины напряжений равны: El = 83 мВ, E2 = 363 мВ. Тогда

Схема измерений напряжения смещения и входного тока сдвига ОУ

Примечание к рис. Типовые значения схемнъос элементов: R1 = 51 Ом, R2 = 5,1 кОм, R3 = 100 кОм.

Ослабление синфазного сигнала

Для этого параметра существует несколько определений, принятых в литературе (например, коэффициент ослабления синфазного сигнала, КОСС). Однако для измерения ослабления синфазного сигнала, независимо от используемого определения, необходимо в первую очереДь определить усиление ОУ в режиме с разомкнутой обратной связью на требуемой рабочей частоте. Затем для измерения ослабления синфазных сигналов надо собрать схему, приведенную на рис. 6.27. Далее нужно увеличивать синфазное напряжение (той же частоты, на которой измерялось усиление в режиме с разомкнутой обратной связью) до тех пор, пока на выходе не появится сигнал, уровень которого можно надежно измерить. При этом нельзя превышать значения максимально допустимого входного синфазного напряжения, приведенного в технических условиях. При отсутствии информации о его величине следует ограничиться максимально допустимым значением входного напряжения для данной ИС.

Для упрощения расчетов следует увеличивать входное напряжение до тех пор, пока значение выходного напряжения не достигнет целой величины (например, 1 мВ, как показано на рис. 6.27). Далее необходимо вычислить значение эквивалентного

входного дифференциального сигнала. Для этого требуется разделить полученную величину выходного напряжения на значение усиления в режиме с разомкнутой обратной связью. Например, для значения коэффициента усиления в режиме с разомкнутой обратной связью, равного 100, и выходного напряжения, равного 1 мВ, величина эквивалентного дифференциального входного сигнала составит: 0,001 / 100 = 0,00001.

После этого измерьте входное напряжение, при котором выходное напряжение равнялось 1 мВ, и для определения ослабления синфазного сигнала разделите полученное значение на величину эквивалентного дифференциального сигнала. В рассматриваемом примере можно вычислить входное напряжение (при котором выходное напряжение равно 1 мВ), а затем сместить десятичную запятую на пять разрядов. Например, если выходной сигнал равен 1 мВ при напряжении входного синфазного сигнала 10 В, а коэффициент усиления – 100, то коэффициент ослабления синфазного сигнала составит 1 000 000. Полученный результат можно выразить в децибелах (120 дБ по напряжению).

Влияние нестабильности напряжения питания

Влияние нестабильности напряжения питания выражается отношением изменения напряжения смещения нуля ОУ к вызвавшему его изменению напряжения питания. В ряде технических условий размерность этого коэффициента указывается в милливольтах или микровольтах на вольт (мВ/В или мкВ/В), что указывает на изменение напряжения смещения нуля ОУ (измеряется в милливольтах или микровольтах) относительно изменения напряжения питания (в вольтах). В некоторых случаях используется величина, определяющая ослабление влияния напряжения питания, которая измеряется в децибелах.

Независимо от принятого определения для измерения этого параметра используется схема, представленная на рис. 6.26. Методика измерений аналогична приведенной выше, за исключением того, что изменяется напряжение питания (с шагом 1 В). Изменение напряжения смещения нуля ОУ при изменении напряжения питания на 1 В и является величиной ослабления влияния напряжения питания (если необходимо, она может выражаться в децибелах). Схема, изображенная на рис. 6.26, может быть использована и при питании усилителя от двух источников. В этом случае напряжение одного источника питания меняется (с шагом 1 В), тогда как напряжение второго источника остается без изменений.

Источник: Ленк Д., 500 практических схем на популярных ИС: Пер. с англ. – М.: ДМК Пресс, – 44 с.: ил. (Серия «Учебник»).

Усилительные характеристики

Коэффициент усиления К равен отношению приращения выходного напряжения (тока) к вызвавшему это приращение входному напряжению (току) при отсутствии обратной связи (ОС). Он изменяется в пределах от 10 3 до 10 7 .

Важнейшими характеристиками ОУ являются амплитудные (передаточные) характеристики (рис. 1.3).

Их представляют в виде двух кривых, относящихся соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам. Характеристики снимают при подаче сигнала на один из входов при нулевом сигнале на другом. Каждая из кривых состоит из горизонтального и наклонного участков.

Рис. 1.3

Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму полностью открытого (насыщенного) либо закрытого транзисторов выходного каскада. При изменении входного напряжения на этих участках выходное напряжение усилителя остается постоянным и определяется напряжением +U вых (max) , -U вых (max) . Эти напряжения близки к напряжению источников питания.

Наклонному (линейному) участку кривых соответствует пропорциональная зависимость выходного напряжения от входного. Этот диапазон называется областью усиления.Угол наклона участка определяется коэффициентом усиления ОУ: K uоу = U вых / U вх . Большие значения коэффициента усиления ОУ позволяют при охвате таких усилителей глубокой отрицательной обратной связью получать схемы со свойствами,которые зависят только от параметров цепи отрицательной обратной связи.

Читайте также:  Защитные заглушки для труб

Амплитудные характеристики, представленные на (рис. 1.3), проходят через нуль. Состояние, когда U вых = 0 при U вх = 0,называется балансом ОУ. Однако для реальных ОУ условие баланса обычно не выполняется (наблюдается разбаланс). При U вх = 0 выходное напряжение ОУ может быть больше или меньше нуля (U вых = + U вых или U вых = — U вых ).

Дрейфовые характеристики

На (рис. 1.4) показан вид передаточной характеристики реального ОУ.

Рис. 1.4

Напряжение U смо , при котором U вых = 0, называется входным напряжением смещения нуля. Оно определяется значением напряжения, которое необходимо подавать на вход ОУ для создания баланса. Напряжения U смо и U вых связаны соотношением U смо = U вых / К uоу . Основной причиной разбаланса ОУ является существенный разброс параметров элементов дифференциального усилительного каскада. Зависимость от температуры параметров ОУ вызывает температурный дрейф входного напряжения смещения и температурный дрейф выходного напряжения.

Передаточная характеристика ОУ для синфазного сигнала показана на (рис. 1.5), из которого видно, что при достаточно больших значениях U сф (соизмеримых с напряжением источника питания) коэффициент усиления синфазного сигнала К сф резко возрастает.

Рис. 1.5

Используемый диапазон входного напряжения называется областью ослабления синфазного сигнала. ОУ характеризуется коэффициентом ослабления синфазного сигнала .

Входные характеристики

Входное сопротивление, входные токи смещения, разность и дрейф входных токов смещения, а также максимальное входное дифференциальное напряжение характеризуют основные параметры входных цепей ОУ , которые зависят от схемы используемого дифференциального входного каскада.

Входной ток смещения — ток на входах усилителя, необходимый для работы входного каскада ОУ. Он обуславливается конечным значением входного сопротивления дифференциального каскада. Входной ток сдвига — это разность токов смещения, необходимых для двух входных транзисторов ОУ. Он появляется вследствие неточного согласования коэффициентов усиления по току входных транзисторов. Ток сдвига является переменной величиной, лежащей в диапазоне от нескольких единиц до нескольких сотен наноампер.

Начальные входные токи смещения ОУ с дифференциальным каскадом на биполярных транзисторах определяются токами без транзисторов при заземленных выводах, а при наличии каскадов на полевых транзисторах — токами утечки затворов.

Необходимость учета входных токов возникает при построении схем на ОУ, когда в цепь одного или обоих входов включаются резисторы (рис. 1.6). При неодинаковых величинах сопротивлений резисторов или входных токов падения напряжения на резисторах R1 и R2 будут неодинаковыми, что создает между входами дифференциальное напряжение и соответственно вызовет появление на выходе некоторого напряжения (разбаланса).

Рис. 1.6

Вследствие наличия входного напряжения смещения и входных токов смещения схемы ОУ приходится дополнять элементами, предназначенными для начальной их балансировки. Балансировка осуществляется подачей на один из входов ОУ некоторого дополнительного напряжения и введения резисторов в его входные цепи.

Максимальным дифференциальным входным напряжением лимитируется напряжение, подаваемое между входами ОУ в схеме, для исключения повреждения транзисторов дифференциального каскада.Для защиты между входами ОУ включаются встречно — параллельно два диода и стабиллитрона.

Следует различать дифференциальное входное сопротивление т.е. сопротивление между двумя входными выводами, и синфазное входное сопротивление, т.е. сопротивление между объединенными обоими входами и землей.

Выходные характеристики

Выходными параметрами ОУ являются выходное сопротивление, а также максимальное выходное напряжение и ток. ОУ должен обладать малым выходным сопротивлением для обеспечения высоких значений напряжения на выходе при малых сопротивлениях нагрузки. Малое выходное сопротивление достигается применением на выходе ОУ эмиттерного повторителя. Максимальное выходное напряжение (положительное или отрицательное) близко к напряжению питания. Максимальный выходной ток ограничивается допустимым коллекторным током выходного каскада ОУ.

Энергетические характеристики

Энергетические параметры ОУ оценивают максимальными потребляемыми токами от обоих источников питания и соответственно суммарной потребляемой мощностью.

Частотные характеристики

Усиление гармонических сигналов характеризуется частотными параметрами ОУ, а усиление импульсных сигналов — его скоростными или динамическими параметрами.

Многие типы ОУ общего и специального назначения имеют внутреннюю коррекцию, т.е. в схему таких ОУ включен конденсатор малой емкости (обычно 30пФ). Такой конденсатор внутренней частотной коррекции предотвращает генерацию ОУ на высоких частотах. Это происходит за счет уменьшения усиления ОУ с ростом частоты. Интервал частот, на котором частота изменяется в 10 раз, называется декадой. Изменение частоты в два раза называется октавой. Изготовители представляют частотную зависимость усиления ОУ без ОС в виде кривой, называемой амплитудно — частотной характеристикой (АЧХ) без ОС.

На (рис. 1.7) представлена АЧХ, типичная для ОУ с внутренней коррекцией.

Читайте также:  Как подключить теплоаккумулятор к твердотопливному котлу

На низких частотах коэффициент усиления без ОС очень велик. АЧХ имеет спадающий характер в области высокой частоты, начиная от частоты среза f ср . Причиной этого является частотная зависимость параметров транзисторов и паразитных емкостей схемы ОУ. По граничной частоте f гр , которой соответствует снижение коэффициента усиления ОУ в корень квадратный из 2 раз, оценивают полосу пропускания частот усилителя, составляющую для современных ОУ десятки мегагерц.

Рис. 1.7

Частота f1, при которой коэффициент усиления ОУ равен единице, называется частотой единичного усиления. Если разделить полосу единичного усиления на частоту входного сигнала, то получим в результате коэффициент усиления ОУ на данной частоте сигнала. Усиление без ОС на частоте равно полосе пропускания, деленной на частоту входного сигнала.

При составлении графиков частотных характеристик обычно используется логарифмический масштаб.

Коэффициент усиления по напряжению в децибелах равен: KдБ = 20 lg K, где K — числовое значение коэффициента усиления по напряжению.

Уменьшение коэффициента усиления с частотой называется спадом. Последовательная RC — цепь имеет скорость спада АЧХ 20 дБ/дек или 6дБ/окт.

Так как каждый усилительный каскад ОУ в простейшем случае представляется эквивалентной схемой, состоящей из последовательно соединенных R и C, то он также имеет скорость спада АЧХ 20дБ/дек. Для трехкаскадного ОУ коэффициент усиления усилителя равен произведению коэффициентов усиления его отдельных каскадов. При этом получается достаточно громоздкое выражение, поэтому часто пользуются весьма наглядной и простой для понимания диаграммой Боде — графиком зависимости десятичного логарифма Коэффициента усиления от десятичного логарифма частоты. Это удобно, так как значения коэффициентов усиления каскадов, выраженные в децибелах, можно складывать, вместо того чтобы их перемножать. Таким образом, АЧХ его каскадов можно получить, построив на одном графике АЧХ его каскадов и графически их сложив.

Так как интегральные ОУ без ОС практически не применяются, необходимо определить влияние ОС на АЧХ ОУ. Отрицательная ОС ограничивает коэффициент усиления ОУ и значительно расширяет полосу пропускания. Отметим, что отрицательная обратная связь не расширяет АЧХ ОУ, а граничная частота ОУ увеличивается за счет уменьшения коэффициента усиления усилителя.

Коэффициент усиления по контуру ОС, как видно из (рис. 1.8), есть разность между коэффициентами усиления ОУ без ОС и с ОС, выраженной в децибелах.

Рис. 1.8

В том случае когда скорость спада АЧХ ОУ составляет 20дБ/дек, произведение коэффициента усиления ОУ на частоту единичного усиления есть величина постоянная.

При усилении сигналов ОУ обычно охватывается отрицательной обратной связью по инвертирующему входу. Вследствие создаваемого усилителем в области высоких частот Фазового сдвига выходного сигнала относительно входного фазочастотная характеристика ОУ по инвертирующему входу приобретает дополнительный (сверх 180°) фазовый сдвиг (рис. 1.9).

Рис. 1.9

Для некоторой высокой частоты полный фазовый сдвиг становится равным 360°, что соответствует положительной обратной связи по инвертирующему входу на этой частоте, что приводит к самовозбуждению схемы. Для устранения самовозбуждения в ОУ вводят внешние корректирующие RC — цепи, позволяющие несколько изменить ход амплитудно — частотной и фазово — частотной характеристик.

Критерий устойчивости ОУ иногда выражается через запас устойчивости по фазе, который представляется в виде суммы фаз Ф = 180° + . Положительный запас устойчивости ОУ по фазе является показателем его устойчивости. Отрицательный запас по фазе характерен для неустойчивого ОУ. Для получения максимального быстродействия ОУ желательно иметь запас устойчивости по фазе около 45° .

Устойчивость ОУ можно оценить и по частоте, находящейся в полосе его пропускания. Если половина периода этой частоты равна времени задержки распространения сигнала по контуру ОС, то в ОУ возникают колебания.

В реальных условиях работы ОУ всегда имеют место паразитные эффекты и паразитные элементы, которые могут приводить к дополнительному увеличению сдвигов фазы по петле ОС и нарушать устойчивое состояние ОУ.

Для обеспечения устойчивой работы ОУ необходимо уменьшать запаздывание по фазе, т.е. корректировать АЧХ ОУ.

Скоростные характеристики

Динамическими параметрами ОУ являются скорость нарастания выходного напряжения (скорость отклика) и время установления выходного напряжения. Они определяются по реакции ОУ на воздействие скачка напряжения на входе (рис. 1.10).

Рис. 1.10

Скорость нарастания выходного напряжения U вых находят по отношению приращения выходного напряжения к времени на участке изменения выходного напряжения от 0,1U вых до 0,9U вых . Время установления выходного напряжения t уст оценивают интервалом времени, в течение которого выходное напряжение меняется от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения. В ряде схем ОУ допускается введение корректирующих цепей, улучшающих параметры U вых и t уст . Для ОУ U вых = 0.1:100 в/мкс, а t уст = 0.05:2 мкс.

Комментировать
0 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
Adblock detector