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»).
Параметры, описывающие качество ОУ, можно разделить на три группы: точностные, динамические и эксплуатационные.
К точностным параметрам относятся: дифференциальный коэффициент усиления по напряжению KU, коэффициент ослабления синфазного сигнала КОСС, напряжение смещения нуля Uсм, входной ток Iвх, разность входных токов по инвертирующему и неинвертирующему входам Iр, коэффициент влияния источников питания Kв.ип и коэффициенты температурных дрейфов перечисленных параметров. Действие точностных параметров проявляется в том, что при постоянных напряжениях на входах выходное напряжение ОУ отличается от расчетного, определяемого выражением (4). Для сопоставления погрешности приводят ко входу ОУ.
Определим погрешность ОУ, вносимую конечным значением дифференциального коэффициента усиления. Пусть на вход неинвертирующего усилителя с коэффициентом передачи звена обратной связи b подано постоянное напряжение Uвх. Выходное напряжение схемы при бесконечно большом KU определится соотношением:
При конечном KU выходное напряжение будет отличаться на величину D Uвых:
Вычтя из (17) (16), получим:
Как следует из (16), соответствующее отклонение, приведенное ко входу, с точностью до величин второго порядка малости:
откуда находим окончательно относительную погрешность, приведенную ко входу:
Из последнего выражения следует, что погрешность преобразования входного сигнала схемой на ОУ обратно пропорциональна коэффициенту петлевого усиления. Для гармонических сигналов можно получить аналогичное соотношение:
.
Погрешность, обусловленная синфазным входным напряжением ОУ, может быть определена следующим образом. Выходное напряжение усилителя является функцией как дифференциального Uд=Up-Un, так и синфазного Uc=(Up+Un)/2 входных напряжений:
Приращение этого напряжение определяется соотношением:
Коэффициент ослабления синфазного сигнала показывает, какое значение дифференциального входного напряжения D Uд следует приложить ко входу усилителя, чтобы скомпенсировать усиление входного синфазного сигнала.
Постоянные входные токи, протекая по резисторам цепей обратной связи и источников сигналов создают разность падений напряжения D U. Например, в дифференциальной схеме включения ОУ (рис. 4) эта разность определяется выражением:
Пример 2. Для снижения смещения нуля инвертирующего усилителя, имеющего существенные входные токи, следует между неинвертирующим входом и общей точкой схемы включить компенсирующий резистор Rк (рис. 18). Сопротивление этого резистора определяется соотношением: Rк = R1R2 /(R1 + R2).
Рис. 18. Включение компенсирующего резистора
На точность преобразования постоянного входного сигнала существенное влияние оказывают температурные дрейфы напряжения смещения D Uсм/ D T и входного тока D Iвх/ D Т. Особенно существенное влияние может оказать дрейф прогрева, который проявляется при быстром изменении температуры в первое время после включения питания. При этом приращение Uсм может быть существенно больше значения, получаемого при медленном изменении температуры. Это явление связано с возникновением термического градиента внутри подложки микросхемы. Наибольшее влияние разницы температур проявляется в парных транзисторах дифференциального усилительного каскада, где она нарушает баланс дрейфов их эмиттерно-базовых напряжений. Длительность процесса установления температуры может достигать несколько десятков секунд.
Коэффициент влияния источников питания обычно определяют как приведенное ко входу ОУ статическое (т.е. очень медленное) изменение выходного напряжения D Uвых, обусловленное изменением одного из источников питания на 1 вольт. Обычно имеет размерность децибел или мкВ/В. С ростом частоты пульсаций напряжения питания коэффициент влияния источников питания увеличивается, поэтому для ослабления паразитных каналов прохождения сигналов по цепям питания между выводами питания ОУ и общей точкой включают конденсаторы.
· разность входных токов по инвертирующему и неинвертирующему входам (IР);
· коэффициент влияния источников питания (KВ.ИП);
· коэффициенты температурных дрейфов перечисленных параметров.
Действие точностных параметров проявляется в том, что при постоянных напряжениях на входах выходное напряжение ОУ отличается от расчетного, определяемого по выражению (1.5). Для сопоставления погрешности приводят к входу ОУ.
Определим погрешность ОУ, вносимую конечным значением дифференциального коэффициента усиления. Пусть на вход неинвертирующего усилителя с коэффициентом передачи звена обратной связи β подано постоянное напряжение UВХ. Выходное напряжение схемы при бесконечно большом KU определяется из соотношения:
При конечном KU выходное напряжение будет отличаться на величину ΔUВЫХ:
Вычтя из выражения (1.13) выражение (1.12), получим:
Как следует из выражения (1.12), соответствующее отклонение, приведенное к входу, с точностью до величин второго порядка малости, равно:
Отсюда находим окончательно относительную погрешность, приведенную к входу:
Из последнего выражения следует, что погрешность преобразования входного сигнала схемой на ОУ обратно пропорциональна коэффициенту петлевого усиления. Для гармонических сигналов можно получить аналогичное соотношение:
Погрешность, обусловленная синфазным входным напряжением ОУ, может быть определена следующим образом. Выходное напряжение усилителя является функцией как дифференциального UД = UP – UN, так и синфазного UC = (UP + UN)/2 входных напряжений:
Приращение этого напряжение определяется из соотношения:
где KС – коэффициент усиления синфазного сигнала.
При ΔUВЫХ = 0 из выражения (1.17) следует:
Коэффициент ослабления синфазного сигнала показывает, какое значение дифференциального входного напряжения (ΔUД) следует приложить к входу усилителя, чтобы скомпенсировать усиление входного синфазного сигнала.
Найдем погрешность, обусловленную смещением нуля усилителя. Смещение нуля ОУ проявляется в наличии постоянного напряжения на выходе усилителя при отсутствии входного напряжения. Обычно определяют смещение нуля, приведенное к входу, т.е. смещение выходного напряжения, умноженное на коэффициент передачи цепи обратной связи (β). Значение UСМ определяется в основном разбросом напряжений эмиттерно-базовых переходов входных транзисторов дифференциального каскада в усилителях на биполярных транзисторах или напряжений затвор-исток в ОУ с полевыми транзисторами на входах. Для усилителей общего назначения с биполярными транзисторами на входе эти значения составляют 0,1 – 5 мВ, а с полевыми транзисторами – 0,5 – 20 мВ.
Путем лазерной подгонки удается уменьшить смещение нуля до 10 мкВ (МАХ400М) у первого типа усилителей и до 100 мкВ (ОРА627В) у второго. Снизить UСМ можно подстройкой внешнего резистора, для подключения которого некоторы е операционные усилители (например, 140УД7, 140УД8) имеют специальные выводы.
Постоянные входные токи, протекая по резисторам цепей обратной связи и источников сигналов создают разность падений напряжения ΔU. Например, в дифференциальной схеме включения ОУ (см. рис. 1.13) эта разность определяется из выражения:
Величину IВХ называют в технических характеристиках ОУ входным током, а IР – разностью входных токов. Анализ выражения (1.18) показывает, что составляющая ΔU, вызванная входным током, может быть устранена правильным выбором соотношения резисторов, другую же составляющую (ΔU), обусловленную разностью входных токов, можно только уменьшить, выбирая номиналы резисторов по возможности минимальными.
Для снижения смещения нуля инвертирующего усилителя, имеющего существенные входные токи, следует между неинвертирующим входом и общей точкой схемы включить компенсирующий резистор Rк (рис. 1.21). Сопротивление этого резистора определяется соотношением:
На точность преобразования постоянного входного сигнала существенное влияние оказывают температурные дрейфы напряжения смещения ΔUСМ/ ΔT и входного тока ΔIВХ/ ΔТ. Особенно существенное влияние может оказать дрейф прогрева, который проявляется при быстром изменении температуры в первое время после включения питания. При этом значение приращения UСМ может быть существенно больше значения, получаемого при медленном изменении температуры. Это явление связано с возникновением термического градиента внутри подложки микросхемы.
Наибольшее влияние разницы температур проявляется в парных транзисторах дифференциального усилительного каскада, где она нарушает баланс дрейфов их эмиттерно-базовых напряжений. Длительность процесса установления температуры может достигать нескольких десятков секунд.
Коэффициент влияния источников питания обычно определяют как приведенное к входу ОУ статическое (т.е. очень медленное) изменение выходного напряжения (ΔUВЫХ), обусловленное изменением одного из источников питания на 1 В. Обычно имеет размерность децибел или микровольт на вольт (мкВ/В). С ростом частоты пульсаций напряжения питания коэффициент влияния источников питания увеличивается, поэтому для ослабления паразитных каналов прохождения сигналов по цепям питания между выводами питания ОУ и общей точкой включают конденсаторы.
Динамические параметры ОУ
Параметры, характеризующие быстродействие ОУ, можно разделить на параметры для малого и большого сигналов.
Возможности применения ОУ зависят от его электрических характеристик. Для полной характеристики ОУ необходимо учитывать более 30 параметров. Знание параметров ОУ, понимание степени их влияния на работу схемы позволяет не только выбрать наиболее подходящий тип ОУ для конкретной цели, но зачастую обходиться без дополнительных испытаний.
где β – коэффициент ОС, то отрицательная ОС превращается в положительную, что приводит к самовозбуждению схемы.
Входное сопротивление (RВХ) определяется как отношение ∆UВХ/∆IВХ при заданной частоте сигнала. Фактически это сопротивление между входами ОУ. Необходимо помнить, что входное сопротивление ОУ и входное сопротивление схемы – это два разных понятия,
значения их могут отличаться на несколько порядков. Типовые значения RВХ на низких частотах для биполярных входов – 10 4 – 10 8 Ом, для полевых – 10 7 – 10 12 Ом.
Выходное сопротивление (RВЫХ) – это внутреннее выходное сопротивление ОУ, которое можно определить как отношение напряжения холостого хода к току короткого замыкания (UХХ/IКЗ), и составляет для разных ОУ величину порядка десятков-сотенОм. Глубокая отрицательная обратная связь делает выходное сопротивление пренебрежимо малым (или очень большим в случае обратной связи по току). Типовые значения RВЫХ для ОУ широкого применения 100– 1000Ом.
Разность входных токов (ток сдвига) (ΔIВХ=|IВХ+– IВХ-|) определяется при заданном значении входного напряжения. Разность ΔIВХ вызывает на выходе ОУ некоторое смещение (приведенное ко входу оно составляет 1 – 5мВ и зависит от величины резисторов, подключаемых ко входам).
Напряжение смещения(UСМ) определяется как разность напряжений на входах, при котором UВЫХ=0 при оговоренных сопротивлениях резисторов, подключаемых к входам. Если значения этих резисторов стремятся к нулю, то напряжение смещения называют электродвижущая сила(ЭДС) смещения(EСМ). Для ОУ с биполярными транзисторами на входе UСМ зависит в основном от разброса напряжений (ΔUЭБ) эмиттерно-базовых переходов и составляет 1 – 10мВ. Для ОУ с полевыми транзисторами на входе UСМ обычно в несколько раз больше (до 30мВ), что объясняется их меньшей крутизной.
Если на оба входа ОУ, не охваченного отрицательной обратной связью, подать точно равные напряжения (наприм ер, оба входа заземлить), на выходе, скорее всего, будет наблюдаться уровень, близкий к одному из питающих напряжений, то есть ОУ войдет в режим ограничения:
Для того чтобы при подаче равного напряжения на оба входа усилителя выходное напряжение было близко к нулю, ОУ необходимо сбалансировать. Балансировка ОУ обычно достигается подачей дополнительного тока в цепь коллекторов входного дифференциального усилителя (ДУ) с помощью переменного резистора, подключаемого к специальным выводам. Операционные усилители некоторых типов таких выводов не имеют и балансируются по входу.
Средний температурный дрейф напряжения смещения(∆UСМ/∆T) – максимальное изменение UСМ при изменении температуры на 1 °C в оговоренном диапазоне температур. Измеряется в микровольтах на градус Цельсия (мкВ/°C). Типовые значения для биполярных входов 5 – 20мкВ/°C, для входов с полевыми транзисторами 20 – 100мкВ/°C. Если UСМ можно скомпенсировать до нуля, то с температурным дрейфом бороться сложнее. Входной ток (IВХ) и разность входных токов (ΔIВХ) тоже изменяются с температурой.
Частота единичного усиления (f1) – это частота, на которой
Характерная зависимость коэффициента усиления от частоты приведена на рис.1.11, а и 1.12, где логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) пересекает уровень 0дБ в точках f1.
Граничная частота(fГР) определяется как частота, на которой коэффициент усиления уменьшается на 3децибела:
Область частот 0– fГР называют полосой пропускания. Введение ООС расширяет полосу пропускания (см. рис.1.12, кривая 2).
Скорость нарастания выходного напряженияопределяется как dUВЫХ/dt при воздействии импульса большой амплитуды. Измеряется в вольтах на микросекунду (В/мкс). Для разных ОУ меняется в пределах от 0,1В/мкс (прецизионные ОУ) до 100В/мкс (быстродействующие ОУ). Этот параметр становится важным, если ОУ используется в качестве компаратора (различителя) уровней сигналов в быстродействующих схемах.
Диапазон выходного напряжения(ΔUВЫХ) – это диапазон значений выходного напряжения, при котором параметры ОУ лежат в гарантированных пределах. Зависит от напряжения питания. При несимметричном выходе верхняя и нижняя границы диапазона различны. Например, для операционного усилителя:
544УД2 ΔUВХ = 10 В при ЕП =±15 В (симметричный выход);
140УД5 ΔUВХ =+6 В/–4 В при ЕП =±12 В (несимметричный выход).
Диапазон синфазных входных напряжений(ΔUВХ.СФ) – это такой диапазон синфазных входных напряжений, в котором параметры ОУ лежат в гарантированных пределах. Зависит от напряжения питания. Примерно на 3 – 5В меньше ЕП.
Коэффициент ослабления синфазного сигнала равен отношению синфазного входного напряжения к дифференциальному, вызывающих одно и то же UВЫХ. Измеряется в децибелах. Для разных ОУ изменяется в пределах от 50дБ (140УД5А) до 120дБ (140УД24).
Максимальный выходной ток(IВЫХ.MAX). Для ОУ, имеющих внутреннюю защиту от короткого замыкания по выходу, это выходной ток короткого замыкания в режиме ограничения; для ОУ без защиты от КЗ – предельный выходной ток, который нельзя превышать. Для разных ОУ изменяется в диапазоне 1– 400мА.
Существуют также другие параметры, характеризующие ток потребления, шумовые, температурные, частотные, фазовые, временные и другие свойства ОУ. В конкретных применениях любой из этих параметров может стать самым важным и определяющим выбор типаОУ.
Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 24
Тим Грин, Пит Семиг, Колин Веллс (Texas Instruments)
Перед вами – глава из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники», созданной инженерами компанииTexasInstruments(TI).Поваренная книга – сборник рецептов, а данный цикл статей – сборник стандартных схем с операционными усилителями. Каждой схеме посвящена отдельная статья, содержащая пример типового расчета с указанием формул и последовательности действий. Результаты расчетов дополнительно проверяются в программеSPICE-моделирования. Расчеты выполнены для конкретных усилителей из производственной линейкиTI. Разработчик может использовать и другие изделия, широкий выбор которых представлен на страницах каталога компании КОМПЭЛ. От читателя требуется понимание базовых принципов работы операционных усилителей. Если же знаний недостаточно, следует вначале ознакомиться с учебными курсами TI Precision Labs (TIPL). Авторы обещают обновлять и дополнять статьи цикла.
Мы публикуем главы Поваренной книги на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.
Схема инвертирующего усилителя со смещением неинвертирующего входа
Исходные данные для расчета представлены в таблице 71.
Таблица 71. Исходные данные для расчета инвертирующего усилителя
Вход
Выход
Питание
ViMin
ViMax
VoMin
VoMax
Vcc
Vee
Vref
-1 В
2 В
0,05 В
4,95 В
5 В
0 В
1,259 В
Описание схемы
Рис. 81. Схема инвертирующего усилителя со смещением неинвертирующего входа
.
Величину IВХ называют в технических характеристиках ОУ входным током, а IР – разностью входных токов. Анализ выражения (1.18) показывает, что составляющая ΔU, вызванная входным током, может быть устранена правильным выбором соотношения резисторов, другую же составляющую (ΔU), обусловленную разностью входных токов, можно только уменьшить, выбирая номиналы резисторов по возможности минимальными.
Средний температурный дрейф напряжения смещения (∆UСМ/∆T) – максимальное изменение UСМ при изменении температуры на 1 °C в оговоренном диапазоне температур. Измеряется в микровольтах на градус Цельсия (мкВ/°C). Типовые значения для биполярных входов 5 – 20мкВ/°C, для входов с полевыми транзисторами 20 – 100мкВ/°C. Если UСМ можно скомпенсировать до нуля, то с температурным дрейфом бороться сложнее. Входной ток (IВХ) и разность входных токов (ΔIВХ) тоже изменяются с температурой.
