Oper_Ampl

Глава 1. Основные сведения об операционных усилителях

R 1	R ос
	U вых
+U	∞
R 2	+U
R 4	-U
R П
	R А
-U

Рис. 1.21. Схема внешней установки нуля инвертирующего усилителя

Заметим, что RА + R2 = Rк это условие компенсации напря- жения сдвига выхода, вызванного токами смещения. Сопротив- ление R4 выбирается так, чтобы параллельное соединение RА и R4 было примерно равно RА, это означает, что RА выбирается малым, а R4 большим. Так как R4 »RA , то диапазон регулировки напряжения сдвига приблизительно равен ±U RA/R4. Потенцио- метр RП R4, должен иметь достаточно большое сопротивление, чтобы не нагружать источник питания, но вместе с тем ток че- рез потенциометр должен быть по крайней мере в 20 - 40 раз больше Iсм . Аналогично ток через R4 должен быть больше Iсм , так как RA и R4 образуют делитель напряжения.

Пример. Предположим, что на рис.1.21. R1 = 20 кОм и RО.С. = 200 кОм. Следует установить Rк = 18,2 кОм. Если U = 15 В,

Iсм = 0,8 мкА и Uсдв.макс = 20 мВ, выберем R4 ≈ ±U/20Iсм = 15 В/16 мкА = 800 кОм. На практике можно взять величину R4 меньшую, чем расчетная (если это допустимо), чтобы получить возможно меньшее значение RA, поэтому выберем R4 = 400 кОм. После этого определим RA :

40

Глава 1. Основные сведения об операционных усилителях

RA

U сдв. макс

U

=

,

откуда R =

сдв.макс

R

R4

U

A

U

4

RА = 400 кОм - (20 мВ/15 В) = 540 Ом.

Теперь получим:

R2 = Rк - RА= 18,2 кОм - 540 Ом = 17,66 кОм .

Компенсация Uсдв, в неинвертирующем усилителе делается аналогично; однако делитель напряжения устанавливается в цепи обратной связи, так что очень важно, чтобы R4 было мно- го больше RА (рис. 1.22.).

Заметим, что R1 = RА + RВ и эта сумма используется в выра- жении для определения коэффициента усиления усилителя с обратной связью Сопротивления RП и R4 выбираются точно так же, как и для инвертирующего усилителя.

В дифференциальном усилителе цепь установки нуля стро- ится аналогичным образом, но делитель напряжения составляет часть R'ос как показано на рис. 1.23.

41

Глава 1. Основные сведения об операционных усилителях

U1	R1	RО С
		. .
U2	R2	Uвых
		∞

+U

+U

- U

R4 RВ

RП

RА R'ос=RА+RВ

-U

Рис.1.23. Схема внешней установки нуля дифференциального усилителя

Вэтой цепи R'ос = RВ + RА и эта сумма должна подставляться

ввыражение для выходного напряжения. Заметим, что R4 должно быть много больше сопротивлений R2+ RВ и RА При этом компоненты выбираются так же, как и в рассмотренных выше случаях. Резистор компенсации Rк не вводится специаль-

но в этой схеме, поскольку обычно (R'ос || R2) ≈ (Rос || R1) из со- ображений масштабирования, и сдвиг, вызванный током сме- щения, оказывается скомпенсированным.

1.7. ТОК СДВИГА И ЕГО ИЗМЕРЕНИЕ

Для измерения тока сдвига собирается схема, приведенная на рис. 1.24 . Заметим, что при замкнутом положении переклю- чателей S1 и S2 схема напоминает повторитель с заземленным входом.

42

Глава 1. Основные сведения об операционных усилителях

	S1
	С1
	R1
	Iсм	Uвых
	∞
R2	+U
С2	- U
S2
Рис.1.24. Схема измерения Iсм		и Iсдв

Если есть внутренняя регулировка напряжения смещения, то при замкнутом положении переключателей S1 и S2 напряжение Uсдв необходимо свести к нулю с возможно большей точностью.

Конденсаторы используются для устранения частотной (ди- намической) неустойчивости или генерации.

Если Uсдв не может быть скомпенсировано, его значение не- обходимо запомнить. Так как при замкнутом положении пере- ключателей S1 и S2 схема является повторителем, напряжение на ее выходе Uвых будет в точности соответствовать Uсдв . Заме- тим, что если переключатель S1 находится в разомкнутом по- ложении, а переключатель S2- в замкнутом, то на сопротивле- нии R1 появляется падение напряжения, вызванное током Iсм (R1 и R2 берутся большими, поскольку Iсм малы; таким путем получаем величину напряжения, удобную для измерения.) Так как схема является повторителем, то Uвых = Iсм·R1 , если

Uсдв<<Uвых.

Следовательно, I = U вых , если Uвых >> Uсдв .

см1 R1

43

Глава 1. Основные сведения об операционных усилителях

Если Uсдв нельзя пренебречь по сравнению с Uвых при ра- зомкнутом положении переключателя S1, то

Iсм	=	U вых −U сдв	.
1		R1

Пример. Если Uсдв =10 мВ и Uвых = - 15мВ, где R1= 10 мОм,

то IСМ1 = ( - 15 мВ - 10 мВ)/10 мОм = - 25 мВ/10 мОм = - 2,5

нА. Если R1 = 10 мОм, Uсдв = 5 мВ и Uвых = - 10 мВ, то Iсм1=

=[ - 10 мВ - ( - 5 мВ)]/10 мОм = - 5 мВ/10 мОм = - 0,5 нА.

Теперь, если замкнуть S1 и разомкнуть S2, получим:

KОС = RОС +1

R1

Если одновременно разомкнуть S1и S2 то, поскольку R1= R2, получим:

U вых = I см1 R − I см2 R = R ( I см1 − Iсм2 )

Но Iсм1 - Iсм2 есть входной ток сдвига Iсдв , поэтому, если

Uсдв<< Uвых , то

Koc = Roc + 1

R1

при разомкнутом положении переключателей S1 и S2 . Если Uсдв . немного меньше, чем Uвых, то

I	=	U вых − U сдв	,
сдв		R

где Uсдв измеряется при замкнутых S1 и S2 . В табл. 1.1. пред- ставлены наши результаты.

44

Глава 1. Основные сведения об операционных усилителях

				Таблица 1.1.
Формулы для расчета токов смещения и сдвига
по данным измерений
Разомкнутые ключи	Определяемый ток (формула)
S1	I 1	=	U вых	− U сдв
				R
	см
				1
S2	I см2	=	U вых	− U сдв
				R2
S1 и S2	I	=	U вых	− U сдв
	сдв			R

1.8. КОЭФФИЦИЕНТ ОСЛАБЛЕНИЯ СИНФАЗНЫХ СИГНАЛОВ (КОСС) И ЕГО ИЗМЕРЕНИЕ

Прежде чем рассматривать коэффициент ослабления син- фазного сигнала, надо определить коэффициент усиления син- фазного сигнала. В идеальном случае, если два напряжения одинаковой величины приложены к входам операционного усилителя, то величина его выходного сигнала будет равна ну- лю (рис. 1.25.). В реальных усилителях, однако, редко выпол-

няется	это условие , т. е. при U1 = U2 всегда есть выходной
сигнал,	хотя и небольшой величины.

Коэффициент усиления синфазного сигнала равен Uвых. / Uвх. при условии, что U1 = U2.= Uвх Обычно коэффициент усиления синфазного сигнала Асс много меньше единицы; Асс = 0,01 - типичная величина коэффициента усиления синфазного сигнала операционного усилителя .

U1										Uвых
							∞
U2
								+U
								- U
	Рис.1.25. Определение КОСС

45

Глава 1. Основные сведения об операционных усилителях

Способом выражения чувствительности усилителя к син- фазному сигналу является коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС), который определяется следующим образом:

= А = дифференциальный коэффициент усиления

КОСС

АCC коэффициент усиления синфазного сигнала

Дифференциальный коэффициент усиления усилителя без обратной связи равен коэффициенту усиления усилителя с ра- зомкнутой цепью обратной связи.

Величины от 1000 до 10000 являются типичными для КОСС, причем большие величины являются более предпочтительны- ми. Часто КОСС выражают в децибелах: КОСС (дБ) = 20lg(A/Aсс) , КОСС(дБ) = 20lg(КОСС).

Оценим ошибку, связанную с конечной величиной КОСС.

Обращаясь к рис. 1.26., заметим, что:

U вых = − А U д + Aсс U 2 , так как U1 ≈ U2.

Заметим также, что:

Uд = U1 − U2 = Uвых		R1	− U2 .
	R	+ Rос
1

Подставляя значение Uд , в первое из этих выражений:

Uвых = − А Uвых.	R1	+ А U2 + Асс U2
	R + Rос
	1

46

Глава 1. Основные сведения об операционных усилителях

	R1 U1	RО.С.
	Ug	UВЫХ.
		∞
	U2	+U
		- U

Рис.1.26. Расчет синфазной погрешности в

неинвертирующем усилителе

Ре

шая это уравнение относительно Uвых, найдем:

	Uвых = U2				А + Асс				.
			1 + А				R1
						R + R
					1			ос
Из последнего уравнения определяем:
	Uвых	= Kос =			A + Aсс					.
	U2						R1
			1		+ A R + R
					1			ос

Заметим, что для неинвертирующего усилителя:

			R1		= β	,
		R1 + Rос
поэтому:
К =	А + Асс		=		А		+		Асс
				1 + А β
ос	1 + А β					1			+ Аβ

47

Глава 1. Основные сведения об операционных усилителях

Так, как КОСС = А/Асс , то Асс можно выразить как Асс = А/ КОСС. Подставляя теперь это выражение для Асс во второй член полученного выше выражения, получим:

	А		А
			КОСС
Кос =		=		,
	1 + А β		1 + А β

где КОСС выражен в относительных единицах, а не в децибе- лах.

Пример. Предположим, что требуется получить у неинвер- тирующего усилителя Кос = 11, где R1 = 10 кОм, Rос = 100 кОм, А = 1000 и КОСС = 10000. Каков будет фактический коэффици-

ент усиления?

А

А

=

=

КОСС

К

+ А β

+ А β

ос

1

1

β =

R1

=

1

= 0,091

R + R

11

1

ос

В результате получим:

Кос = 1·103 / (1+9,1·10-2·103 ) + (103 / 104 ) / ( 1+ 9,1·10-2·103 ) =

3 -1 · -3

= 10 / 92 + 10 / 92 =10,89 + 1,089 10 = 10,891

В этом случае КОСС был достаточно велик, поэтому ошибка, вызванная конечным значением коэффициента усиления усили- теля без обратной связи, была больше, чем ошибка, вызванная ненулевым коэффициентом усиления синфазного сигнала.

Пример. Для понимания важности большого значения КОСС обратимся к рис.1.27. На этом рисунке показан диффе-

48

Глава 1. Основные сведения об операционных усилителях

ренциальный входной усилитель, усиливающий сигнал разба- ланса моста. Рассчитаем синфазную погрешность Uвых диффе- ренциального усилителя при U2 - U1= 1 мВ и Uсс = 5 В. Пусть А

=10 000 и КОСС = 20 000, что составляет КОСС = 86 дБ. Напряжение Uвых , возникающее под действием дифференци-

ального сигнала, равно:

R

Uвых.диф = (U2 − U1) ос = 1мВ 100 = 0,1В

R1

Напряжение Uвых возникающее за счет усиления синфазного сигнала, равно:

Uвых.сс = Uсс

A КОСС

= 5В

10000

1

= 5В 0,00495 = 0,0247В

1 + А β

20000

+ 10000 0,01

1

Датчик

10 кОм

1 МОм

R+ DR

R

R+ DR

Uвых

10 кОм

U2

R

∞

R

U1

+U

1

- U

UR=10

МО

м'О.С.

В

Рис.1.27. Схема усилителя сигналов мостовой схемы

Погрешность на выходе за счет усиления синфазного сигнала для данных значений входных сигналов составит 24,7 %. Для уменьшения величины ошибки необходимо использовать уси- литель с большим значением КОСС. Заметим, однако, что вы- ходное напряжение, вызванное синфазным сигналом, невелико, хотя входное синфазное напряжение значительно больше, чем дифференциальное входное напряжение.

49