Главная » Книги и журналы

1 2 3 4 5 6 7 ... 38

1 , KuU .

при Ки>Ъ и С^ = С,о/2Ки,

при КиСд и Ск = Ск

где Ско = Ск, рекомендуемой при Ки = 1, а Сктт = 3 пФ.

В ОУ с внутренней коррекцией целесообразно включить в схему один из конденсаторов, как показано на рис. 2.8, б. Последние образуют У?С-цепи (У?выхС или Но.сСф), уменьшающие частоту второго полюса до требуемой величины. Поскольку АЧХ узла уже имеет свой второйполюс на частоте /2 = 3 МГц, то условие минимума /р не всегда выполнимо для любого Ки- Например, для ОУ К140УД7 условие минимальности /р удается выполнить только при Этим объясняется отсутствие экстремума на рис. 2.8, б

при f(u=l. Подобные зависимости получаются и для других ОУ. Как показали эксперименты, минимум достигается в этих ОУ при если параметры RC-neneu выбираются из равенства

l/RC=6nKufcf/Ku, т. е. когда полюс, обусловленный этой цепью, лежит приблизительно в середине диапазона, определяемого из условия минимальности /р. Обычно при Ки2 включение конденсаторов только увеличивает tp, так как достаточно велико влияние собственного второго полюса ОУ. Время установления узла при использовании ОУ с внутренней коррекцией можно вычислить из следующих формул:

h-----г

Lln4# при Ки<2 и С = 0, 1п-=у7- при Ки2 VL

6nKbfcp/Ku.

Из сравнения выражений для ty и соответствующих им экспериментальных зависимостей, полученных специально , для ОУ с близкими параметрами, но отличающимися способом коррекции, видно, что ОУ с внешней коррекцией обеспечивает при Ки> 1 существенно меньшее время установления, чем ОУ с внутренней коррекцией. Например, если Ubx = 2 В, а Ки = 5, то ty для К153УД2 может быть почти в 10 раз меньше, чем для К140УД7. Независимо от способа коррекции минимальное время установления при использовании большинства ОУ достигается, если второй полюс появляется через две октавы после первого, источники питания шунг тируются конденсаторами, а в цепи ОС применяются низкоомные высокочастотные резисторы. При подаче на вход неинвертирующе-го усилителя сигнала по. экранированному кабелю оплетку экрана необходимо соединить с инвертирующим входом ОУ. Благодаря тому, что напряжение на распределенной емкости кабеля практи-



чески постоянно при любом значении Ubx, эта емкость слабо влияет на /р.

Эксплуатационные параметры ОУ определяют допустимые режимы работы его входных и выходных цепей и требования к напряжению питания. Ограничения эксплуатационных параметров обусловлены конечными значениями пробивных напряжений и допустимыми токами через транзисторы ОУ. Сравнительно низкие допустимые значения напряжений на входах и в цепях питания сдерживают применение ОУ в электротехнической аппаратуре. Небольшие максимальные значения выходного тока и напряжения ограничивают использование ОУ в электромеханических приборах, цепях сервопривода и управления электродвигателями, схемах дистанционного управления, звуковоспроизводящей аппаратуре и т. д. Ограничены и допустимые емкость и сопротивление нагрузки подключаемых к выходу ОУ.

Каждый из нескольких десятков типов ОУ (см. табл. П2), выпускаемых отечественной промышленностью, обладает определенным сочетанием точностных, динамических и эксплуатационных параметров. Операционные усилители, обеспечивающие высокую точность, имеют низкое быстродействие и наоборот. Поэтому при их применении в аппаратуре часто возникает задача повысить либо быстродействие прецизионного ОУ, либо точность работы быстродействующего ОУ, или обеспечить работу в более широком диапазоне эксплуатационных параметров и т. д. Ниже приведены некоторые рекомендации, позволяющие достичь требуемых сочетаний параметров, используя выпускаемые серийно микросхемы ОУ.

2.3. СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ УЛУЧШЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Уменьшение напряжения смещения нуля обычно достигается подачей дополнительного тока в цепь коллекторов транзисторов входного ДУ по специальным внешним выводам либо по входу ОУ. В первом случае (см. рис. 2.6) дополнительный ток /к вызывает изменение UcM на величину Д6см = 2/к'э г21Б = 2/кфт э. При некотором значении /к результирующее t/см уменьшается практически до нуля. Однако величина Ucu будет малой только при температуре, на которой осуществлялась регулировка. Изменение температуры вызывает изменение Ucm. Для ОУ без дополнительных резисторов в эмиттерных цепях транзисторов входного ДУ на каждый 1 мВ отрегулированного Ucm к исходному дрейфу добавляется дрейф, равный 3,3 мкВ/°С. Знак последнего с равной вероятностью может совпадать или нет со знаком исходного дрейфа. В ОУ на полевых транзисторах каждый 1 мВ отрегулированного Ucm приводит к дрейфу, равному 3,5 мкВ/°С, что сопоставимо с ОУ на биполярных транзисторах. Однако исходное напряжение U в ОУ на полевых транзисторах значительно больше. Добавлением-в эмиттерные



Ьых


а)


йых

Рис. 2.9. Схемы регулировки напряжения смещения нуля в инвертирующем (а) и неинвертирующем (б) включениях ОУ

(истоковые) цепи транзисторов ДУ равных по величине резисторов уменьшают изменение исходного разброса напряжений эмиттер-.но-базовых переходов в (1+/?э/э) раз. Благодаря этому приращение дрейфа на 1 мВ отрегулированного б'см будет равно (3 мкВ/°С)/ (1-Ь/э/э)- Однако исходная величина б'см в таких ОУ обычно значительно больше, чем без Яэ, из-за разброса сопротивлений последних.

Схемы регулировки б'см по входам ОУ показаны на рис. 2.9, 2.10. Недостатком схемы на рис. 2.9 является сильное влияние цепей регулировки на коэффициент усиления. Простое увеличение сопротивлений регулировочных резисторов для уменьшения такого влияния нецелесообразно, поскольку возрастают ошибки, обусловленные входными токами. Поэтому целесообразно включать на входе ОУ регулируемый источник двухполярного тока вместо .под-строечного резистора.

г/п


вых


Рис. 2.10. Схемы регулировки напряжения смещения нуля в повторителе (а) и дифференциальном усилителе (б)



Возможный метод регулировки неинвертирующего повторителя при большом Ucm показйН на рис. 2.10, а. Между выходом ОУ и цепью питания включены стабилитроны, ток через которые задается с Помощью транзисторных генераторов тока. Благодаря тому, что ток генераторов постоянный, падение напряжения на стабилитронах также постоянно, а изменения Напряжения на выходе ОУ и неинвертирующем входе равны и не зависят от входного сигнала. Нестабильность коэффициента передачи такого повторителя не превышает 0,2% при частоте входного сигнала меньше 1 кГц.

Благодаря своей простоте регулировка U см постоянным входным напряжением применяется и в ДУ, Однако шунтирование цепью регулировки Сказывается На коэффициенте ослабления синфазного сигнала Кех.с- Небольшое рассогласование делителей, соединенных со входами усилителя, приводит к значительному ухудшению Кв.с.е. Чтобы обеспечить значение Ко.с.е, близкое к значению, которое Имеет ОУ, для регулировки Uc используется дополнительный ОУ (/45, рис. 2.10, б). Очень низкое выходное сопротивление повторителя Л2 исключает влияние схемы регулировки на Косе

Широкополосные ОУ (К154УДЗ, К1В4УД4, К574УД2 и Др.) имеют большие значения напряжения смещения нуля и его Температурного дрейфа, что является следствием компромисса между их точностью и быстродействием; Взаимосвязь между точностными и динамическими характеристиками ОУ приводит к тому, что у прецизионных ОУ (К140УД14, К140УД17, К153УД5 И др.) сравнительно плохие динамические характеристики. Объясняется это тем, что известные схемотехнические и технологические способы улучшения Точностных характеристик ОУ, как правило, приводят к уменьшению либо частоты единичного усиления ОУ, либо скорости нарастания его выходного напряжения, либо каждого из этих параметров одновременно. Подключив ко входу широкополосного ОУ прецизионный предусилитель (например, К140УД13), как показано на рис. 2.11, можно существенно улучшить точностные характеристики широкополосного ОУ. В приведенной схеме результирующий усилитель обладает динамическими параметрами широкополосного ОУ А2, а его напряжение смещения нуля и его дрейф такие же, как у прецизионного предусилителя А1. В схеме инвертирующего усилителя прецизионный предусилитель включен по схеме интегратора (см, гл. 4), управляющего напряжением неинвертирующего Входа широкополосного ОУ, На вход интегратора воздействует напряжение смещения Нуля широкополосного усилителя А2, а на его

Рис. 2.11. Схема с уменьшенным напряжением смещения нуля инвертирующего ycилнteля йилючеиием ин-ferpatopa на входе




выходе появляетс^я напряжение, Стремящееся скомпенсировать действие этого напряжения смещения. Благодаря этому на входе широкополосного ОУ действующее значение напряжения смещения f/смд. будет определяться точностныМи характеристиками прецизионного предусилителя Al в соответствии с выражением t/eM.a = =i?/cMi + cMi, где Ucm[ а /см1 - напряжение смещения нуля и входной ГОК прецизионного предусилителя соответственно.

Температурный Дрейф действующего напряжения смещения нуля можно рассчитать следующим образом: AUcM.a/AT={AlJciii-i-4-A/cMi)/AT. В этой схеме йЫсокоцас1-отный входной сигнал огибает предусилитель А1 и попадает непосредственно на широкополосный ОУ. Благодаря этому предусилитель А1 не ухудшает динамические характеристики показанной схемы инвертирующего усилителя. Требования к коэффициентам усиления широкополосного ОУ и предусилителя, а также вид АЧХ каждого ОУ определяются исходя из требований устойчивости схемы инвертирующего усилителя к сямойозбуждению. Эти требования зависят от диапазона из-менения глубины обратной связи инвертирующего усилителя. При низкой частоте обобщенное . значение коэффициента усиления Kbo = Ku20+Ktj[), № Khi и /Ct/2 - коэффициенты усиления предусилителя и широкополосного усилителя i соответственно. Таким образом, результирующая АЧХ будет однополюсной, если частота полюса /н.ш широкополосного усилителя будет соответствовать равенству fiiMfn.nKuo [9]-- в этом случае спад результирующей АЧХ будет происходить со скоростью 20 дВ на декаду и, следовательно, инвертирующий усилитель будет устойчив при любой глубине отрицательной ОС. Поскольку прецизионный предусилитель включен по схеме интегратора, то должно быть выполнено еще одно дополнительное требование, а именно частота единичного усиления интегратора должна быть равна частоте первого полюса широкополосного усилителя. Если АЧХ предусилителя формируется /?С'Цепью ОС, то должно выполняться равенство Kiiu{i/fQ =2л/т..ш. где т.ш - частота единичного усиления широкополосного ОУ.

Если необходимо дифференциальное включение широкополосного ОУ или неинвертирующее включение, то можно воспользоваться другой схемой (рис. 2.12), которая требует большего числа пассивных элементов. Принцип компенсации напряжения смещения нуля

Рис. 2.12. Схема' с уменьшенным напряжением емещенИя нуля дифференциального усилителя включением интегратора в цепь регулиройки



Вых



и его температурного дрейфа и в этой схеме аналогичен описанному выше. Однако в отличие от предыдущей схемы, в показанной входы прецизионного предусилителя подключены к обоим входам широкополосного ОУ. Выход же прецизионного предусилителя соединен со специальными выводами регулировки напряжения смещения нуля, которые предусмотрены у всех быстродействующих ОУ. Любые изменения напряжения смещения нуля (Усм2 в широкополосном ОУ приводят к возникновению соответствующего сигнала коррекции на выходе предусилителя. Благодаря этому компенсируются напряжение смещения нуля и его температурный дрейф, свойственные широкополосному ОУ, которые определяются аналогичными при-веденньш выше выражениями.

Для согласования уровней напряжения на выходе предусилителя и в цепи балансировки напряжения смещения нуля широкополосно го ОУ в схему на рис. 2.12 введены резисторы R1, R2,m дополни тельный источник напряжения Ua. Необходимость в такой цепи объясняется тем, что рабочая точка цепи регулировки напряжения смещения нуля в широкополосных ОУ находится вблизи источников положительного или отрицатетьного напряжения его питания, а для предусилителя рабочая точка его выходного напряжения находится вблизи нуля. Чтобы согласовать эти рабочие точки, необходима дополнительная цепь сдвига уровня. Эта цепь вместо резисторов может содержать стабилитроны. Как и схема на рис. 2.11, последняя схема обеспечивает увеличение коэффициента усиления и повышение коэффициента ослабления синфазного сигнала. Однако поскольку выход предусилителя подключается обычно после первого каскада усиления в широкополосном ОУ, то суммарное усиление на низкой частоте определяется как произведение Kui на усиление каскадов предусилителя, расположенных между цепью регулировки его напряжения смещения нуля и выходом.

Влияние Ucm в широкополосном ОУ можно практически исключить с помощью дополнительной цепи низкочастотной отрицательной ОС. Например, в широкополосном усилителе К171УВ2 из-за сравнительно большого Ucm возникает существенный сдвиг выходного напряжения. Действие Ucm можно устранить, включив в цепь ОС видеоусилителя интегратор на ОУ с малым напряжением t/<.m (рис. 2.13). В показанной схеме к выходу К171УВ2 подключена цепь, сдвигающая постоянное выходное напряжение примерно до нуля. Сигнал поступает на вход интегратора К140УД14 черс.ч регулируемый делитель R1R2. Потенциометром производится изменение коэффициента передачи цепи ОС таким образом, чтобы сигнал на входе интеграторов был пропорционален входному напряжению видеоусилителя. Благодаря действию цепи ОС напряжение Ucm на выходе К171УВ2 стремится к собственному напряжению смещения нуля ОУ К140УД14 [11].

Применение структуры модулятор-демодулятор является радикальным методом уменьшения Ucm до десятков микровольт, а



Рис. 2.13. Схема с уменьшенным напряжением смещения нуля широкополосного усилителя включением интегратора в цепь обратной связи

Рис. 2.14. Схема с уменьшенным напряжением смещения нуля усилителя включением УВХ в цепь обратной связи входного (а) и выходного (б) ОУ .

К171УВ1 9

Вых



дрейфа - до 0,1 мкВ/° С. Модулятор преобразует низкочастотную составляющую входного напряжения в переменное напряжение с амплитудой, пропорциональной входному сигналу. Модулированный сигнал затем усиливается усилителем переменного тока. Демодулятор восстанавливает усиленную низкочастотную составляющую входного сигнала, а' затем сигнал проходит через /?С-фильтр и подается на суммирующий вход основного усилителя. Недостатком схемы модулятор-демодулятор является то, что при работе транзисторных ключей возникает сигнал помехи, для подавления которого требуются сложные фильтры. Кроме того, такой усилитель обычно очень медленно возвращается в нормальное рабочее состояние после воздействия большого дифференциального напряжения на входе. Подобная описанной структура усилителя была реализована в виде полупроводниковой микросхемы К140УД13. В дополнение к перечисленным'выше недостаткам этот ОУ имеет /С^жЮ, что существенно ограничивает его возможности.

Другим схемотехническим способом уменьшения t/см является применение импульсной стабилизации напряжения смещения нуля (рис. 2.14), которая заключается в периодической регулировке tcM. Подстройка б'см усилителя А1 (рис. 2.14, а) осуществляется вспомогательным усилителем А2. Когда переключатели S2 и S3 замкнуты, а SI, S4 разомкнуты, схема работает как усилитель постоянного тока. При переключении S1 - S4 вход усилителя заземляется и усилитель А2 устанавливает выходное напряжение А1



равным нулю. Переключатель S2 и конденсатор С! образуют устройство выборки и хранения (УВХ) (см. гл. 8). Корректирующий сигнал, устанавливающий нулевое смещение А1, запоминается на С/, после чего S4 размыкается. Элементы S3, С2 и A3 образуют второе УВХ, функция которого заключается в том, чтобы запомнить предыдущее значение выходного сигнала Л/ на время подстройки

Несмотря на то, что описанная схема сложнее, чем с использованием модулятора-демодулятора, она удобнее для реализации в виде полупроводниковой микросхемы, так как не требует резисторов больших номиналов и использует лишь два внешних конденсатора. Отсутствие емкостных связей обеспечивает гораздо более быстрое, чем в схеме модулятор-демодулятор, восстановление нормальной работы после воздействия большого дифференциального напряже ния на входе. В быстродействующих ОУ с импульсной стабилизацией, требующих и быстродействующих УВХ, качество регулировки ограничивается ошибками УВХ. Эти ошибки можно уменьшить, включив между А1 и A3 вспомогательный усилитель А2 (рис 2.14, б). Цикл запоминания ошибки в этом усилителе начинается с того, что переключатели С2 и СЗ размыкаются, а S1, S4 и S5 замыкаются. В результате этого выходное напряжение А2 становится равным нулю. В противоположном положении переключателей происходит усиление входного сигнала с коэффициентом l+R/Rx. Компенсирующее напряжение прикладывается ко входу А2, поэтому результирующее напряжение смещения нуля уменьшается в Ku2 раз, где Куч - коэффициент усиления А2. Напряжение, хранимое на конденсаторе С1, Uci=\KuiKu2Ucmi/(I + Ku2)]+ Усмз, где t/cMi и t/смз - напряжения смешения нуля усилителей А1 и A3; Киз = - Поскольку компенсирующее напряжение вводится после первого каскада усиления, влияние ошибки, вносимой УВХ (элементы АЗ, С1, S5), значительно снижается.

Описанный принцип реализован в полупроводниковом ОУ К140УД21 с биполярными и МОП-транзисторами на одном кристалле. Этот усилитель наряду с отличными входными характеристиками (6с„ = 50 мкВ, /см= 10~ нА) имеет достаточно высокое для ОУ общего применения быстродействие (л^З МГц и v=2,5 В/мкс при Ки = 0)- До появления ОУ типа К140УД21 ДУ с импульсной стабилизацией проектировались на обычных ОУ, интегральных коммутаторах и отдельных МОП-транзисторах. Однако большинство этих схем Довольно громоздки и сложны в управлении. Кроме того, их проектирование обычно усложнялось проблемами устойчивости из-за использования последовательного соединения нескольких усилительных каскадов на ОУ. Недостатком ОУ К140УД21 является высокий уровень коммутационных помех на его выходе.

Уменьшения входных токов и, следовательно, снижения ошибки-вызванной /вх и /р проще всего достичь выравниванием суммарных сопротивлений резисторов, подключенных ко входам ОУ. Такая



компенсация входного тока удобна при постоянном сопротивлении резистора Roc в цепи ОС. Если сопротивление Roc изменяется, требуется новое выравнивание, в противном случае компенсация нарушается. Кроме того, такой способ не всегда удается применить при использовании ОУ в неинвертирующем включении. Благодаря большому входному сопротивлению ОУ в неинвертирующем включении часто применяется при работе от высокоомных источников сигнала либо источников сигнала, обладак)щих емкостным характером внутреннего сопроти]вления. Поэтому выполнить приведенное выше равенство для инвертирующего включения не всегда удается и для компенсации ошибки, обусловленной входными токами ОУ, можно воспользоваться одним из четырех приведенных ниже способов.

В показанной на рис. 2.15 схеме требуемое-согласование сопротивлений резисторов, подключаемых ко входам ОУ, достигается использованием дополнительного резистора R2, сопротивление которого рассчитывается из равенства Rr = Ri-\-RiWRo.c- Напряжение ошибки, обусловленной входными токами ОУ, для этой схемы рассчитывается из равенства Af/= (/bxi -/в)(2)/?г(1+/?o.c ?i). Приведенная схема оказывается особенно эффективной, когда требуется получить большой коэффициент передачи. В этом случае приходится использовать резистор R1 с небольшим сопротивлением и посредством введения в схему резистора R2 выравнивать сопротивления во входных цепях ОУ при большом сопротивлении Rr. Дополнительный резистор R2 необходимо защунтировать конденсатором небольшой емкости (обычно 20...100 пФ), чтобы исключить самовозбуждение ОУ. Если конденсатор не используется, то резистор R2 образует со входной емкостью ОУ /?С-цепь. Полюс этой цепи увеличивает фазовый сдвиг сигнала в цепи ОС, что при больших сопротивлениях резистора R2 и малых значениях коэффициента передачи может привести к самовозбуждению ОУ.

В некоторых схемах источник входного сигнала обладает емкостным характером внутреннего сопротивления. К простейшим схемам этого типа относятся УВХ и пиковые детекторы, в которых ОУ управляется по входу сигналом, хранимым на конденсаторе. Для таких случаев не применимы описанные выше методы компенсации. Входной ток ОУ вызывает линейное изменение напряжения на конденсаторе, которое является одной из составляющих ошибки хранения напряжения (см. гл. 8). Чтобы исключить эту ошибку, обусловленную Rry необходимо обеспечить дополнительный ток, который будет компенсировать действие входного тока ОУ. Такой компенсирующий ток можно обеспечить с помощью либо соответствующей цепи ОС, либо дополнительного источника тока. Например, в схеме неинвертирующего повторителя (рис. 2.16) действие входного тока ОУ компенсируется током, протекающим через резистор R1, подключенный между выходом и неинвертирующим входом ОУ. Компенсация достигается только в том случае, если в цепи отрицательной ОС использован резистор R2. Сопротивление этого резистора




бых


Рис. 2.15. Схема компенсации входного тока подключением дополнительного резистора к инвертирующему входу ОУ

6bJX

Рис. 2.16. Схема компенсации входного тока включением дополнительных резисторов в цепь обратной связи ОУ

выбирается достаточно большим (0,1 - 1 МОм) для того, чтобы падение напряжения на R2 было равно lmRi~>Ucu-

Обычно достаточно выполнить равенство /вх/?2 = 5<7см, чтобы действие /вх сказывалось существенно меньше действия /р. При условии, что Ri=R2 падение напряжения на резисторе /?2 равно /вх2 и, следовательно, компенсирующий ток, протекающий через резистор R, равен /к = /вх/?2 ?1 =/вх- Для наиболее эффективного использования описанного метода целесообразно предварительно отрегулировать напряжение смещения нуля, а также зашунтиро-вать резистор R2 конденсатором С1, емкость которого примерно равна 0,01 мкФ. Отрегулированное напряжение смещения нуля исключает увеличение тока /р на величину Uck/R\ и вместе с тем делает возможным использование резисторов R1, R2 с минимальными сопротивлениями. Применение шунтирующего конденсатора необходимо для исключения возможного самовозбуждения ОУ и уменьшения длительности переходных процессов при импульсных изменениях напряжения f/вх-

Описанный метод компенсации /вх применим и в обычной схеме неинвертирующего усилителя (рис. 2.17). Как и в предыдущей схеме, резистор R2 создает источник напряжения смещения. Тогда при Ri=R2 через R1 будет протекать ток, равный /вх- Если сопротивления резисторов R1, R2 выбраны таким образом, что0ы действие Ucm несущественно увеличивало /р, то будет достигнута минимальная погрешность схемы, обусловленная только входными токами ОУ. Значительным недостатком использования этого метода компенсации в неинвертирующем усилителе является увеличение напряжения смещения нуля, действующего на выходе ОУ. Величину этого смещения можно оценить с помощью выражения Uebix.cM = - {IbxR\ + Ucm)Ro.c/R3- Если такое увеличение постоянной составляющей напряжения на выходе ОУ недопустимо, то можно воспользоваться дополнительным источником тока (рис. 2.18). Для ОУ на биполярных транзисторах в инвертирующем включении подключение дополнительного источника тока показано на рис. 2.18, а.. В цепь инвертирующего входа включается биполярный



1 2 3 4 5 6 7 ... 38
Яндекс.Метрика