Выходное напряжение смещения ошибка нуля оу при увеличении коэффициента усиления сигнала ku

Практические аспекты ОУ. Напряжение смещения, ток смещения, дрейф

Добавлено 3 декабря 2018 в 04:11

У реальных операционных усилителей по сравнению с «идеальной» моделью есть некоторые недостатки. Реальное устройство отличается от идеального дифференциального усилителя. У него может быть смещение как у аналогового измерительного устройства, которое не обнуляется. Входы могут потреблять ток. Характеристики могут дрейфовать с возрастом и температурой. Эти недостатки могут привести к незначительным ошибкам в одних приложениях и недопустимым ошибкам в других приложениях. В некоторых случаях эти ошибки могут быть компенсированы. Иногда требуется более высокое качество и более дорогостоящее устройство.

Напряжение смещения

Другой практической проблемой для производительности операционного усилителя является смещение напряжения. То есть влияние наличия выходного напряжения на величину, отличную от нуля, когда два входных вывода закорочены вместе. Помните, что операционные усилители – это, прежде всего, дифференциальные усилители: они должны усиливать разность напряжений между двумя входными выводами и не более того. Когда разность входных напряжений точно равна нулю, мы (в идеале) ожидаем, что на выходе будет точно нулевое напряжение. Однако в реальном мире это случается редко. Даже если рассматриваемый операционный усилитель имеет нулевой коэффициент усиления синфазного сигнала (бесконечный CMRR), выходное напряжение может быть не равным нулю, когда оба входа закорочены вместе. Это отклонение называется смещением выходного уровня операционного усилителя.

Смещение выходного напряжения операционного усилителя

Идеальный операционный усилитель выдает ровно ноль вольт, когда оба входа закорочены вместе и соединены с землей. Тем не менее, большинство стандартных операционных усилителей будут сдвигать свое выходное напряжение в сторону уровня насыщения, либо отрицательного, либо положительного. В приведенном выше примере выходное напряжение насыщается при значении положительных 14,7 вольт, чуть меньше, чем +V (+15 вольт) из-за предела положительного насыщения этого конкретного операционного усилителя. Поскольку смещение приводит выходное напряжение к точке полного насыщения, нельзя сказать, какое смещение напряжения присутствует на выходе. Если раздельный источник питания +V/-V был достаточно высокого напряжения, кто знает, может быть, выходное напряжение составляло бы несколько сотен вольт из-за влияния смещения!

По этой причине напряжение смещения обычно выражается через эквивалентную величину дифференциального входного напряжения, создающего этот эффект. Другими словами, мы предполагаем, что операционный усилитель является идеальным (без смещения вовсе), и небольшое напряжение прикладывается последовательно с одним из входов, чтобы заставить выходное напряжение в ту или иную сторону отойти от нуля. Поскольку дифференциальные коэффициенты усиления операционных усилителей настолько велики, значение «входного напряжения смещения» необязательно должно учитывать то, что мы видим с закороченными входами:

Входное напряжение смещения

Напряжение смещения будет приводить к небольшим ошибкам в любой схеме на операционных усилителях. Итак, как мы компенсируем его? В отличие от синфазного коэффициента усиления, производители обычно предусматривают средства устранения смещения в корпусных операционных усилителях. Обычно два дополнительных вывода на корпусе операционного усилителя зарезервированы для подключения внешнего «подстроечного» потенциометра. Эти выводы обозначаются как смещение нуля и используются следующим обобщенным образом:

Схема смещения нуля операционного усилителя

На одиночных операционных усилителях, таких как 741 и 3130, выводы смещения нуля – это выводы 1 и 5 на 8-выводном DIP корпусе. Другие модели операционных усилителей могут использовать другие выводы для смещения нуля и/или потребовать немного отличающиеся схемы подключения подстроечного потенциометра. Некоторые операционные усилители вообще не предоставляют выводов смещения нуля! Подробности смотрите в технических описаниях от производителей.

Ток смещения

Входы операционного усилителя имеют чрезвычайно высокие импедансы. То есть входные токи, поступающие или выходящие из двух входных сигнальных выводов операционного усилителя, чрезвычайно малы. Для большинства целей анализа схем на операционном усилителе мы относимся к ним так, как будто их вообще нет. Мы анализируем схему, как если бы ток, входящий или выходящий из входных выводов, был равен абсолютному нулю.

Однако эта идиллическая картина не совсем верна. Операционные усилители, особенно операционные усилители с биполярными транзисторами на входах, должны пропускать некоторый ток через свои входные выводы, чтобы их внутренние схемы были правильно смещены. Эти токи, логично, называются токами смещения. При определенных условиях токи смещения операционного усилителя могут вызывать проблемы. Следующая схема иллюстрирует одно из этих проблемных условий:

Усиление сигнала с термопары

На первый взгляд мы не видим никаких явных проблем с этой схемой. Термопара, создающая небольшое напряжение, пропорциональное температуре (на самом деле, напряжение пропорционально разнице температур между измерительным переходом и «опорным» переходом, сформированным при соединении проводов сплава термопары с медными проводами, ведущими к операционному усилителю), управляет операционным усилителем либо в положительную, либо в отрицательную сторону. Другими словами, это своего рода схема компаратора, сравнивающая температуру между переходом на конце термопары и опорным переходом (около операционного усилителя). Проблема заключается в следующем: проводная петля, образованная термопарой, не обеспечивает путь для обоих входных токов смещения, поскольку оба тока пытаются идти одним и тем же путем (либо в операционный усилитель, либо из него).

Эта схема компаратора не будет работать

Эта схема компаратора не будет работать

Чтобы эта схема работала должным образом, мы должны соединить с землей один из входных проводов, таким образом обеспечивая путь к (или из) точке земли для обоих токов:

Эта схема компаратора будет работать

Эта схема компаратора будет работать

Эта проблема необязательно очевидна, но очень реальна!

Входные токи смещения могут вызвать проблемы другим способом: нежелательные падения напряжения на сопротивлениях схемы. Возьмем для примера следующую схему:

Влияние входного тока смещения на работу повторителя напряжения

Мы ожидаем, что схема повторителя напряжения, такая как приведенная выше, точно воспроизводит на выходе входное напряжение. Но что насчет сопротивления последовательно с источником входного напряжения? Если есть какой-либо ток смещения через неинвертирующий (+) вход, он вызовет некоторое падение напряжения на R_вх, таким образом, напряжение на неинвертирующем входе будет не соответствовать фактическому значению V_вх. Токи смещения обычно находятся в диапазоне микроамперов, поэтому падение напряжения на R_вх будет не очень большим. Одним из примеров приложения, где входное сопротивление (R_вх) может быть очень большим, является то, которое имеет электроды pH-пробника, где один электрод содержит ионно-проницаемый стеклянный барьер (очень плохой проводник с сопротивлением в миллионы ом).

Если бы мы на самом деле строили схему на операционном усилителе для измерения напряжения на pH электроде, мы бы, вероятно, захотели использовать операционный усилитель с входами на полевых (FET или MOSFET, IGFET) транзисторах, вместо операционного усилителя с входами на биполярных транзисторах (для уменьшения входного тока смещения). Но даже тогда, могут оставаться небольшие токи смещения, которые могут вызывать ошибки измерений, поэтому мы должны найти какой-то способ уменьшить их с помощью хорошего проектирования.

Один из способов сделать это основан на предположении, что два входных тока смещения будут одинаковыми. В действительности, они часто близки к тому, чтобы быть одинаковыми, разница между ними называется током входного смещения. Если они одинаковы, тогда мы должны иметь возможность убрать влияние падения напряжения на входном сопротивлении, вставив сопротивление равной величины последовательно с другим входом, например:

Устранение влияния падения напряжения на входном сопротивлении

При добавлении в схему дополнительного сопротивления выходное напряжение будет ближе к V_вх, чем раньше, даже если есть некоторое смещение между этими двумя входными токами.

И для схемы инвертирующего усилителя, и для схемы неинвертирующего усилителя компенсирующий резистор помещается последовательно с неинвертирующим (+) входом, чтобы компенсировать падения напряжения в цепи делителя из-за тока смещения.

Установка компенсирующего резистора в схему неинвертирующего усилителя

Установка компенсирующего резистора в схему инвертирующего усилителя

В любом случае значение компенсирующего резистора определяется путем вычисления параллельного сопротивления R₁ и R₂. Почему значение равно параллельному эквиваленту R₁ и R₂? При использовании теоремы суперпозиции для определения того, насколько большое падение напряжения будет создаваться током смещения инвертирующего (-) входа, мы рассматриваем ток смещения, как если бы он исходил от источника тока внутри ОУ и закорачивал все источники напряжения (V_вх и V_вых). Это дает два параллельных пути для тока смещения (через R₁ и через R₂, оба на землю). Мы хотим дублировать эффект тока смещения на неинвертирующем (+) входе, поэтому значение резистора, которое мы выбираем для вставки последовательно с этим входом, должно быть равно R₁ параллельно с R₂.

Связанная с этим проблема, которую иногда испытывают учащиеся при изучении построения схем на операционных усилителях, вызвана отсутствием соединения источника питания с общей землей. Для правильной работы ОУ необходимо, чтобы какой-либо вывод источника питания постоянного напряжения был общим с точкой «земли» входного сигнала(ов). Это обеспечивает полный путь для токов смещения, тока(ов) обратной связи, а также для (выходного) тока нагрузки. Возьмем для примера следующую схему, показывающую источник питания, правильно соединенный с землей:

Отрицательная обратная связь с делителем напряжения на примере модели операционного усилителя

Здесь стрелки обозначают путь протекания токов через батареи источника питания, как для питания внутренних схем операционного усилителя («потенциометр» внутри него, который управляет выходным напряжением), так и для питания петли обратной связи из резисторов R₁ и R₂. Предположим, что точка земли этого «раздельного» источника питания постоянного напряжения была удалена. Эффект от этого будет огромен:

Отрицательная обратная связь с делителем напряжения на примере модели операционного усилителя. Средняя точка земли у источника питания удалена.

Отрицательная обратная связь с делителем напряжения на примере модели операционного усилителя. Средняя точка земли у источника питания удалена.
Соединение источника питания с землей обязательно для работы схемы!

Никакие электроны не могут протекать в или из выходного вывода операционного усилителя, потому что путь к источнику питания заканчивается «тупиком». Таким образом, никакие электроны не протекают ни через точку земли слева от R₁, ни через петлю обратной связи. Это фактически делает операционный усилитель бесполезным: он не может ни поддерживать ток через петлю обратной связи, ни через соединенную с землей нагрузку, поскольку нет никакого соединения какой-либо точки источника питания с землей.

Токи смещения также останавливаются, поскольку они полагаются на путь к источнику питания и обратно к входному источнику через землю. На следующем рисунке показаны токи смещения (только), когда они проходят через входные выводы операционного усилителя, через выводы баз входных транзисторов и, в конечном счете, через вывод(ы) источника питания и обратно на землю.

Пути протекания входных токов смещения в схеме на операционном усилителе

Пути протекания входных токов смещения в схеме на операционном усилителе.
Пути протекания токов смещения показаны через источник питания

Без опорной точки земли на источнике питания токи смещения не будут иметь полного пути в схеме, и они будут остановлены. Поскольку биполярные транзисторы являются устройствами, управляемыми током, это также делает бесполезным входной каскад операционного усилителя, так как оба входных транзистора будут вынуждены уйти в режим отсечки из-за полного отсутствия тока базы.

Резюме

Входы операционного усилителя обычно проводят очень малые токи, называемые токами смещения, и необходимые для правильного смещения первого транзисторного усилительного каскада в схеме операционного усилителя. Токи смещения не большие по величине (в диапазоне микроампер), но достаточно большие, чтобы вызывать проблемы в некоторых приложениях.
Токи смещения на обоих входах должны иметь пути для протекания к одной из «шин» источника питания или к земле. Недостаточно просто обеспечить проводящий путь от одного входа к другому.
Чтобы устранить любые напряжения смещения, вызванные током смещения, протекающим через сопротивления, просто добавьте эквивалентное сопротивление последовательно с другим входом операционного усилителя (так называемое компенсирующее сопротивление). Эта корректирующая мера основана на предположении, что два входных тока смещения будут равны.
Любое неравенство между токами смещения в операционном усилителе составляет то, что называется током входного смещения.
Для правильной работы операционного усилителя важно, чтобы на каком-либо выводе источника питания была опорная точка земли, чтобы сформировать полные пути для токов смещения, тока обратной связи и тока нагрузки.

Дрейф

Будучи полупроводниковыми устройствами, операционные усилители подвергаются незначительным изменениям в поведении при изменениях рабочей температуры. Любые изменения в производительности ОУ, связанные с температурой, относятся к категории дрейфа операционного усилителя. Параметры дрейфа могут быть указаны для токов смещения, напряжения смещения и т.п.. Для более подробной информации смотрите техническое описание на конкретный операционный усилитель от производителя.

Чтобы свести дрейф операционного усилителя к минимуму, мы можем выбрать операционный усилитель, имеющий минимальный дрейф, и/или мы можем сделать всё возможное, чтобы поддерживать рабочую температуру как можно более стабильной. Последнее действие может включать в себя обеспечение некоторой формы управления температурой для внутренней части оборудования, в которой размещается операционный усилитель(и). Это не так странно, как может показаться на первый взгляд. Известно, что, например, в стандартных лабораторных опорных генераторах точного напряжения иногда используются «печи» (термостаты) для поддержания чувствительных компонентов (таких как стабилитроны) при постоянной температуре. Если требуется высокая точность при обычных факторах стоимости и гибкости, это может быть вариант, на который стоит обратить внимание.

Резюме

Операционные усилители, будучи полупроводниковыми устройствами, подвержены изменениям температуры. Любые изменения в производительности усилителя, возникающие в результате изменения температуры, известны как дрейф. Дрейф лучше всего минимизировать с помощью управления температурой окружающей среды.

Влияние напряжения смещения нуля и входных токов на погрешность в оу

Одним
из факторов, влияющих на точность и
работу устройств на ОУ является наличие
в ОУ статических ошибок: напряжения
смещения нуля и входных токов. Такие
источники при
отсутствии
входного сигнала
вызывают
появление на выходе ОУ постоянного
напряжения
U_ош.вых.

Расчитаем
U_ош.вых
для первого каскада

Погрешность
за счет входных токов мала по сравнению
с погрешностью, связанной с напряжением
смещения. Поэтому устранением этой
погрешности можно пренебречь и вторые
выходы ОУ в общей схеме просто заземляются.

Для
второго каскада эта величина будет
складываться из U_ош.вых
собственно второго каскада и усиленной
U_ош.вых
первого каскада.

После
первого и второго каскада необходимо
поставить разделительный конденсатор,
т.к. U_ош.вых
после третьего каскада составит еще
большую величину. Разделительный
конденсатор не пропустит постоянную
составляющую, следовательно для третьего
каскада

Это
достаточно большая величина, выходящая
за пределы допустимой погрешности,
следовательно её необходимо компенсировать.
Это можно делать при помощи регулировочного
потециометра (см. рис.1), поставленного
на один из ОУ но есть более простой
способ. На выход всего усилителя можно
поставить небольшую ёмкость, которая
не пропустит постоянную составляющую
сигнала 
U_ош.вых.

Тогда
схема, например, выходного каскада будет
иметь вид (Рис.3)

Расчитаем
ёмкость между вторым и третим каскадом.

,
где
_н
= (R_вых.пр
+ R_{вх.посл})C₂,
М_н
1.035

R_вых.пр100Ом,
R_{вх.посл}

R₅,
_н
= (10²+
10⁴)С₁

 С₂
= 1мкФ. С₃=С₂,
т. к. каскады идентичны.

На
выход ПУ поставим ёмкость, исходя из
сопротивления нагрузки
– С4
= 2мкФ.

Устранение помех источника питания.

За
счёт источника питания может появляться
помеха, которая будет влиять на режим
работы операционных усилителей. Наиболее
ощутимо это влияние будет в первом и во
втором каскадах. Чтобы нейтрализовать
влияние помех от источника питания на
выводы питания операционнго усилителя
можно поставить RC
фильтры. На схеме это будет выглядеть
следующим образом
(Рис.4).

В
еличины
элементов R₇,
R₈,
C₅,
C₆
выбираются из следующих соображений.

Падение
напряжения питания на резисторах не
должно превышать одного вольта,
следовательно R₇
= R₈
=5кОм. Конденсаторы C₅,
C₆
определяются из следующего условия

_RC1/f_н,
где _RC
= R*C
– постоянная времени RC
цепочки 

C₆= C₇
Ф

C₅= C₆
= 2мкФ.

Итого
элементы

R₇
– R₁₀
= 5кОм

С₅
– С₈
=2мкФ.

Общая
схема прецизионного микромощного
усилителя.

Окончательная
схема ПУ представленна в приложении к
работе. Все конденсаторы – керамические,
причём, в отличее от резисторов, они не
обязательно должны быть прецизионными.
Тип конденсаторов С_1,…,С₈
– К10-17.

Вывод.

Разработанная
схема – прецизионный усилитель на трех
каскадах — полностью удовлетворяет
условиям технического задания. Она
разработана на прецизионных усилителях
и обычных конденсаторах; защищена от
помех источника питания и источника
сигнала.

Приложение 1

Поз.	Наименование	Кол.	Примеч.
	Конденсаторы
	Конденсатор К10 – 17 – 1мкФ±20%	3	С1,С2,С3
	Конденсатор КД – 2 – 2мкФ10	5	С4 – С8

	Резисторы
	Резистор С2-29В – 0.125 — 10кОм±0.05%	3	R1,R3,R5
	Резистор С2-29В — 0.125 — 100кОм±0.05%	3	R2,R4,R6
	Резистор С2-29В — 0.125 — 5кОм±0.05%	4	R7 – R10

	Микросхемы
	Микросхема 154УД1А	4

Входной ток сдвига и напряжение смещения нуля в усилителях

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).

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»).

Источник

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

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

Источник

Практические аспекты ОУ. АЧХ, сдвиг фазы

У реальных операционных усилителей по сравнению с «идеальной» моделью есть некоторые недостатки. Реальное устройство отличается от идеального дифференциального усилителя. Коэффициент усиления может уменьшаться на высоких частотах, а фаза может сдвигаться от входа к выходу. Эти недостатки могут привести к незначительным ошибкам в одних приложениях и недопустимым ошибкам в других приложениях. В некоторых случаях эти ошибки могут быть компенсированы. Иногда требуется более высокое качество и более дорогостоящее устройство.

Частотный отклик

Обладая невероятно высокими дифференциальными коэффициентами усиления по напряжению, операционные усилители являются первыми кандидатами на явление, известное как паразитные колебания (паразитное самовозбуждение). Вероятно, вы слышали эквивалентный аудиоэффект, когда громкость (усиление) микрофонной усилительной системы была установлена слишком высоко: этот высокочастотный визг, вызванный подачей звуковых колебаний через микрофон обратно в усилительную систему, где они снова усиливаются. Схема на операционном усилителе может проявлять такой же эффект, при этом обратная связь осуществляется электрически, а не в аудиоформе.

Пример этого можно увидеть в операционном усилителе 3130, если он будет подключен как повторитель напряжения с минимальным количеством соединений (два входа, выход и выводы подачи питания). Выход этого операционного усилителя будет самовозбуждаться, независимо от входного напряжения, из-за своего высокого коэффициента усиления. Для борьбы с этим явлением должен быть подключен компенсирующий конденсатор к двум специально предусмотренным выводам на операционном усилителе. Этот конденсатор обеспечивает высокоимпедансный путь для отрицательной обратной связи, возникающей внутри схемы операционного усилителя, таким образом, уменьшая усиление переменного напряжения и подавляя нежелательные колебания. Если операционный усилитель используется для усиления высокочастотных сигналов, этот компенсационный конденсатор может не понадобиться, но он абсолютно необходим для работы с сигналами постоянного напряжения или низкочастотного переменного напряжения.

Некоторые операционные усилители, такие как модель 741, имеют встроенный компенсационный конденсатор, чтобы минимизировать потребность во внешних компонентах. Это усовершенствующее упрощение не обошлась даром: из-за присутствия этого конденсатора внутри операционного усилителя отрицательная обратная связь имеет тенденцию усиливаться по мере увеличения частоты (поскольку реактивное сопротивление конденсатора при увеличении частоты уменьшается). В результате дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя по напряжению уменьшается по мере увеличения частоты: он становится менее эффективным усилителем на более высоких частотах.

Производители операционных усилителей публикуют графики амплитудно-частотных характеристик своих продуктов. Так как достаточно высокий дифференциальный коэффициент усиления абсолютно необходим в схемах на операционных усилителях для хорошей работы обратной связи, зависимость коэффициента усиления от частоты операционного усилителя эффективно ограничивает рабочую «полосу частот». Разработчик схемы должен учитывать это, если в требуемом диапазоне частот сигнала должна поддерживаться хорошая производительность.

Резюме

Из-за емкостей внутри операционных усилителей их дифференциальные коэффициенты усиления по напряжению имеют тенденцию уменьшаться по мере увеличения частоты входного сигнала. Графики амплитудно-частотных характеристик операционных усилителей предоставляются производителями.

Сдвиг фазы выходного сигнала относительно входного

Чтобы проиллюстрировать сдвиг фазы выходного сигнала операционного усилителя относительно входного сигнала, был протестирован операционный усилитель OPA227. OPA227 был включен в типовую неинвертирующую схему (рисунок ниже).

Тестовая схема неинвертирующего усилителя на OPA227 для проверки сдвига фазы

Схема сконфигурирована для усиления примерно в 340 раз, или ≅50 дБ. Входной сигнал V_ист был установлен на 10 мВ пик-пик и на три интересующие нас частоты: 2,2 кГц, 22 кГц и 220 кГц. Зависимость коэффициента усиления и фазы от частоты при разомкнутой цепи обратной связи для OPA227 показана на рисунке ниже.

Графики амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик

Чтобы помочь предсказать для замкнутой петли обратной связи сдвиг фазы между входным и выходным сигналами, мы можем использовать графики коэффициента усиления и фазы при разомкнутой петле обратной связи. Так как конфигурация схемы требует коэффициента усиления при замкнутой петле обратной связи, или 1/β, ≅50, график коэффициента усиления при замкнутой петле обратной связи пересекает график коэффициента усиления при разомкнутой петле обратной связи примерно на 22 кГц. После этого пересечения график коэффициента усиления при замкнутой петле обратной связи скатывается на типовые для усилителей с отрицательной обратной связью по напряжению 20 дБ/декада, и следует (повторяет) за графиком коэффициента усиления при разомкнутой петле обратной связи.

Фактически здесь работает отрицательная обратная связь от замкнутой петли, которая изменяет частотный отклик разомкнутой петли. Замыкание петли отрицательной обратной связью устанавливает полюс замкнутой петли на 22 кГц. Подобно доминирующему полюсу на графике фазо-частотной характеристики при разомкнутой петле, мы ожидаем фазовый сдвиг в отклике для замкнутой петли. Насколько большой фазовый сдвиг мы увидим?

Поскольку новый полюс теперь находится на 22 кГц, это также точка -3 дБ, так как полоса начинается скат для замкнутой петли снова на 20 дБ/декада, как было указано ранее. Как и при любом полюсе в основах теории управления, фазовый сдвиг начинает происходить за одну декаду по частоте до полюса и заканчивается на 90° фазового сдвига через одну декаду по частоте после полюса. Итак, что это предсказывает для отклика при замкнутой петле в нашей схеме?

Это предскажет фазовый сдвиг, начинающийся на 2,2 кГц, фазовый сдвиг 45° в точке -3 дБ на 22 кГц и, наконец, окончание фазового сдвига с 90° на 220 кГц. Три рисунка, приведенных ниже, представляют собой осциллограммы на интересующих нас частотах в нашей схеме на OPA227.

На осциллограмме ниже сигнал 2,2 кГц, и никакого заметного сдвига фазы нет.

На осциллограмме ниже сигнал 22 кГц, и зарегистрирован сдвиг фазы ≅45°.

И наконец, на осциллограмме ниже сигнал 220 кГц, и зарегистрирован сдвиг фазы ≅90°.

OPA227 Av = 50 дБ @ 220 кГц

Осциллограммы были сделаны с помощью осциллографа LeCroy 44x Wavesurfer. Последняя осциллограмма была снята с пробником x1 с включенным фильтром верхних частот.

Источник

Практические аспекты ОУ. Напряжение смещения, ток смещения, дрейф

Добавлено 3 декабря 2018 в 04:11

Напряжение смещения

Смещение выходного напряжения операционного усилителя

Входное напряжение смещения

Схема смещения нуля операционного усилителя

Ток смещения

Усиление сигнала с термопары

Эта схема компаратора не будет работать

Эта схема компаратора не будет работать

Эта схема компаратора будет работать

Эта схема компаратора будет работать

Эта проблема необязательно очевидна, но очень реальна!

Влияние входного тока смещения на работу повторителя напряжения

Устранение влияния падения напряжения на входном сопротивлении

Установка компенсирующего резистора в схему неинвертирующего усилителя

Установка компенсирующего резистора в схему инвертирующего усилителя

Отрицательная обратная связь с делителем напряжения на примере модели операционного усилителя

Пути протекания входных токов смещения в схеме на операционном усилителе

Резюме

Входы операционного усилителя обычно проводят очень малые токи, называемые токами смещения, и необходимые для правильного смещения первого транзисторного усилительного каскада в схеме операционного усилителя. Токи смещения не большие по величине (в диапазоне микроампер), но достаточно большие, чтобы вызывать проблемы в некоторых приложениях.
Токи смещения на обоих входах должны иметь пути для протекания к одной из «шин» источника питания или к земле. Недостаточно просто обеспечить проводящий путь от одного входа к другому.
Чтобы устранить любые напряжения смещения, вызванные током смещения, протекающим через сопротивления, просто добавьте эквивалентное сопротивление последовательно с другим входом операционного усилителя (так называемое компенсирующее сопротивление). Эта корректирующая мера основана на предположении, что два входных тока смещения будут равны.
Любое неравенство между токами смещения в операционном усилителе составляет то, что называется током входного смещения.
Для правильной работы операционного усилителя важно, чтобы на каком-либо выводе источника питания была опорная точка земли, чтобы сформировать полные пути для токов смещения, тока обратной связи и тока нагрузки.

Дрейф

Резюме

Операционный усилитель – одна из базовых схем аналоговой электроники, на основе которой можно строить сложные системы. Данный элемент существует как отдельно, так и присутствует в составе почти всех интегральных микросхем: управления питанием AC/DC,DC/DC,LDO, АЦП, ЦАП, интерфейсы, синтезаторы частот, микроконтроллеры и тд. Система, в которой будет использоваться усилитель накладывает определенные ограничения на его параметры. Как измерить параметры усилителя и с какими трудностями можно столкнуться?

Базовые сведения об операционном усилителе ОУ

Фундаментально, операционный усилитель представляет собой преобразователь напряжения с высоким коэффициентом умножения, разработанный для применения в системах с обратной связью. Существует много различных архитектур, как построить усилитель на базе транзисторов, однако в большинстве случаев схемотехники рассматривают его как некий черный ящик или треугольник, в котором есть 3 основных вывода: Inp — неинвертирующий вход, Inn инвертирущий вход, Out- выход для полностью дифференциальных усилителей доступны два выхода: инвертирующий и неинвертирующий. Идеальный усилитель можно представить следующим образом:

Основные параметры ОУ:

Ku – коэффициент усиления.
Vos – напряжение смещения нуля.
Диапазон входных и выходных напряжений.
GBW – частота единичного усиления.
CMRR – коэффициент ослабления синфазного напряжения.
Noise – собственный уровень шума усилителя
Iin – входной ток.
+PSRR – устойчивость к помехе по питанию.
-PSRR – устойчивость к помехе по земле.
V-, V+ – напряжения земли и питания соответственно.
P – потребляемая мощность.

Итак, основные параметры усилителя описали, приступим к анализу схем для их измерения.

Измерения параметров ОУ

При разработке микросхем, в симуляторе довольно легко проверить все параметры, которые вас интересуют. В современных САПР есть много различных типов анализа схем, которые позволяют сделать это быстро. При работе с реальной схемой сталкиваешься сразу же с кучей проблем. Последний год, работал над проектом – изолированный усилитель ошибки. Проект запущен в изготовление на фабрике, а пока необходимо разобраться – как же все это дело проверить в жизни. Для работы данной схемы в составе изолированного DC-DC преобразователя очень важны параметры входного ОУ:

Блок-схема изолированного усилителя

В РФ существует отдельный ГОСТ 23089, в котором описаны схемы измерений, но нигде не выведено как именно они работают и с какие проблемы могут встретиться в данном процессе. Рассмотрим подробно все схемы измерений, надеюсь кому-то это будет полезно при работе с аналоговым железом).

Коэффициент усиления Ku

Для измерения коэффициента усиления соберем схему, для работы которой необходимо применять вспомогательный усилитель.

Схема измерения коэффициента усиления

Для того, чтобы при измерении избавиться от напряжения Vos, необходимо производить измерения 2 раза, при разных G4.
1. G4=U1, тогда Uxi=Ux1.
2. G4=U2, тогда Uxi=Ux2.

Вывод формулы

Запишем уравнения Кирхгофа:

Ux_i=left(V4-G5right)cdot A

$frac{G4-V4}{R7}=frac{V4-V3}{R5}$

$frac{Ux_i-V1}{R3}=frac{V1-G3}{R1}$

$left(left(V_{os}+G3right)-V1right)cdot Ku=V3$

Составим уравнения для 2-х этапов измерения, проводя следующие замены переменных:
1. V1→V11, V3→V31, V4→V41, Ux_i→Ux₁, G4=U1.
2. V1→V12, V3→V32, V4→V42, Ux_i→Ux₂, G4=U2.

Получаем систему из 8-ми уравнений с 8-ю неизвестными: V11, V12, V31, V32, V41, V42, Ku, Vos. Решая уравнения, получаем:

$Ku=frac{R1+R3}{R1}cdotfrac{left(U1-U2right)cdot R5+frac{left(R5+R7right)cdotleft(Ux2-Ux1right)}{A}}{left(Ux1-Ux2right)cdot R7} =$

$approxleft|Arightarrowinfty,R5=R7right|approxfrac{R1+R3}{R1}cdotfrac{U1-U2}{Ux1-Ux2}$

$Ku=frac{R1+R3}{R1}cdotfrac{U1-U2}{Ux1-Ux2}$

Примечания к схеме моделирования

Измеряемое напряжение Uxi будет равно:

$Ux_i=G3+frac{R1+R3}{R1}cdotleft(V_{os}-frac{G4}{Ku}right)$

Для увеличения точности измерений необходимо увеличивать R3, однако смещение нуля может вывести из режима вспомогательный усилитель поэтому стоит выбирать усилитель с широким диапазоном биполярного питания.

Результаты моделирования

Переходим от теории к практике: подгружаем spice модель вспомогательного усилителя в симулятор и собираем схему измерения.

Схема измерения коэффициента усиления, собранная в симуляторе

Для компенсации всей системы необходимо использовать RC цепь на неинвертирующем входе вспомогательного усилителя.

Для измерений источник vtest создает 2 уровня напряжений U2, U1, после чего замеряется напряжение на vin, и по формуле пересчитывается в коэффициент усиления:

Работа схемы в tran анализе, где vin - выход вспомогательного усилителя (для различных G3)

Работа схемы в tran анализе, где vin — выход вспомогательного усилителя (для различных G3)

Работа схемы в tran анализе, где vin — выход вспомогательного усилителя для различных G3

Для исследуемого усилителя получается 105дБ.

Возможные трудности при измерениях

1) Влияние смещения нуля на рабочую точку вспомогательного усиления. При смещении нуля исследуемого усилителя 5мВ, выход вспомогательного усилителя по DC становится -4.7В проблема устраняется при использовании биполярного питания.

2) При моделировании с включенными в симуляторе шумами транзисторов, их амплитуда оказывается сопоставимой с разницей напряжений, необходимых для вычислений Ku:

Выход вспомогательного усилителя с учетом шума исследуемого усилителя

Для улучшения точности измерений необходимо использовать усреднение, однако оно не помогает полностью избавиться от шума. Если коэффициент усиления не слишком высокий, шум не будет сильной помехой. У исследуемого усилителя минимальное значение Ku=66дБ:

$66=20cdot log_{10}left(frac{50000+50}{50}cdotfrac{2.1-0.4}{dUxi}right)$

Получается, чтобы отбраковать усилитель нужно задетектировать 0.4В, что с таким уровнем шума является легкой задачей.

3) Напряжение на выходе исследуемого усилителя будет равно V12+V12−Vtest. Для повышения точности необходимо задавать разницу между двумя vtest как можно больше, однако все это ограничивается допустимым выходным напряжением усилителя, это нужно также учитывать.

Смещение нуля Vos

Рассмотрим схему для измерения смещения:

Схема измерения коэффициента усиления

Найдем формулу, которая будет определять напряжение смещения.

Вывод формулы

Составим систему уравнений:

$frac{Ux_1-V1}{R5}=frac{V1-G3}{R1}$

$left((V_{os}+G3right)-V1)cdot Ku=G5$

Решая систему неизвестные V1 и Vos, получаем:

$V_{os}=frac{G5}{Ku}+frac{R1}{R1+R5}cdotleft(Ux1-G3right)$

Итого:

$V_{os}approxfrac{R1}{R1+R5}cdotleft(Ux1-G3right)$

Примечания к схеме моделирования

Выходное напряжение вспомогательного усилителя определяется формулой:

$Ux_1=G3+frac{R5+R1}{R1}V_{os}$

Для увеличения точности измерений необходимо увеличивать R5, однако смещение нуля может вывести из режима вспомогательный усилитель поэтому стоит выбирать усилитель с широким диапазоном биполярного питания.

Результаты моделирования

Приступим к моделированию. Собираем схему измерения с учетом цепи коррекции и однополярного питания исследуемого усилителя:

Схема измерения напряжения смещения, собранная в симуляторе

Проведем AC анализ с цепью коррекции:

AC анализ на стабильность обратной связи

Система работает стабильно, теперь проведем измерения для разных смещений нуля: Voff=-5m:2m:5m

Напряжения на выходе вспомогательного усилителя для различных значений смещения нуля и G3

При измерении смещения выход вспомогательного усилителя варьируется от -3.5В до 5.4В. Итого для Vos при Vcm=0.4, 1.5 получаем следующие значения по формулам:

Возможные трудности при измерениях

1) При смещении нуля исследуемого усилителя -5мВ, выход вспомогательного усилителя по DC становится -3.5В. Для vos=5мВ – напряжение становится 5.4В проблема устраняется при использовании биполярного питания.

2) При добавлении шума, картина измерений не сильно ухудшается:

Выход вспомогательного усилителя с учетом шума исследуемого усилителя

Результаты для измерений с шумом используется усреднение:

Частота единичного усиления f1/GBW

Рассмотрим схему измерения частоты единичного усиления:

Схема измерения частоты единичного усиления

Найдем формулу, которая будет определять частоту единичного усиления:

Вывод формулы

Запишем уравнения Кирхгофа:

$frac{Vin-V1}{R1}+frac{V4-V1}{R5}=frac{V1-V3}{R2}$

$frac{V1-V3}{R2}=frac{V3-G3}{R3}$

(G3-V3)cdot Ku=V2

left(V2-G5right)cdot A=V4

Неизвестные: V3, V4, Vin, Ku. Решим систему и найдем чему равен Ku:

$Ku=frac{R2+R3}{R3}cdotfrac{V2}{G3-V1}$

Переходя к амплитудам переменных сигналов с частотой f₀, учитывая, что сигналы V2 и V1 сдвинуты на 180 градусов, а G3=const:

$Kuleft(f_0right)=frac{V2_{amp}}{V1_{amp}}cdotfrac{R2+R3}{R3} left(1right)$

Если Ku имеет наклон 20db/dec вплоть до f1, тогда передаточную характеристику, можно представить в виде:

$K=frac{K_0}{left(1+jcdot2pi ftau_0right)}$

AЧХ данной характеристики можно представить как:

$Ku=left|Kright|=frac{K_0}{sqrt{1+tau_0^2cdotleft(2pi fright)^2}}$

Если проводить измерения отступив от полочки, АЧХ можно записать в след виде:

$Kuapproxfrac{K_0}{2pi ftau_0}$

Для частоты единичного усиления:

$Kuleft(f_1right)=1=frac{K_0}{2pi f_1tau_0}Rightarrowtau_0=frac{K_0}{2pi f_1}$

Проводим измерения для частоты

$Kuleft(f_0right)=frac{K_0}{2pi ftau_0}=frac{K_0}{2pi}frac{1}{f_0}frac{2pi f_1}{K_0}=frac{f_1}{f_0}$

Подставляем уравнение 1, получаем финальное выражение для частоты единичного усиления:

$f_1=frac{V2_{amp}}{V1_{amp}}cdotfrac{R2+R3}{R3}cdot f_0$

Примечания к схеме моделирования

Для использования данной методики необходимо учитывать, что наклон АЧХ должен составлять 20дБ/дек вплоть до частоты единичного усиления.
Запишем уравнение для V4: $V4=-frac{R3}{R2+R3}cdot Acdot Kucdot V1$

Для того, чтобы система не выходила из режима, необходимо подбирать R2 >> R3. Также увеличение R2 приведет к увеличению V1, что повысит точность измерений.
При переходе от сигналов к амплитудам, необходимо помнить о предположении, что V2 и V1 отстают друг от друга на 180 градусов, поэтому при подборе цепи коррекции, необходимо убедиться в данном предположении.

Результаты моделирования

Схема измерения частоты единичного усиления, собранная в симуляторе

Проведем ac анализ для данной системы:

AC анализ на стабильность обратной связи

Из графика видно, что для стабильной работы нужно использовать частоту f0 в диапазоне от 1-20кГц.

По моделированию наклон АЧХ усилителя имеет 20дб/дек, поэтому метод справедлив. Итого для различных технологических корнеров, температур и питания получаем результаты:

Результаты моделирования для различных технологических корнеров

Возможные трудности при измерениях

Необходимо использовать увеличивать резисторы R1, R2, R5 в моем случае R1=R5=10кОм,R2=50кОм, чтобы увеличить амплитуду сигнала v1 и vout, что повышает точность измерений.
Можно увеличить амплитуду входного сигнала для увеличения точности в моем случае до 500мВ.

При выполнении пунктов выше влияние шума становится минимальным.

Метод 2 для измерения f1

Существует более простой метод для измерения частоты единичного усиления:

Схема измерения частоты единичного усиления (метод 2)

Для измерения на вход емкости Cin подается синусоидальный сигнал. Частота сигнал изменяется, до поры, пока амплитуда входного сигнала не станет равной амплитуде выходного.

Резисторы Rout и Rin подбираются исходя из того, чтобы амплитуда на выходе Ux не превышала напряжение питания. Однако в единичном включении схему составлять нельзя. Из-за плавного спада амплитуды, что заведомо будет уменьшать частоту единичного усиления при измерениях:

АЧХ цепи: синим - собственная АЧХ усилителя, зеленым - АЧХ усилителя с обратной связью > 1, красным - АЧХ усилителя с единичной обратной связью

АЧХ цепи: синим — собственная АЧХ усилителя, зеленым — АЧХ усилителя с обратной связью > 1, красным — АЧХ усилителя с единичной обратной связью

Поэтому при выборе резисторов необходимо добавлять коэффициент обратной связи обычно влияние спада становится слабым при усилении более 20дБ.

Минусы метода:

Большая часть усилителей не рассчитана на работу с сигналом большой амплитуды на высоких частотах нелинейности будут влиять на амплитуду – следовательно и на результат измерений. К примеру, для данного усилителя на 10МГц нужно подавать сигнал 10мВ для отсутствия искажений.
При использовании малых сигналов, шумы становятся по амплитуде сопоставимы с полезным сигналом.
Требуется высокочастотный генератор для усилителей с большой полосой.

Коэффициент ослабления синфазного напряжения CMRR

Уравнение идеального ОУ можно записать так:

$V_{out}=A_dcdotleft(V_2-V_1right)$

Однако если учитывать неидельность усилителя, в уравнении появится коэффициент усиления синфазного напряжения Acm:

$V_{out}=A_dcdotleft(V_2-V_1right)+A_{cm}frac{V2+V1}{2}$

CMRR определяется как отношение Ad к Acm.

Рассмотрим схему для измерения CMRR:

Для устранения влияния смещения нуля усилителя на систему, измерения необходимо проводить в 2 этапа:

G1 = U1, Ux_i = Ux1, Vi=V1;
G1 = U2, Ux_i = Ux2, Vi=V2;

Найдем формулу, которая будет определять CMRR:

Вывод формулы

Составим систему уравнений, с учетом влияния CMRR на систему:

$left(G1+Vos-Viright)A_d+frac{G1+Vos+Vi}{2}A_{cm}=G3$

$frac{Vi-Uxi}{R3}=frac{G1-Vi}{R1}$

Выведем уравнение для Uxi:

$Uxi=frac{2left(R1+R3right)}{left(A_{cm}-2A_dright)R1}G3-(1+frac{A_{cm}left(R1+2R3right)}{left(A_{cm}-2A_dright)R1})Ui-$

$-frac{left(A_{cm}+2A_dright)left(R1+R3right)}{left(A_{cm}-2A_dright)R1}Vos left(1right)$

Для разности Uxi 2-х этапов измерения, справедливо:

$Ux1-Ux2=(1+frac{A_{cm}left(R1+2R3right)}{left(2A_d-A_{cm}right)R1})left(U1-U2right)$

Учитывая тот факт, что $A_dgg A_{cm}$ и R3gg R1 :

$Ux1-Ux2=left(1+frac{R3}{R1}frac{A_{cm}}{A_d}right)cdotleft(U1-U2right)$

Итого:

$CMRR=frac{R3}{R1}frac{U1-U2}{left(Ux1-Ux2right)-left(U1-U2right)}$

Примечания к схеме моделирования

Исходя из уравнения 1, видно что на вклад постоянного напряжения выхода вспомогательного усилителя сильно влияет Vos с коэффициентом R3/R1.
Для использования уравнения для CMRR, необходимо, чтобы .

Результаты моделирования

Схема измерения коэффициента подавления синфазной помехи, собранная в симуляторе

Проведем tran анализ для измерения CMRR. Рассмотрим сигналы vcm и vin:

Временной анализ (на графике красным - выход вспомогательного усилителя, синим - вход синфазного уровня исследуемого усилителя)

Временной анализ (на графике красным — выход вспомогательного усилителя, синим — вход синфазного уровня исследуемого усилителя)

В аналоговой электронике существует один из видов теста -Монте-Карло, который статистически разбрасывает параметры компонент транзисторов, конденсаторов, резисторов. Именно из-за неидеальностей технологий появляется усиление Acm. Проведем данный анализ и определим максимальное и минимальное значение CMRR:

В монте-карло анализе получаем следующие результаты:

Результаты по CMRR для исследуемого усилителя

Возможные трудности при измерениях

Необходимо использовать биполярный усилитель для компенсации части Uxi, которую вносит смещение: R3/R1 * Vos.
Шум не сильно будет влиять, для 66dB – dUx > 1.65В.

Входной ток Iin1, Iin2

Рассмотрим схему для измерения входных токов:

Схема измерения входных токов ОУ

Для измерения входных токов необходимо проводить 3 этапа измерений:

R3, R4 – закорочены. PV1 → Ux₁. ключи S2, S1 — замкнуты.
R3 — активный, R4 – закороченный. PV1 → Ux₂.ключ S1 — разомкнут, S2 — замкнут.
R4 — активный, R3 – закороченный. PV1 → Ux₃. ключ S2 — разомкнут, S1 — замкнут.

Найдем формулу, которая будет определять CMRR:

Вывод формулы

1) Эквивалентная схема при включении на 1 этапе:

Упрощенная схема измерения Iin - этап 1

Упрощенная схема измерения Iin — этап 1

Запишем систему уравнений:

$frac{Ux_1-V_1}{R5}=frac{V1-G3}{R1}+Iin_1$

Iin_2cdot R_2=G3-V_2

left(V_2-V_1right)cdot Ku=G5

2) Эквивалентная схема при включении на 2 этапе:

Упрощенная схема измерения Iin - этап 2

Упрощенная схема измерения Iin — этап 2

Запишем систему уравнений:

$frac{Ux_2-V_{12}}{R5}=frac{V_{12}-G3}{R1}+Iin_1$

$frac{V_{12}-V_3}{R3}=Iin_1$

left(V_2-V_3right)cdot Ku=G5

Вывод формулы

3) Эквивалентная схема при включении на 3 этапе:

Упрощенная схема измерения Iin - этап 3

Упрощенная схема измерения Iin — этап 3

Упрощенная схема измерения Iin — этап 2

Запишем систему уравнений:

$frac{Ux_3-V_{13}}{R5}=frac{V_{13}-G3}{R1}+Iin_1$

$left(V_{23}-V_{13}right)cdot Ku=G5$

$G3-V_{23}=Iin_2cdotleft(R2+R3right)$

Итого получаем 9 уравнений. Неизвестные: V1, V12, V13, V3, V2, V23, Iin1, Iin2, Ku.

Решая систему уравнений получаем следующие формулы для входных токов:

$Iin_1=frac{R1}{R1+R5}cdotleft(Ux_2-Ux_1right)cdotfrac{1}{R_3}$ $Iin_2=-frac{R1}{R1+R5}cdotleft(Ux_3-Ux_1right)cdotfrac{1}{R_4}$

Примечания к схеме моделирования

При выводе формулы считается, что входной ток усилителя не зависит от входного напряжения. Этот факт дает небольшую погрешность в измерениях.
Для повышения точности измерений, необходимо увеличивать резисторы R3,R4,R5. Также необходимо, чтобы R1 << R5.

Результаты моделирования

Схема измерения входных токов ОУ

Из-за низкого входного тока, для проверки работоспособности схемы используем входные источники тока, подключенные к выводам ta2 и tb2. По методологии, описанной ранее, изменяя положение ключей, рассчитываем входной ток. На рисунке изображен выход вспомогательного усилителя для максимальных входных токов 100нА:

Временная диаграмма выходов вспомогательного усилителя для различных G3

Проводим тест для различных G3, и в итоге получаем:

Возможные трудности при измерениях

1. При смещении нуля исследуемого усилителя -5мВ, выход вспомогательного усилителя по DC становится -4.7В проблема устраняется при использовании биполярного питания.

2. При моделировании с включенным шумом внутренних компонентов усилителя, его уровень становится сопоставимым с разницей напряжений при маленьком входном токе 1нА:

Временная диаграмма выхода вспомогательного усилителя, при входном токе 1нА, с учетом шума

Точно маленькие токи данным методом не измерить, однако для отбраковки, при усреднении необходимо задетектировать токи в 100нА, что с текущем уровнем шума довольно легко сделать:

Временная диаграмма выхода вспомогательного усилителя, при входном токе 100нА, с учетом шума

Заключение

Надеюсь, не сильно утомил читателей формулами, однако для понимания необходимо было все точно вывести. Большинство схем были взяты из советского госта, к сожалению, описание там никуда не годится, ко всему прочему он имеет ошибки. Зато данные схемы можно использовать радиолюбителю в случае необходимости проверить заявленные характеристики усилителя, ведь схемы не требуют создавать стенд с дорогостоящим оборудованием.

Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.

Была ли вам интересна тематика измерений? Стоит ли писать о дальнейших испытаниях уже в железе?

92.59%
Да, было бы интересно
75

Проголосовал 81 пользователь.

Воздержались 2 пользователя.

Источник

Отсутствует цепь для отвода тока смещения при связи по переменному току

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

Неработоспособная схема на ОУ со связью по переменному току

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

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

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

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

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

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

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

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

Примеры неработоспособных схем со связью по переменному току на ИУ

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

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

Неработоспособная схема с трансформаторной связью на ИУ

Рис. 4. Неработоспособная схема с трансформаторной связью на ИУ

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

Высокоомный резистор между каждым входом и общим проводом необходим для пути возврата тока смещения на «землю»

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

Правильный способ трансформаторной связи со входами ИУ

Рис. 6. Правильный способ трансформаторной связи со входами ИУ

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

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

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

Подача опорного напряжения на ОУ, ИУ и АЦП

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

Типичная схема подачи сигнала с ИУ на АЦП с однополярным питанием

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

Корректная подача опорного напряжения в ИУ

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

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

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

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

где R₂/R₁ = R₄/R₃.

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

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

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

Подача опорного напряжения на ИУ с низкоимпедансного выхода ОУ

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

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

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

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

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

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

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

Развязывание цепи опорного сигнала для сохранения КОНИП

Рис. 10. Развязывание цепи опорного сигнала для сохранения КОНИП

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

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

Фильтру для заряда после включения требуется время. При приведенных номиналах время заряда составляет 10–15 с (несколько постоянных времени фильтра, T = R₃C_ƒ = 5 c).

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

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

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

Результаты испытаний

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

Развязывание напряжения питания схем на ОУ с однополярным питанием

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

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

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

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

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

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

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

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

Источник

Форум РадиоКот • Просмотр темы — Компенсация смещений ОУ

Сообщения без ответов | Активные темы

ПРЯМО СЕЙЧАС:

Автор

Сообщение

Не в сети

Заголовок сообщения: Компенсация смещений ОУ

Добавлено: Пн мар 23, 2015 22:37:15

Друг Кота

Карма: 70

Рейтинг сообщений: 1238

Зарегистрирован: Вс мар 29, 2009 22:09:05
Сообщений: 7502

Рейтинг сообщения: 0

Я тут решил разобраться с компенсацией напряжения и тока смещения ОУ, и у меня возникли вопросы. Хочу задать их знающей общественности.

Итак, схемы.

1. Верно ли я понимаю, что такое включение компенсирует и ошибку, вызванную напряжением смещения, и ошибку, вызванную током смещения, поскольку последний, в сущности, проявляет себя в виде падения напряжения на резисторах ОС, которое в итоге суммируется с напряжением смещения самого ОУ?

2. Нужна ли компенсация напряжения смещения преобразователю тока в напряжение? Тут говорят, что нет, и что единственная ошибка в такой схеме обусловлена током смещения, который суммируется с преобразуемым (что понятно). Однако легко видеть, что, если закоротить входы ОУ, то он зашкалит, потому что напряжение смещения будет усилено на коэффициент усиления ОУ без ОС. Однако по логике в такой ситуации на выходе должен быть ноль (средняя точка), т.к. тока-то не втекает и не вытекает. Получается, надо компенсировать так же, как на рис. 1. Или я где-то ошибаюсь?

Спасибо.

_________________
Разница между теорией и практикой на практике гораздо больше, чем в теории.

Вернуться наверх

Профиль www WWW

Реклама

Coach

Не в сети

Заголовок сообщения: Re: Компенсация смещений ОУ

Добавлено: Вт мар 24, 2015 01:15:53

Встал на лапы

Зарегистрирован: Пт мар 20, 2015 00:27:39
Сообщений: 95

Рейтинг сообщения: 0

в вашей задаче нет величин токов ОУ,
а они могут отличаться в тысячи или даже миллионы раз

Вернуться наверх

Реклама

mickbell

Не в сети

Заголовок сообщения: Re: Компенсация смещений ОУ

Добавлено: Вт мар 24, 2015 05:57:41

Друг Кота

Карма: 111

Рейтинг сообщений: 3850

Зарегистрирован: Пт мар 30, 2012 05:17:29
Сообщений: 12464
Откуда: Екатеринбург

Рейтинг сообщения: 3

YS писал(а):

По рисунку 1? Если вход подключен к источнику с малым сопротивлением и R1||R2 = R3||R5 (сопротивлением R6 пренебрегаем ввиду малости), то — да. Только зачем R4?

YS писал(а):

Здесь, как я себе понимаю, подключается источник с большим выходным сопротивлением. Иначе он будет служить источником ошибки — как в первом случае, если не соблюдено первое указанное мной условие.

_________________
ВНИМАНИЕ! Я часто редактирую свои сообщения, поэтому перед ответом мне советую обновить страницу.
За перенос модераторами в МЯВУ тем с моими сообщениями я ответственности не несу.
«Йухан, Тор! Вы — на бой!» (Reverse)

Вернуться наверх

Slabovik

Не в сети

Заголовок сообщения: Re: Компенсация смещений ОУ

Добавлено: Вт мар 24, 2015 07:00:07

Друг Кота

Карма: 175

Рейтинг сообщений: 7678

Зарегистрирован: Чт апр 04, 2013 12:46:59
Сообщений: 17234
Откуда: Тюмень

Рейтинг сообщения: 0

Полагаю, что:

1. Не верно, т.к. происхождение напряжение смещения — есть внешнее проявление внутреннего для ОУ свойства, не связанное напрямую с его входами, но манипулируя потенциалом на входах возможна компенсация последствий от этого свойства. Другими словами, напряжение смещения — это абстракция, чрезвычайно удобная для проектировщика, использующего ОУ как чёрный ящик. Ток — аналогично. Хотя ток и напряжение смещения коррелируют между собой (по простой причине — каскады внутри ОУ, через которые проходит сигнал, одни и те же).

2. Нужна. Т.к. см. пункт 1. Именно поэтому теоретическое представление ОУ как чёрного ящика даёт противоположный ожидаемый результат от практического, потому что в практическом разрезе ток через входы течёт при любом их положении.

Как подкрепление мысли из пункта 1 можно привести зависимость смещения от температуры, потенциала входов, напряжения питания и т.д.

_________________
Общением на форуме подпитываю свою эгоистичную, склонную к самолюбованию сущность.

Вернуться наверх

Реклама
	Вебинар «Мощные модульные системы питания MEAN WELL 3+N. Новинки и хиты» (22.06.2023) Приглашаем 22 июня на вебинар, посвященный подходу компании MEAN WELL к созданию мощных управляемых систем низковольтного и высоковольтного питания и зарядных установок для промышленного, технологического, телекоммуникационного, медицинского, радиопередающего и другого оборудования, а также для систем альтернативной энергетики. На вебинаре мы рассмотрим новинки и серийную продукцию в концепции «3+N», расскажем об этой концепции и о том, как создать из готовых модулей систему питания мощностью до 360 кВт с напряжением до 380…400 В (постоянного тока). Будут представлены ИП с рециркуляцией энергии для тестового оборудования и модули управления питанием. Подробнее>>

Не в сети

Заголовок сообщения: Re: Компенсация смещений ОУ

Добавлено: Вт мар 24, 2015 12:11:46

Друг Кота

Карма: 70

Рейтинг сообщений: 1238

Зарегистрирован: Вс мар 29, 2009 22:09:05
Сообщений: 7502

Рейтинг сообщения: 0

Цитата:

в вашей задаче нет величин токов ОУ

Я пока рассуждаю об общем случае.

Цитата:

По рисунку 1?

Да, номера соответствуют рисункам.

Цитата:

Только зачем R4?

Чисто технологическое ухищрение, чтобы можно было поставить R6 большего номинала (какой есть). Например, ставя R3=R5=20K, R4=10R, R6=20K, получаем диапазон регулировки 1.25 мВ, не применяя экзотического переменного резистора на 10 Ом, только с помощью имеющегося двадцатикилоомного (оценки относительно моей ситуации с компонентами).

Цитата:

R1||R2 = R3||R5

Вот вопрос, почему здесь должно выполняться это условие? Когда ставится один резистор от неинвертирующего входа на землю/среднюю точку, там понятно. Но если мы полагаем импеданс этой системы резисторов гораздо меньшим импеданса входа ОУ (например, у AD8651 ток смещения порядка 1 пА, так что даже 100 кОм это очень мало), мы фактически фиксируем потенциал неинвертирующего входа. В сущности, речь идет о такой схеме:

По ней вопрос — можно ли компенсировать подбором Uo все смещения, и токовое в том числе, или нет? Ведь ток смещения, как я понял, проявляет себя только напряжением на резисторах ОС, а значит, его можно напряжением же и компенсировать.

Цитата:

Здесь, как я себе понимаю, подключается источник с большим выходным сопротивлением. Иначе он будет служить источником ошибки

Спасибо за пояснение. Это вполне совпадает с моими размышлениями — мне тоже казалось, что говорить об отсутствии влияния напряжения смещения на выходное напряжение в такой схеме можно только в том случае, если внутреннее сопротивление источника чрезвычайно велико.

Цитата:

происхождение напряжение смещения — есть внешнее проявление внутреннего для ОУ свойства

Это-то да.

Цитата:

зависимость смещения от температуры, потенциала входов, напряжения питания и т.д.

Ну, это я пока не рассматриваю.

_________________
Разница между теорией и практикой на практике гораздо больше, чем в теории.

Вернуться наверх

Реклама

mickbell

Не в сети

Заголовок сообщения: Re: Компенсация смещений ОУ

Добавлено: Вт мар 24, 2015 12:29:35

Друг Кота

Рейтинг сообщения: 0

YS писал(а):

Цитата:

Только зачем R4?

Ага, и вот он, источник погрешности от входного тока.

Вернуться наверх

Не в сети

Заголовок сообщения: Re: Компенсация смещений ОУ

Добавлено: Вт мар 24, 2015 12:42:43

Друг Кота

Карма: 70

Рейтинг сообщений: 1238

Зарегистрирован: Вс мар 29, 2009 22:09:05
Сообщений: 7502

Рейтинг сообщения: 0

Не, я понимаю, что если R6 будет велик, он будет вносить погрешность. Но если мы считаем его малым относительно входного импеданса ОУ? Как в примере, что я приводил выше — при токе смещения 1 пА 20 кОм это ничто. :idea: То есть, весь делитель можно считать источником напряжения по отношению ко входу, как на рисунке в моем втором сообщении.

_________________
Разница между теорией и практикой на практике гораздо больше, чем в теории.

Вернуться наверх

Кто сейчас на форуме

Сейчас этот форум просматривают: Роман приморье и гости: 17

Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете добавлять вложения

Источник

Практические аспекты ОУ. Напряжение смещения, ток смещения, дрейф

Напряжение смещения

Ток смещения

Резюме

Дрейф

Резюме

Теги

Влияние напряжения смещения нуля и входных токов на погрешность в оу

Устранение помех источника питания.

Входной ток сдвига и напряжение смещения нуля в усилителях

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

Практические аспекты ОУ. АЧХ, сдвиг фазы

Частотный отклик

Резюме

Сдвиг фазы выходного сигнала относительно входного

Практические аспекты ОУ. Напряжение смещения, ток смещения, дрейф

Напряжение смещения

Ток смещения

Резюме

Дрейф

Резюме

Теги

Базовые сведения об операционном усилителе ОУ

Измерения параметров ОУ

Коэффициент усиления Ku

Смещение нуля Vos

Частота единичного усиления f1/GBW

Коэффициент ослабления синфазного напряжения CMRR

Входной ток Iin1, Iin2

Заключение

Отсутствует цепь для отвода тока смещения при связи по переменному току

Подача опорного напряжения на ОУ, ИУ и АЦП

Корректная подача опорного напряжения в ИУ

Результаты испытаний

Развязывание напряжения питания схем на ОУ с однополярным питанием

Кто сейчас на форуме

Возможно, вам также будет интересно: