Источник тока на оу с заземленной нагрузкой: Источники тока на операционных усилителях, схемы и расчёты

Содержание

Источники тока на операционных усилителях, схемы и расчёты

Схемы генераторов тока, управляемых напряжением, на ОУ и выходными
каскадами на биполярных и полевых транзисторах.


Продолжаем наш тематический вечер, посвящённый схемотехническим исследованиям генераторов стабильного тока, источников тока и иже с ними — стабилизаторов тока.
В повестке дня сегодняшнего радиолюбительского заседания обозначены следующие мероприятия: викторина «Угадай радиодетальку», а также обсуждение схемы источника (генератора) тока, выполненного на интегральном операционном усилителе (ОУ в простонародье).

Базовые схемы генераторов тока на операционных усилителях мы бегло рассмотрели на предыдущей странице вместе с транзисторными источниками. Повторим пройденный материал.

Рис.1

Генераторы тока, изображённые на Рис.1, (инвертирующий слева, неинвертирующий справа) — вполне себе работоспособные устройства, которые являются близкими аналогами идеальных источников тока, и практически лишены недостатков, присущих транзисторным схемам.

Ток через нагрузку с достаточно высокой точностью описывается формулой Iн≈ Uвх/R1.
При включении в качестве Rн конденсатора, приведённые схемы широким фронтом эксплуатируются в формирователях треугольного и пилообразного напряжений.
В отдельных случаях существенным недостатком источников тока, изображённых на Рис.1, является «плавающая», т.е. не подключённая никаким боком к земле или питанию нагрузка. К тому же, по большей части, операционный усилитель не может обеспечить значительных величин токов, поступающих в нагрузку.

Рассмотрим схемы источников тока на ОУ, не имеющих этих недостатков.
Как правило, для получения устойчивого положительного результата, к операционному усилителю присовокупляется дополнительный выходной каскад на биполярном или полевом транзисторе.

Рис.2

На Рис.2 приведены схемы генераторов тока на ОУ с выходными каскадами на биполярном, либо полевом транзисторе и нагрузкой, подключаемой к шине питания.
Пренебрегая входным током ОУ и конечным коэффициентом усиления транзистора, выходной ток составит всё ту же величину Iн≈ Uвх/R1.

На самом деле, коэффициент усиления биполярного транзистора имеет конечное значение, а полная формула тока нагрузки выглядит следующим образом Iн= Uвх×β/[R1(1+β)].
Это обуславливает некоторую нестабильность выходного тока при изменении сопротивления нагрузки за счёт проявления эффекта Эрли (эффект влияния напряжения между коллектором и базой на величину коэффициента передачи тока транзистора).
Проявления этой нестабильности можно уменьшить, если в качестве биполярного транзистора использовать составной транзистор, либо применяя полевой транзистор.
Особенность схем источников тока, показанных на Рис.2, состоит в том, что нагрузка подключается к шине питания.

Рис.3

На Рис.3 приведены источники тока с заземлённой нагрузкой.
Выходной ток здесь описывается уже несколько другой формулой: Iн≈ (Еп-Uвх)/R1.
Подобная зависимость выходного тока от управляющего напряжения не всегда удобна в практических разработках, поэтому для устранения этого недостатка к схеме можно присовокупить дополнительный преобразователь уровня.

Рис.4

Здесь первый операционник с транзистором n-p-n структуры служит для преобразования уровня входного управляющего напряжения Uвх в значение Eп-Uвх.

Rпр1 и Rпр2, как правило, выбираются одного номинала, величина которого рассчитывается, исходя из входного сопротивления второго ОУ, а также из соображений приемлемого быстродействия при работе источника тока в динамическом режиме (т.е. при подаче на вход импульсного сигнала управления).
Ну и ясен шпунтубель, что всё наше усердие было направлено на получение удобной зависимости Iн≈ Uвх/R1, а для повышения выходного сопротивления источника тока вместо простого биполярного выходного транзистора следует включить составной или полевой транзистор.

 

Как контролировать ток с помощью операционного усилителя, биполярного транзистора и трех резисторов

Добавлено 9 апреля 2018 в 12:49

Сохранить или поделиться

Данная статья объясняет работу умной схемы, которая точно измеряет ток источника питания.

Прежде всего, я должен признать, что заголовок немного вводит в заблуждение. Схема, представленная в данной статье, действительно требует только операционного усилителя, транзистора и трех резисторов. Однако она не является самостоятельным контроллером тока в том смысле, что она не измеряет ток и не инициирует действия, основанные на этих измерениях. Поэтому, возможно, «измеритель тока» будет более точным названием, чем «контроллер тока», но даже «измеритель тока» – не совсем корректное название, так как схема не записывает значения тока или не преобразует их в визуальную индикацию.

В конечном счете, я полагаю, что данная схема представляет собой нечто большее, чем «преобразователь ток-напряжение», но имейте в виду, что она преобразует ток в напряжение таким образом, который совместим с приложениями мониторинга потребляемого тока. Поэтому, может быть, мы должны назвать ее «преобразователь тока в напряжение для приложений мониторинга подачи тока от источника питания» («current-to-voltage converter for power-supply-current-delivery-monitoring applications», или аббревиатура CTVCFPSCDMA). Идеально.

Зачем?

Существуют различные ситуации, в которых вы, возможно, захотите измерить ток, потребляемый вашим проектом. Возможно, вы хотите динамически настроить работу одной подсистемы на основе потребления тока другой подсистемы. Возможно, вы пытаетесь оценить срок службы аккумулятора или подобрать минимально возможную микросхему регулятора, которая может обеспечить достаточный выходной ток. Вы даже можете использовать записанные измерения потребления тока как способ с минимальным вмешательством для отслеживания переходов микроконтроллера между состояниями низкого и высокого потребления электроэнергии.

Как?

Как обсуждалось выше, данная схема преобразует ток в напряжение. Это может удовлетворить ваши требования к мониторингу тока, если всё, что вам нужно сделать, – это вручную наблюдать за потреблением тока с помощью мультиметра или осциллографа. Я полагаю, вы могли бы даже записывать и анализировать свои измерения потребления тока с помощью устройства сбора данных и некоторого соответствующего программного обеспечения.

Если вам нужна более автономная схема в смысле возможности записывать и/или реагировать на потребление тока, вы, вероятно, захотите оцифровать измерения с помощью микроконтроллера. Если требуется только базовый функционал, и у вас нет других потребностей в процессоре, вы можете использовать компаратор или аналоговый детектор диапазона пороговых напряжений.

Схема

CTVC…, представленный в данной статье, основан на схеме, найденной в руководстве к применению под названием «Op Amp Circuit Collection», опубликованном (в далеком 2002 году) компанией National Semiconductor. Моя версия выглядит так:

Преобразователь тока в напряжение. Схема электрическая принципиальная

И моя реализация схемы в LTspice:

Преобразователь тока в напряжение. Схема в LTspice

На первый взгляд схема может показаться немного запутанной, но ее работа довольно проста:

  • Ток протекает от источника питания к нагрузке через резистор R1. R1 работает как типовой резистор датчика тока (токовый шунт), и, как и другие токовые шунты, он имеет очень низкое сопротивление, чтобы уменьшить рассеивание мощности и минимизировать его влияние на измерения и схему нагрузки.
  • Напряжение, подаваемое на неинвертирующий вход операционного усилителя, равно напряжению источника питания минус (ток источника питания × R1).
  • Не позволяйте PNP транзистору отвлекать вас от того факта, что операционный усилитель на самом деле охвачен петлей отрицательной обратной связи. Наличие отрицательной обратной связи означает, что мы можем применить принцип виртуального замыкания, т.е. можно предположить, что напряжение на инвертирующем входе равно напряжению источника питания минус (ток источника питания × R1).
  • Поскольку верхние выводы R1 и R2 подключены к источнику питания, предположение виртуального замыкания говорит нам о том, что на обоих этих резисторах появляется одинаковое напряжение, и, следовательно, ток через R2 равен току через R1. В схеме LTspice, показанной выше, R2 в 1000 раз больше, чем R1, а это означает, что ток через R2 будет в 1000 раз меньше тока через R1.
  • Ток базы биполярного транзистора очень мал, поэтому можно сказать, что ток через R3 более или менее равен току через R2. Таким образом, мы используем R3 для получения напряжения, которое прямо пропорционально току через R2, который, в свою очередь, прямо пропорционален току через R1.

Схема, приведенная ниже, должна помочь понять это объяснение:

Преобразователь тока в напряжение. Принцип действия

Как вы можете видеть, окончательная формула Vвых представляет собой:

\[V_{вых} = {I_{нагр} \over R2/R1} \cdot R3 = {R1 \cdot R3 \over R2 } \cdot I_{нагр}\]

Что именно делает PNP транзистор?

Вы можете думать о транзисторе либо как о регулируемом клапане, который позволяет операционному усилителю увеличивать или уменьшать ток, протекающий через R2 и R3, либо как об устройстве с переменным падением напряжения, которое операционный усилитель может использовать для установки правильного напряжения в точке Vвых. В обоих случаях конечный результат один и тот же: транзистор является средством, с помощью которого операционный усилитель может заставить напряжение на инвертирующем входе равняться напряжению на неинвертирующем входе.

Транзистор действительно является самой интересной частью данной схемы. Мы часто используем биполярные транзисторы в приложениях «включить или выключить», и важно понимать, что ситуация в данной схеме совершенно иная. Операционный усилитель (конечно с помощью отрицательной обратной связи) на самом деле делает небольшие точные подстройки напряжения эмиттер-база (VЭБ) биполярного транзистора. На следующем графике показано напряжение VЭБ для диапазона токов нагрузки (соответствующих сопротивлениям нагрузки от 50 до 300 Ом).

Зависимость напряжения эмиттер-база транзистора от сопротивления нагрузки

Обратите внимание, что все эти напряжения близки к типовому порогу открытия (~0,6 В) для кремниевого PN перехода. Это говорит о том, что операционный усилитель очень тщательно согласовывает пороговую область биполярного транзистора, чтобы обеспечить требуемые (и относительно большие) изменения падения напряжения эмиттер-коллектор. Весь диапазон значений VЭБ составляет всего ~50 мВ, зависимость изменения напряжения эмиттер-коллектор, равного ~4 В, от изменения напряжения эмиттер-база, равного ~50 мВ, приведена ниже:

Зависимость напряжения эмиттер-коллектор от напряжения эмиттер-база

Эффективность

Реальные реализации данной схемы конечно будут иметь источники ошибок, которые приведут к тому, что связь между током нагрузки и выходным напряжением отклонится от приведенной выше идеальной формулы. Даже схема LTspice не совсем идеальна из-за реалистичного поведения, реализованного в модели биполярного транзистора (и, возможно, в модели операционного усилителя). Однако, если у вас есть резисторы высокой точности и хороший операционный усилитель, я думаю, эта схема может быть довольно точной. Следующий график показывает смоделированную ошибку в том же диапазоне сопротивлений нагрузки (помните, что «V_collector» совпадает с Vвых).

Зависимость выходного напряжения схемы от сопротивления нагрузки при моделировании ошибки

Два графика почти идеально совпадают, что указывает на хорошую точность. Обратите внимание, как оранжевый график заметно ниже, чем синий, при наименьшем значении сопротивления нагрузки; это обусловлено тем, что сопротивление нагрузки 50 Ом соответствует выходному напряжению 5 В, но Vвых не может быть ровно 5 В, потому что по меньшей мере небольшое напряжение должно падать на R2 и на соединении эмиттер-коллектор.

Заключение

Мы рассмотрели интересную и эффективную схему, которая точно преобразует ток источника питания в напряжение, которое можно измерить, оцифровать или использовать в качестве входного сигнала компаратора. Если вы хотите продолжить изучение этой удобной схемы, то не стесняйтесь сэкономить немного времени, загрузив мою схему LTspice по ссылке ниже.

Скачать схему для LTspice

Оригинал статьи:

Теги

Биполярный транзисторИзмерениеИсточник питанияОУ (операционный усилитель)Электрический ток

Сохранить или поделиться

Как буферизовать выход операционного усилителя для получения более высокого тока, часть 1

Добавлено 6 октября 2019 в 14:03

Сохранить или поделиться

Вы можете значительно увеличить выходной ток операционного усилителя (ОУ), добавив в схему чуть более, чем один биполярный транзистор.

Вспомогательная информация

Нужна ли нам схема с буферизацией тока?

Операционные усилители, разумеется, универсальны, но их область применения ограничена ограничениями выходного тока. Можно ожидать, что обычный операционный усилитель будет непрерывно выдавать ток не более чем 30 или 40 мА. Хотя некоторые компоненты могут работать с токами, близкими к 100 мА, другие будут пытаться дать вам хотя бы 10 мА. Существует особая категория усилителей с высоким выходным током, ток которых приближается или даже превышает 1000 мА. Если компонент с высоким выходным током совместим с вашим приложением, обязательно используйте его.

Но есть несколько причин, по которым вы можете предпочесть буферизовать выход усилителя более общего назначения. Во-первых, некоторые усилители с высоким выходным током представляют собой сложные компоненты, предназначенные для специализированных применений, и, следовательно, они менее универсальны и более дороги – например, LT1210, компонент от Linear Tech, который может выдавать 1100 мА, обойдется вам в 12 долларов, если вы покупаете в розницу. Кроме того, некоторые компоненты с высоким выходным током (включая LT1210) являются усилителями с обратной связью по току, и вы не можете просто вставить устройство с обратной связью по току в схему, разработанную для топологии с обратной связью по напряжению.

К счастью, на самом деле нет необходимости использовать усилители с высоким выходным током, когда всё, что вам нужно, это простая схема на операционном усилителе плюс мощный выходной каскад. Вы можете использовать один из 75-центовых усилителей общего назначения, которые есть у вас в лаборатории/мастерской/гараже, и объединить его со стандартными компонентами (стоимостью тоже около доллара), и вы получите схему, которая вам нужна.

Всего один биполярный транзистор

Самая простая схема для буферизации выходного тока операционного усилителя выглядит так:

Рисунок 1 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе

А вот соответствующая схема LTspice:

Рисунок 2 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе в LTspice

Давайте получим четкое понимание идеи этой схемы, прежде чем двигаться дальше. Входной сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, а выход ОУ подключается непосредственно к базе биполярного транзистора. Операционный усилитель и биполярный транзистор могут использовать один и тот же положительный источник питания, но в этом случае мы предполагаем, что доступны два напряжения – источник питания 5 В для маломощных, малошумящих схем и 12 В для мощной части проекта. Значение резистора нагрузки очень низкое, поэтому выходные напряжения более 200 мВ, приложенные непосредственно к нагрузке, потребуют большего выходного тока, чем может обеспечить LT6203. Транзистор, выбранный в схеме LTspice, может работать с токами около 1000 мА, что означает, что он подходит для напряжений на нагрузке до 5 В.

Ключевым моментом этой схемы является соединение обратной связи. Помните «виртуальное короткое замыкание»: при анализе операционного усилителя в схеме с отрицательной обратной связью мы можем предположить, что напряжение на неинвертирующем входе равно напряжению на инвертирующем входе. Уже одно это говорит нам о том, что выходное напряжение (то есть напряжение на нагрузке) будет равно входному напряжению. Но давайте пойдем немного глубже, чтобы убедиться, что мы действительно понимаем, что происходит; виртуальное короткое замыкание – это своего рода суеверие, которое может отвлечь нас от реальной работы операционного усилителя. Операционный усилитель умножает дифференциальное входное напряжение на очень большой коэффициент усиления. Таким образом, с отрицательной обратной связью операционный усилитель быстро достигает равновесия, потому что большие изменения выходного напряжения уменьшают дифференциальное напряжение, которое вызывает эти самые выходные изменения. В этом состоянии равновесия выход стабилизируется при любом напряжении, что устраняет разницу между напряжениями на инвертирующем и неинвертирующем входах – иными словами, операционный усилитель автоматически регулирует свой выходной сигнал любым способом, необходимым для того, чтобы Vвх– было равно Vвх+.

В контексте этой схемы буферизации выходного сигнала операционный усилитель автоматически генерирует любое выходное напряжение, необходимое для того, чтобы сделать напряжение эмиттера биполярного транзистора равным входному напряжению. Подумайте, насколько сложно это было бы в ситуации разомкнутой петли – каким-то образом необходимо было бы рассчитать соотношение между входным и выходным сигналами усилителя, чтобы компенсировать падение напряжения база-эмиттер биполярного транзистора, которое не является ни линейным, ни предсказуемым. Но с операционным усилителем и некоторой отрицательной связью проблема становится тривиальной.

Давайте подкрепим это понимание идеи парой симуляций. Первая не очень захватывающая; она просто подтверждает, что выходное напряжение следует за входным напряжением (график входного напряжения Vin скрыт под графиком выходного напряжения Vout):

Рисунок 3 – График входного и выходного напряжений схемы

На следующем графике показано, что должно быть на выходном выводе операционного усилителя, чтобы обеспечить нужное напряжение на нагрузке.

Рисунок 4 – График входного напряжения схемы, выходного напряжения операционного усилителя и выходного напряжения схемы

Добавление усиления

Эта базовая схема не ограничена конфигурацией с коэффициентом усиления по напряжению, равным 1. Как и в случае небуферизованного операционного усилителя, вы можете вставить резисторы в петлю обратной связи, чтобы увеличить общий коэффициент усиления схемы от входного напряжения до напряжения нагрузки. Вот версия схемы с коэффициентом усиления более единицы:

Рисунок 5 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе с регулируемым коэффициентом усиления по напряжению

А вот новая схема LTspice, за которой следует график с входным напряжением VIN, выходным напряжением VOUT и напряжением, приложенным к базе биполярного транзистора.

Рисунок 6 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на биполярном транзисторе с регулируемым коэффициентом усиления по напряжению в LTspiceРисунок 7 – График входного напряжения схемы, выходного напряжения схемы (напряжения на нагрузке) и выходного напряжения ОУ (напряжения на базе транзистора)

Просто, но без «защиты от дурака»

При такой надежной и понятной схеме всегда существует риск самоуспокоения. Вот некоторые потенциальные проблемы, которые вы должны иметь в виду:

  1. Это очевидно, но убедитесь, что биполярный транзистор может справиться с вашим током нагрузки. Например, транзистор 2N2222, который вы найдете среди своих запчастей, вероятно, рассчитан только на постоянный ток коллектора 800 мА.
  2. Это не так очевидно: не превышаете ли вы максимальную рассеиваемую мощность транзистора? Эта проблема особенно неуловима, потому что это то, что вы можете не заметить в симуляции – например, симуляции, выполненные в этой статье, как-то не предупредили нас о том, что мы сжигали транзистор 2SCR293P. Максимальная рассеиваемая мощность для этого компонента с «каждым выводом, установленным на опорной земле» (я не совсем уверен, что это значит) составляет 0,5 Вт. В нашей схеме, если Vвых = 3 В, ток через нагрузку будет равен (3 В) / (5 Ом) = 600 мА, а напряжение коллектор-эмиттер на транзисторе составляет 12 В — 3 В = 9 В. Таким образом, рассеиваемая мощность составляет около (600 мА) × (9 В) = 5,4 Вт. Хотя ток коллектора находится в пределах допустимого диапазона, мы превысили максимальную мощность в 10 раз! Вы можете исправить это, используя более низкое напряжение питания, если это возможно, и после этого вам нужно выбрать более мощный транзистор.
  3. Когда биполярный транзистор работает в активной области, ток, текущий через базу, приблизительно равен току нагрузки, деленному на коэффициент бета, иначе известный как hFE или коэффициент усиления по току. Таким образом, операционный усилитель все еще должен подавать некоторый ток, и вы можете столкнуться с проблемами, если у вас будет высокий ток нагрузки в сочетании с относительно слабым выходным каскадом операционного усилителя. Например, если ваш ток нагрузки составляет 2500 мА, и вы используете транзистор с hFE = 100, вам потребуется ток базы около 25 мА; а некоторые операционные усилители не способны его обеспечить.
  4. Имейте в виду, что выходное напряжение операционного усилителя примерно на 0,7–0,9 В выше напряжения нагрузки. Это необходимо учитывать при выборе напряж

Преобразователь напряжения в ток на одном операционном усилителе — Студопедия

Достоинства Недостатки
Биполярный выходной ток. Возможен контроль напряжения на нагрузке по выходному напряжению Нагрузка или источник должны быть изолированными

На рис. 4.8 показан простой вариант преобразователя напряжения в ток всего на одном ОУ.

Благодаря действию обратной связи входное напряжение и падение напряжения на резисторе R1равны. Через нагрузку течет тот же самый ток, что и через резистор R

1,поэтому IВЫХ = Ubx/R1. Ток в нагрузке не зависит от ZН при условии, что ОУ работает в линейном режиме (не насыщается).

Коэффициенты преобразования.

Для инвертирующего преобразователя:

Для неинвертирующего преобразователя:

Входное сопротивление.

Для инвертирующего преобразователя:

Для неинвертирующего преобразователя:

где RВХ.СФ — входное сопротивление для синфазного сигнала ОУ А.

Выходное сопротивление инвертирующего и неинвертирующего преобразователей:

Выходной ток смещения инвертирующего и неинвертирующего преобразователей:

где UСМ.ВХ — входное напряжение смещения ОУ,

IСМ.ВХ — входной ток смещения ОУ.

Максимальный выходной ток ограничивается напряжением питания ОУ и импедансом нагрузки.


Для инвертирующей схемы:

Для неинвертирующей схемы:

где UНАС — выходное напряжение насыщения ОУ.

Максимальный выходной ток может ограничиваться и встроенной защитой самого ОУ. В этом случае для увеличения тока к выходу ОУ можно подключить усилитель мощности (рис. 4.9).

Неинвертирующая схема на рис. 4.8 имеет высокое входное сопротивление, так как входной сигнал подается непосредственно на вход ОУ. Входное сопротивление инвертирующей схемы равно сопротивлению резистора R1,которое может быть сравнительно небольшим. Кроме того, в инвертирующей схеме источник управляющего напряжения должен обеспечивать и весь выходной ток. Для получения большого коэффициента преобразования при сохранении приемлемого сопротивления резистора R1, в цепь обратной связи можно включить делитель (рис. 4.9). У этого способа есть недостаток — уменьшается коэффициент передачи цепи обратной связи, а это снижает линейность и точность преобразования, а также уменьшает выходное сопротивление.

Выходное сопротивление в этом случае равно:

,

т.е. уменьшается в R3/(R2+R3) раз.

При работе на большую индуктивную нагрузку (например, обмотку реле или двигателя) позаботьтесь о том, чтобы не превысить допустимые параметры ОУ из-за возникновения больших обратных ЭДС. Для защиты ОУ и других элементов включаются дополнительные диоды. Кроме того, при индуктивной нагрузке возникают проблемы с устойчивостью схемы. Индуктивность в цепи обратной связи добавляет лишний полюс в частотной характеристике, что может вызвать неустойчивость и привести к само­возбуждению устройства. Для борьбы с этим включаются корректирующие конденсатор и резистор, показанные на рис. 4.9.


Включение еще одного ОУ превращает исходную схему в ПНТ с дифференциальным входом (рис. 4.10).

Для плавающих источников управляющих напряжений применяются схемы, приведенные на рис. 4.11, причем достоинство схем б) и в) состоит в том, что они отдают ток в заземленную нагрузку.

Из-за действия обратной связи падение напряжения на резисторе R1 равно входному напряжению Uвх.Ток, протекающий через резистор R1 должен течь и через нагрузку, что приводит к желаемому результату.

Выходное сопротивление для схемы а):

Rвых=AvR1,

а для схем б) и в):

Rвых=Av(R1/KOCC).

Общее смещение, приведенное к входу, для схем а), б) и в):

Uсм=Uсм.вх+Iсм.вх R,1

где Аv коэффициент усиления ОУ А,

КОСС — коэффициент ослабления синфазного сигнала ОУ А,

UСМ.ВХ — входное напряжение смещения ОУ А,

IСМ.ВХ входной ток смещения ОУ А.

Выходное напряжение для схем а), б) и в):

При проектировании таких преобразователей помните о следующих моментах.

· Как и ранее, максимальный ток ограничивается либо выходным током, либо напряжением насыщения ОУ. Если выходной ток ограничивается напряжением насыщения ОУ, то максимальный ток составляет UНАС/(R1 + ZН), где UНАС — напряжение насыщения ОУ.

· В подобных схемах выходное напряжение ОУ можно использовать для контроля напряжения на нагрузке, т.к. UВЫХ= UН + UВХ UН, при ZН » R1. Для непосредственного измерения напряжения на нагрузке может потребоваться дополнительный буфер.

· Если схема а) имеет плавающие источники питания, то можно подключить точку Р кобщему проводу для того, чтобы заземлить входной сигнал и нагрузку.

· Схема а) имеет высокое входное сопротивление, равное входному сопротивлению ОУ, умноженному на коэффициент обратной связи. На практике паразитные емкости и утечки ограничивают входное сопротивление на уровне 10 МОм с включенной параллельно ему емкостью в несколько пФ.

· Сопротивление утечки между плавающими зажимами источника сигнала и землей не влияет на работу схемы в). Однако оно сказывается на работе схем а) и б), так как по сопротивлениям утечки отводится часть выходного тока от токозадающего резистора R1.

Однополярное питание операционных усилителей | Electronic-devices.com.ua

Мобильные электронные системы с питанием от батарей получают все большее распространение.
Обычно в них используется однополярное питание напряжением 5 В и меньше. Схемы с однополярным
питанием позволяют уменьшить сложность источника питания и зачастую повысить экономичность
устройств.

Операционные усилители (ОУ)  преимущественно используются в схемах с двухполярным питанием, поскольку входные и выходные сигналы ОУ чаще всего могут иметь как положительную так и отрицательную полярность относительно общей шины схемы. В случае, если не инвертирующий вход ОУ соединен с общей шиной, синфазное входное напряжение, вызывающее погрешность преобразования сигнала схемой на ОУ, отсутствует (рис. 1).

Тогда выходное напряжение ОУ   Vout=-Vin R2/R1 .

Если источник входного сигнала не соединен с общей шиной (рис. 2, а), то разность потенциалов Vсф между общей шиной и выводом источника входного сигнала влияет на выходное напряжение Vout=-(Vin+Vсф)R2/R1 .

Иногда это допустимо, но чаще выходное напряжение усилителя должно обязательно определяться только входным сигналом Vin. В таком случае ОУ используется в дифференциальном включении, причем на второй вход подается смещение, в точности равное Vсф  (рис. 2, б). Напряжение Vсф существует в обеих входных цепях, и, следовательно,
является синфазным входным сигналом. Схема инвертирующего включения ОУ с однополярным питанием приведена на рис. 3.

Здесь входное напряжение привязано не к средней точке источника питания, как это обычно делается в случае двухпоярного питания ОУ, а к отрицательному полюсу источника питания. Эта схема не работает, если входное напряжение положительно, поскольку выходное напряжение должно в этом случае становиться отрицательным, а отрицательного источника питания здесь нет. Для нормальной работы с отрицательными входными сигналами в этой схеме следует  использовать  ОУ, допускающие соединение входов с шинами питания. Непременное требование соединения входов с общей шиной или другим опорным напряжением затрудняет  построение схем на ОУ с однополярным питанием. Наиболее естественно использовать однополярное питание операционных усилителей тогда, когда источник входного сигнала однополярный, например, фотодиод (рис. 4).

В других случаях могут использоваться различные способы смещения входных и выходных напряжений ОУ.

Смещение ОУ с однополярным питанием

На рис. 5 представлены три основные схемы подключения источника смещения при однополярном питании ОУ.

Схема на рис. 5, а  представляет собой инвертирующий сумматор,

на рис. 5, б —дифференциальный усилитель,

а на рис. 5, в — неинвертирующий сумматор.

В общем случае связь между входными и выходными напряжениями в этих схемах можно представить уравнением

 Vout= kVin+b . (3)

Уравнению (3)  соответствует график статической переходной характеристики схемы с ОУ в виде прямой
линии (рис. 6).

таблица 1.

В табл. 1 приведены значения постоянных k и b для уравнения (2),

Работа с ОУ Cranky

Введение

Многие люди в наши дни знакомятся с аудиоэлектроникой с помощью послушных операционных усилителей, таких как Burr-Brown OPA132. Этот чип относительно медленный на 8 МГц, что достаточно быстро, чтобы передать низкий уровень искажений звуковой сигнал, но не настолько быстрый, чтобы легко можно было попасть в беду. Кроме того, у него есть входы FET, что означает, что вам не о чем беспокоиться. о стоимости резисторов вокруг операционного усилителя, влияющих на его производительность удивительными способами.

Есть много других операционных усилителей, подходящих для звука, которые бушующие тигры по сравнению с OPA132. Я написал первую версию этой статьи после попытки выбросить National Semiconductor LM617 x в карманный усилитель CMoy. Это вообще не работал правильно. Он колебался, как сумасшедший, и имел высокий Смещение постоянного тока на выходе наушников. В этой статье объясняется, почему эти произошло две вещи, и что вы можете сделать, чтобы их исправить. Вдоль таким образом вы лучше поймете «настоящие» операционные усилители, в отличие от почти идеального поведения операционных усилителей, демонстрируемого послушные чипы, такие как OPA132.Я использую LM617 x в качестве основного примера. просто потому, что этот чип обычно используется для аудио, но это крайнее несоответствие стандартному дизайну CMoy, поэтому он иллюстрирует проблемы явно. Тем не менее, принципы актуальны для много других фишек.

Высокое смещение постоянного тока

Источник проблемы

Проще всего создавать интегральные схемы, используя только один вид транзистор. Традиционные операционные усилители полностью сделаны из двухполюсных транзисторы. (Плюс некоторые пассивные компоненты.) Первый действительно популярный Операционный усилитель IC был µA741, представленный еще в 1968 году, но все еще доступно сегодня. Взгляните на схему на странице 2 таблицы данных µA741, и вы увидите, что каждый из входных контактов операционного усилителя подключен к базе биполярного транзистора. Мы говорим, что это биполярный вход операционный усилитель.

Почему это важно? Одна из характеристик биполярного расстройства транзистор в том, что они требуют небольшого, но значительного тока базы работать. Этот ток либо течет в операционный усилитель, либо выходит из него. входов, и таким образом вызывает напряжение на резисторах вокруг операционный усилитель.(Втекает или выходит ток, зависит от конструкции входного каскада операционного усилителя, но поскольку отрицательное смещение просто так же плохо, как положительное смещение, мы можем игнорировать этот факт.)

Теперь взгляните на страницу 3 из National Semiconductor LM617 x техническая спецификация. Там вы найдете спецификацию для «входного смещения ток », который является этим базовым током. Для LM617 x это может достигать 4 мкА. Это довольно крошечный ток, но подумайте, что происходит, когда вы проталкиваете этот ток через относительно высокие значения резисторов на входах CMoy-усилителя.Закон Ома сообщает нам, что если R2 равен 100 кОм, то на него воздействует 4 мкА. разовьет напряжение 0,4 В. Мда! Теперь мы говорим о что-то значительное. Хорошо, что происходит на другом входе? Из с точки зрения постоянного тока сопротивление на инвертирующем входе усилителя CMoy это R3 и R4 параллельно. Используя значения по умолчанию 1 кОм и 10 кОм, параллельное сопротивление 909 Ом. Если вы заставите 4 мкА, вы получите всего 2,7 мВ. Смещение в неинвертирующий вход намного выше, чем на инвертирующем входе что это достаточно близко к истине, чтобы сказать, что существует 0.4 В Смещение постоянного тока на входе усилителя CMoy в этой конфигурации. Когда ты умножьте это на коэффициент усиления усилителя, который в данном случае равен 11, вы получить 4,4 В. на выходе операционного усилителя. Такое смещение постоянного тока убьет наушники очень быстро.

( Помимо: Есть два других параметра операционного усилителя) которые также влияют на выходное напряжение смещения: входной ток смещения и входное напряжение смещения. Эта статья игнорирует эти два, потому что входной ток смещения является самым важным в типичных приложениях. Учитывая другие не повлияли бы на выводы, сделанные в этой статье.Если вы хотите узнать больше по этой теме, рекомендую прочитать раздел 11.3 операционных усилителей для Каждый. Если вы просто хотите узнать общее смещение, используйте мой Калькулятор напряжения смещения.)

Нерешения

Очевидно, усиление усилителя здесь не помогает, но даже если мы снизим он равен 1, у нас все еще остается смещение 0,4 В. Это все еще слишком высоко, и снижение коэффициента усиления до 1, вероятно, нецелесообразно для загрузки. Наиболее в большинстве случаев нам нужно как минимум или прирост напряжения в наушниках усилитель мощности.

Мы могли бы добавить выходной конденсатор для блокировки постоянного тока, но только конденсаторы, достаточно большие, чтобы работать в этой ситуации, являются электролитическими. Электролитические конденсаторы — это конденсаторы самого худшего качества. Мы терпеть их только потому, что для некоторых вещей они единственное Это будет работать. Только самый звездный аудиофил вам скажет что использование электролитов в тракте аудиосигнала — хорошая идея, если есть другое решение, которое будет работать.

Нам не нужно прибегать к такому неуклюжему взлому.Мы можем взять первый большой шаг по уравновешиванию входных токов смещения.

Балансировка входных токов смещения

Если предположить, что оба входа операционного усилителя имеют одинаковое входное смещение тока, формула для уравновешивания входных токов смещения просто уравнение параллельного резистора для двух резисторов. Используя деталь имена в усилителе CMoy, формула:

Это говорит вам, каким должно быть значение R2, чтобы обнулить Смещение постоянного тока при значениях R3 и R4.

Для вашего удобства вот то же уравнение преобразовано в решить для R3 и R4:

Представьте, что произойдет, если мы изменим R3 на 120 кОм и R4 на 620 кОм. Эти два параллельных значения составляют около 100,5 кОм, что примерно так близко к значению R2 100 кОм, как вы собираетесь чтобы использовать стандартные значения резистора 5%. Теперь инвертирующий вход напряжение смещения возрастает до 0,40216 В. Вычитая это из смещения на неинвертирующем входе и умножение на новое усиление (6.2) ты получить достаточно низкое смещение постоянного тока 13 мВ. Вы можете попробовать более низкое значение, ища значения R3 / R4 в более узкой 1% линии, чтобы еще ближе к 100 кОм, но это быстро становится глупостью игра. Фактический входной ток смещения зависит от производства. различия, и два тока не будут идентичными. (Это то, что Кстати, спецификация входного тока смещения операционного усилителя говорит вам.) существуют и другие источники смещения постоянного тока, относящиеся к входу, которые будут в конечном итоге затопите ваши усилия по исправлению этого одного типа.В заключение, даже если вы позаботитесь обо всем остальном, допуски резисторов будут по-прежнему мешает нам полностью обнулить смещение. На практике, есть более эффективные способы решить оставшуюся часть этой проблемы чем точное согласование резистора.

( Помимо: На этом фоне вы готовы чтобы понять одну причину существования операционных усилителей на полевых транзисторах: полевые транзисторы не имеют этот высокий базовый ток. Операционный усилитель с полевым транзистором может иметь входное смещение ток более чем в миллион раз ниже, чем у LM617 x ! Вот почему вам не нужно беспокоиться о смещении из-за несбалансированного входного смещения токи при использовании операционных усилителей на полевых транзисторах в усилителях для наушников.В следствием этого является то, что из-за сложности изготовления ИС с двумя совершенно разными типами транзисторов, вход FET Операционные усилители дороже биполярных типов, особенность за функцией.)

Новая проблема 1: входной фильтр

Для меня приемлемый предел смещения постоянного тока в усилителях для наушников составляет 20 мВ, поэтому 13 мВ вполне подойдет. К сожалению, входной ток смещения не единственный источник смещения постоянного тока на выходе операционного усилителя. Добавить в этих других источниках, и это легко можно пройти предел.Нам нужно снизить составляющую дисбаланса входного тока смещения смещения постоянного тока еще немного.

Один из способов улучшить это — понизить значения резисторов вокруг входов операционного усилителя. Давай сделаем что-нибудь радикальное и обрежьте все три рассматриваемых резистора до одной десятой от значений I использованный выше. Это также снижает смещение постоянного тока в 10 раз. Voilá , проблема решена, верно?

Ну да, но вы только что создали новую проблему.

В усилителе CMoy R2 и C2 образуют RC-фильтр верхних частот.Этот своего рода фильтр пропускает высокие частоты и обрезает низкие частоты. Самым важным числом, описывающим такой фильтр, является его «угол частота. » Для фильтра верхних частот затухание увеличивается на стабильные 6 дБ на октаву ниже этой частоты, и она выравнивается асимптотически к нулю выше этой точки. Угловая частота оказывается точкой, где затухание составляет 3 дБ, поэтому некоторые люди также будет называть это «точкой -3 дБ», но на самом деле ценность не важна на практике.

Формула для угловой частоты RC-фильтра:

При исходных значениях CMoy частота среза составляет около 16 Гц.Таким образом, затухание составляет 3 дБ при 16 Гц, 9 дБ на октаву ниже при 8 Гц, 15 дБ ниже при 4 Гц и т. Д. Это показывает другой взгляд на характер блокировки по постоянному току входного конденсатора CMoy усилителя: на постоянном токе, этот фильтр имеет бесконечное затухание.

Но мы просто решили сократить R2, R3 и R4 в 10 раз, чтобы нижнее смещение постоянного тока. Что мы сделали с этим фильтром? Угловая частота сейчас в 10 раз выше, 160 Гц. Мы просто полностью уничтожили басовый отклик усилителя! Чтобы вернуть нашу характеристику фильтра, нам нужно чтобы поднять значение входного конденсатора в такой же раз, как мы понизил номинал резисторов.

Стандартный входной конденсатор для усилителя CMoy — 0,1 мкФ, поэтому нам нужно увеличить до 1 мкФ. 1 мкФ аудиофильского качества конденсаторы существуют, так что это выполнимо. Но как я описываю в статье Входные конденсаторы для усилителей для наушников , 0,1 мкФ едва хватает начать с. Если вы последуете советам из этой статьи, вы захотите использовать конденсатор 1 мкФ с исходным значением R2 Чу Мой. Этот подразумевает увеличение входной емкости до 10 мкФ в этом новом резисторе конфигурация. Такие большие колпачки существуют, но они дорогие и трудно найти в большом количестве DIYer.Кроме того, если это физически small — будет низкого качества, или, если это хорошо для звука, будет настолько большой, что он, вероятно, не поместится в корпус вашего усилителя, чтобы начать с участием.

Новая проблема 2: входная загрузка

Просто непрактично превышать 1 мкФ для наушников. входные конденсаторы усилителя, если качество звука является вашей основной целью. На самом деле, ваш выбор линии конденсаторов и проблемы с физической компоновкой могут конденсатор емкостью 0,47 мкФ или ниже. Нам нужно найти лучший способ решить эту проблему смещения постоянного тока.

Вы можете принять это ограничение вместо того, чтобы жаловаться об этом. Вместо того, чтобы пытаться получить смещение постоянного тока до исчезающе низкого уровней, давайте просто попробуем получить смещение постоянного тока немного ниже нашего Пороговое значение 20 мВ. Мы будем сокращать только номиналы резисторов в вдвое и вдвое больше входной крышки. Поскольку компромисс — это игра дня здесь, мы не будем пытаться найти хороший конденсатор 2 мкФ, но вместо этого довольствуйтесь 1 мкФ или даже 0,47 мкФ. Это не идеально, но неплохо.

Но теперь у нас есть еще одна новая проблема.Урезав значение R2 в наполовину, мы сейчас «загружаем» горшок с объемом, если у нас один. Общее практическое правило в этой части электроники мир заключается в том, что источник должен иметь импеданс не менее 10 × ниже, чем его нагрузка. В дизайне CMoy Чу Мой рекомендовал 100 кОм для R2, ​​потому что он также рекомендовал объем 10 кОм контроль. Если мы сократим R2 вдвое, мы должны уменьшить размер банка на половина тоже. Проблема в том, что нет хороших аудиоустройств 5 кОм для говорить о. Даже если бы мы смогли его найти, правило 10-кратной загрузки относится и к горшку: это нагрузка для источника звука.Нередко источники звука имеют выходное сопротивление, равное высокий как 1 кОм. В течение многих лет 600 Ом было самым распространенным значение выходного сопротивления. Вот почему 10 кОм — самый низкий общий значение звукового горшка.

Новая проблема 3: шум резистора

Все резисторы создают шум, пропорциональный номиналу резистора. Это называется шумом Джонсона (по имени его первооткрывателя), и формула для это это:

, где k — постоянная Больцмана (1.38 × 10 -23 ), T — температура резистора (в Кельвинах), R — номинал резистора, а B — полоса пропускания, в которой вы хочу рассчитать шум. Так, например, шум 1 кОм резистор при комнатной температуре (300 ° К — хорошее круглое число, и достаточно близко) будет генерировать 575 нВ шума по аудио полоса пропускания (от 20 Гц до 20 кГц):




Это свойство всех проводников из-за теплового воздействия.(Из-за этого он также называется тепловым шумом.) Чем выше сопротивление резистора, и чем выше температура, тем выше шум. (Подробнее об этом явлении можно прочитать здесь. могу играть с числами, используя мой операционный усилитель калькулятор шума.)

Тогда вы можете увидеть проблему: подключив 120 кОм и Резисторы обратной связи 620 кОм выше, мы увеличили схему шум. Достаточно ли большая разница, чтобы иметь значение? Предлагаемая схема будет иметь минимальный уровень шума -80 дБ относительно сигнала 1 В, и который игнорирует вклад шума от самого операционного усилителя, и любые шум от источника.Довольно тихо, но слышно. Акция Конфигурация CMoy (настройка для получения того же усиления) имеет шум этаж на 7 дБ ниже, что достаточно, чтобы тише.

Решения

Итак, и горшок, и входной предел означают, что мы не можем снизить R2, что заставляет R3 и R4 быть высокими, чтобы сбалансировать входное смещение токи. Мы полностью загнали себя в угол? К счастью, нет.

Одноканальный операционный усилитель действительно требует всего 5 контактов, но мы их ставим в 8-выводных корпусах по историческим причинам.Часто дизайнеры интегральных схем используйте два из этих выводов для обнуления смещения постоянного тока. Если у вашего чипа такая функция позволяет вырезать небольшие ошибки. Как ты использовать эту функцию и насколько большую ошибку она может исправить, очень важна зависимый. Прочтите его техническое описание.

Если вы используете двухканальный операционный усилитель, требуются все 8 контактов. только для основных функций операционного усилителя, поэтому вы не можете использовать этот метод. А также, Иногда по той или иной причине вы просто не можете позволить себе обрезать горшки. Еще не все потеряно.

Еще одно возможное решение — просто избегать биполярных микросхем с высоким входной ток смещения. Все основные производители операционных усилителей сегодня предлагают параметрические поисковые системы, где вы можете указать максимальное смещение ввода ток, который может выдержать ваш дизайн. Возможно, вы найдете альтернативу чип, который будет работать. Еще лучше, много раз есть полноценный версия микросхемы, которую вы хотите использовать. Почти всегда все преимущество к этим высококачественным операционным усилителям в лучших характеристиках постоянного тока. Этого может быть достаточно чтобы сохранить ваш дизайн.

Если все это не помогает, вы можете начать сомневаться в ограничениях вы положили на себя. Вам действительно нужен входной конденсатор? В другой статье я утверждаю, что это часто больше хлопот, чем оно того стоит. Итак, допустим, мы решили, что входной колпачок не тянет сам себя. Что будет, если мы удалим Это? Что ж, в DC у нас теперь есть два параллельных сопротивления на неинвертирующий вход: горшок и R2. Поскольку сопротивление горшка намного ниже, чем значение R2, оно доминирует. Это меньшее значение на неинвертирующем входе означает, что мы можем обойтись более низким резистором значения в петле обратной связи.Более низкие значения означают меньшие смещения постоянного тока, и, как дополнительный бонус, более низкий уровень шума цепи. Единственная уловка здесь, горшок — переменное сопротивление. Это означает, что смещение постоянного тока будет отличаться. при повороте ручки громкости. В зависимости от используемого чипа это может быть безвредно или может означать наличие настроек громкости где смещение постоянного тока возрастает до опасного уровня. Вам придется вычислить цифры, чтобы узнать, будет работать.

Итог

Усиление усилителя и значения потенциометра, входного конденсатора, входа резистор и резисторы усиления взаимодействуют друг с другом.Снижение любое значение резистора требует, чтобы два других были понижены тем же фактором, чтобы все остальное оставалось равным. Это, в свою очередь, означает, что ограничение на входе должно быть , увеличенное на на тот же коэффициент. Между тем, горшок должен оставаться как минимум в 10 раз ниже, чем исходный резистор. Вы часто обнаружите, что изменение одного значения означает Требуемое изменение одного или нескольких других нецелесообразно. Этот Тщательная балансировка — это душа инженерного искусства. Нет по-настоящему идеальные инженерные решения, приемлемые только в целом сборники компромиссов.

Колебание

Почему это происходит

Взгляните на схему карманного усилителя CMoy. Это так просто. В напряжение от потенциометра подается на неинвертирующий вход операционного усилителя, резисторы обратной связи сообщают операционному усилителю, какое усиление вы хотите, а Операционный усилитель выдает то, что вы ему дали, усиленное этим усилением. Так прямолинейно и аккуратно. О, было бы замечательно, если бы вот как все заработало в реальном мире!

В реальной цепи ток не просто идет от A к B, следуя следы легли на печатную плату.Некоторые из них идут на поверхности печатной платы, потому что поверхность никогда не бывает чистой на 100%. Поскольку материал печатной платы не идеален изолятор, некоторые также проходят через материал печатной платы. Текущие находки другие пути обхода вашей обратной связи, например, ненулевой сопротивление питания и заземления, паразитные составляющие в обратной связи цикл и т. д. И это самые простые. Если все действительно становится странно, но у вас есть и другие пути, например RFI по воздуху.

Почему это важно? Все сводится к действию операционного усилителя и сдвиг фазы.

Операционный усилитель делает операционный усилитель тем, что он всегда пытается чтобы два его входа имели одинаковое напряжение. Мы называем этот операционный усилитель действие. Цель добавления резисторов и т.п. в обратную связь цикл должен изменить это действие операционного усилителя.

Давайте посмотрим, как работает операционный усилитель для увеличения напряжения. Представить что на неинвертирующем входе усилителя напряжение 0,1 В. Представь тогда что это напряжение проходит через операционный усилитель совершенно нетронутым: получаем на выходе 0,1 В.Это напряжение идет по контуру обратной связи, который содержит простой делитель напряжения в усилителе, таком как CMoy карманный усилитель. Ради аргумента, допустим, это 10-кратное напряжение разделитель. Этот делитель снижает наш сигнал 0,1 В до 0,01 В. В операционный усилитель хочет сделать свое напряжение -IN равным его напряжению + IN, поэтому он увеличивает выходное напряжение в 10 раз. Теперь выходное напряжение составляет 1,0 В, который делится резисторами контура обратной связи до 0,1 В, поэтому ОУ доволен. У нас есть усиление по напряжению.

А теперь представьте, что приходит какая-то сила — ее природа не имеет значение здесь — и понижает выходное напряжение операционного усилителя на налет.Через контур обратной связи это заставляет инвертирующий вход вниз тоже. Операционный усилитель видит, что инвертирующий вход пытается ниже, чем неинвертирующий вход, поэтому снова появляется действие операционного усилителя в игру, заставляя выход вверх, чтобы противодействовать нашей тайне сила. Вот почему операционные усилители имеют такие низкие искажения и низкую мощность. сопротивление при работе в нормальном диапазоне. Силы действия ОУ корректирующие меры, которые необходимо предпринять каждый раз при отклонении от ожидаемое поведение. Единственная причина, по которой операционные усилители имеют искажения на Все дело в том, что мы не можем создать идеального действия операционного усилителя в реальном Мир.

Хорошо, а что насчет реального мира? Представим, что происходит, если на наш усилитель подается синусоида вместо простое постоянное напряжение. Допустим, есть задержка в схема внутри усилителя, так что он сдвигает синусоидальную волну на 180 градусов при прохождении через операционный усилитель. В синусоиде 180 градусов сдвига меняет напряжение на противоположное: 2 В становится -2 В, -0,3 В становится 0,3 В и т. д. Предположим, что синусоида имеет пики 1 В, и что на входе усилителя имеется положительный пик.Из-за задержки внутри операционного усилителя, это означает, что выход только сейчас помещает из того, что произошло 180 градусов назад, что составляет -1 В. А пока мы игнорируйте усиление и также установите -1 на инвертирующем входе. Два входа неравны, так что операционный усилитель пытается исправить это. В неинвертирующий вход выше, чем инвертирующий вход, поэтому операционный усилитель пытается немного поднять свое выходное напряжение. Но потому что есть Сдвиг фазы на 180 градусов, это фактически приводит к выходу вместо этого идет вниз на ! У нас есть самоусиливающийся цикл, называемый «положительной обратной связью», который заставляет вывод напряжение жесткое в одном направлении, а затем из-за ограничений реального мира он должен вернуться в обратном направлении как можно быстрее.Цикл повторяется бесконечно. Поздравляем, вы создали осциллятор.

Очевидно, это было бы действительно плохо TM сделать операционный усилитель с фазовым сдвигом 180 градусов. Но на самом деле В мире, мы не можем сделать операционный усилитель с нулевым фазовым сдвигом. Реальный У операционных усилителей всегда есть сдвиг фазы. Разница между величина сдвига фазы и 180 градусов называется фазой операционного усилителя прибыль. Если ничто другое в вашей схеме не добавляет задержки, вы можете получить с запасом по фазе 0,0001 градус.Но жизнь не так проста, конечно. Запомните все пути, которые я перечислил выше, которые позволяют избежать ваш тщательно спланированный цикл отрицательной обратной связи? Если условия верно, любой из них может создать цикл положительной обратной связи и создать осциллятор.

В реальном операционном усилителе фазовый сдвиг зависит от частоты. Поскольку реальные сигналы, такие как музыка, состоят из многих желаемых частот плюс нежелательные, такие как шум, как схема реагирует на сигнал может быть очень сложным. Схема может работать без каких-либо колебаний в некоторых случаях, но если только правильная частота входит в цепь, она может взлететь в колебание.

Как правило, чем быстрее операционный усилитель, тем меньше у него запас по фазе. буду иметь. Кроме того, более широкая полоса пропускания означает большее диапазон сигналов, на который обращает внимание операционный усилитель. Если вы представите усилитель 8 МГц с шумом 21 МГц, он более или менее будет игнорируй это. Но если вы представите тот же самый шум операционному усилителю 220 МГц, он усилит его вместе с остальной частью вашего сигнала. Если этот усиленный шум имеет правильную частоту, чтобы колебания запуска, ваш выбор использования более быстрого чипа будет роковой.

Как это исправить, часть 1: Обход источника питания

Идеальный источник питания имеет нулевое сопротивление. Закон Ома (V = IR) говорит нам, что если импеданс (R) равен нулю, никакая величина тока (I) не может возможно, вызвать изменение напряжения источника питания (В). Было бы быть идеальным источником напряжения. То же самое и с вашей землей: нет количество тока, сброшенного на идеальную землю, меняет землю вольтаж.

В реальном мире у источника питания и заземления всегда есть ненулевой импеданс.Мы стараемся максимально приблизиться к нулю, но невозможно построить идеальный источник напряжения. Это означает что переменный ток вашей схемы создает крошечные колебания напряжения в сигналах питания и заземления. Легко понять, почему стабильность пути заземления имеет значение: в усилителе CMoy вход -IN операционного усилителя подключен к земле через R3, поэтому, если земля отскакивает, это как фантомный сигнал, появляющийся на -IN. Что касается шин питания, Операционный усилитель не имеет бесконечного коэффициента отклонения источника питания, поэтому некоторые пульсация на шинах питания попадает на выход операционного усилителя, и поэтому может вызвать колебания.(См. Сопутствующую статью Рекомендации по качеству источников питания операционного усилителя для получения дополнительной информации по этим темам.)

Один из способов снизить импеданс питания и заземления — добавить байпас. конденсаторы. Конденсаторы — это накопители энергии. Когда вы размещаете их параллельно цепи питания конденсатор пытается сгладить устраняет любые колебания в этой цепи. Искусство использования байпасных конденсаторов тонко, однако. Нельзя просто кучу шапок на доску и ожидайте, что все колебания исчезнут.Причины сложный.

Во-первых, индуктивность противоположна емкости, и все провода иметь индуктивность. Чем короче и толще провода, тем меньше их индуктивность. но у него есть практические пределы. Потому что индуктивность противодействует емкость, слишком много провода между байпасным конденсатором и чем он предполагается, что обход сделает это ограничение неэффективным. Поэтому байпасный конденсатор должен располагаться как можно ближе к подключаемому устройству. обошли по возможности. Для критической работы вы должны даже учитывать длина вывода конденсатора.Это одна из причин, почему поверхность Технология крепления стала настолько популярной: керамика для поверхностного монтажа конденсаторы имеют практически нулевую длину выводов (следовательно, небольшую индуктивность) и могут сидеть очень близко к тому, что им нужно обойти. Что компьютер с несколькими гигагерцами на вашем рабочем столе был бы невозможен без миниатюризация, обеспечиваемая технологией поверхностного монтажа. Ты просто не мог построить ту же схему вдвое большего размера и заставить ее работать: одна только дополнительная длина провода помешала бы ему работать.

Самые популярные байпасные конденсаторы 0.Керамика 1 мкФ. За аудиосхемы операционного усилителя, лучше добавить два на каждый операционный усилитель, один из каждая шина питания на землю. Нога, уходящая в землю, может быть такой же длинной как и должно быть; поставьте вторую ногу как можно ближе к штифту питания возможный. Потому что эффективность конденсаторов для шунтирования относительно частоты повышается по мере уменьшения значения, вам может потребоваться снизиться до 0,01 мкФ для более быстрых операционных усилителей. Вы также можете использовать пленочные конденсаторы вместо керамических. Керамика лучше на высоких частота, но фильмы имеют более высокую линейность, что делает аудиофилов счастливый.Линейность не имеет значения, если схема не работает. поскольку байпасный конденсатор неэффективен на проблемной частоте, Однако не исключайте керамику. Хороший компромисс — C0G или керамика типа NP0, которая имеет почти такую ​​же высокую линейность, как пленка крышка, но имеет преимущества высокой скорости керамики.

Также могут быть полезны танталовые конденсаторы большего размера. Они не справляться с высокочастотными шумами, поэтому они не должны рядом с микросхемой как керамика. Как и с керамикой, лучше в аналоговых схемах использовать две заглушки от земли, по одной на каждую шина питания.Но вам может сойти с рук только один из железнодорожных рельс. Значения в диапазоне от 1 мкФ до 10 мкФ работают. Лучший. Вы можете позволить одному большому танту (или паре них) обслуживать несколько ИС. Чем больше, тем лучше, особенно если у каждой микросхемы нет своей tant (s), но не сходите с ума. Крышка байпаса 2,2 мкФ может служить так же хорошо, как 10 мкФ в ситуации, когда 1 мкФ быть недостаточным.

Как это исправить, часть 2: ограничение пропускной способности

Как вы помните, один из факторов, повышающих риск колебание — это избыточная пропускная способность.

Если послушать крутых инженеров-электриков, они скажут Вы считаете, что даже скромный µA741 достаточно хорош для воспроизведения звука. Они правильно, что у него достаточная пропускная способность и достаточная скорость нарастания, чтобы передать приличный звуковой сигнал, если вы его тоже не загрузите сильно. Но если вы слушаете наушники вместо этих инженеры, вы услышите совсем другое: µA741 отстой для аудио!

Когда мы используем современный высокоскоростной операционный усилитель, такой как LM617 100 МГц x для аудио, это не потому, что нам нужно усиливать сигналы за пределами Полоса пропускания звука 20 кГц или потому, что нам нужна ужасно высокая скорость нарастания.Нам больше нужны такие вещи, как более высокая точность чипа и его способность управлять нагрузками с низким сопротивлением. Чипсы с широким замкнутым контуром полоса пропускания также имеет тенденцию иметь широкую область плоской полосы пропускания без обратной связи, что означает, что коэффициент обратной связи является линейным в более широком диапазоне аудио пропускная способность. Эти и другие функции позволяют снизить искажения. критические нижние 20 кГц.

Можно съесть и наш пирог. Если вы уроните небольшой конденсатор через резистор обратной связи (R4 в большинстве обсуждаемых усилителей на этом сайте) усиление усилителя начинает падать по мере того, как частота поднимается.(Вы можете использовать приведенное выше уравнение RC-фильтра, чтобы определить это точка -3 дБ фильтра.) Так как усиление напряжения почти всегда является фактором в начале колебаний этот ограничивающий предел пропускной способности — также называется фазовой крышкой — может вылечить колебания.

Давайте рассмотрим пример. Скажем, ваш R4 составляет 620 кОм. Давай попробуем Ограничение полосы пропускания 10 пФ. Приведенная выше формула RC-фильтра говорит нам что операционный усилитель будет действовать как RC-фильтр с угловой частотой около 26 кГц с этими значениями. (Другими словами, коэффициент усиления усилителя равен снижается на 3 дБ от номинального значения на частоте 26 кГц.) Это не намного выше пропускную способность звука, поэтому мы можем выбрать немного меньшее значение ограничения, или мы можем каким-то образом найти меньшие значения резисторов, чтобы мы могли использовать большее значение ограничения. Поместите угловую частоту где-то в 30 Диапазон от кГц до 100 кГц, вероятно, лучше всего.

Поскольку этот колпачок находится непосредственно на аудиотракте, качество имеет значение. Абсолютно лучшие колпачки для аудио — это полипропилены, но самые маленькие, которые я когда-либо видел, — 33 пФ, и их трудно достать. Следующими по качеству являются полистиролы, которые производятся во всех подходящих для этого, но их тоже трудно достать.Третий лучший выбор совсем неплох, и их довольно легко найти: серебро слюда. Если вы не можете их получить или не можете позволить себе место на доске они берут, есть только один уровень ниже, вы должны когда-либо идти сюда: можно использовать керамические конденсаторы NP0 или C0G. (Эти два типа являются То же самое.) Никогда не используйте в аудиотракте какие-либо другие керамические изделия. Никогда, Никогда никогда. Измените схему другим способом, чтобы избежать колебаний прежде чем сломать и использовать, скажем, керамику X7R в аудиотракте. Только типы пленок и керамика NP0 / C0G достаточно линейны для качественный звук.

Существует важная ситуация, когда ограничение пропускной способности будет только хуже, а не лучше. Потому что ограничение пропускной способности снижает усиление усилителя до 1 на высоких частотах, это не правильно работать с операционными усилителями, которые не имеют стабильного усиления. За Например, NE5534 требует усиления не менее 3, чтобы быть стабильным. Использование ограничения полосы пропускания с таким операционным усилителем часто приводит к создать осциллятор.

Как это исправить, часть 3: Что нужно попробовать, прежде чем прибегать к Voodoo

Если операционный усилитель все еще колеблется, попробуйте эти вещи в следующем порядке:

  1. Добавьте небольшой резистор на выход операционного усилителя, либо внутри или вне цикла обратной связи.(10-100 Ом) Это изолирует ОУ от любой емкости нагрузки. Я предпочитаю класть это внутрь петля обратной связи, потому что обратная связь операционного усилителя будет противодействовать некоторым из плохие последствия наличия резистора, но резистор будет остаются эффективными. Другие рекомендуют выводить его за пределы цикла, так что он может защитить как OUT, так и IN-контакты операционного усилителя. Этот увеличивает выходное сопротивление усилителя, однако, без последствий.
  2. Сделайте то же, что и в предыдущем шаге, но используйте ферритовый бусина или микросхема феррита вместо резистора.На низких частотах сопротивление феррита — это в основном сопротивление провода, идущего через это. Сопротивление растет с увеличением частоты, и это на высокой частоте обычно возникают эти колебания. Таким образом, вы получить необходимое выходное сопротивление на частоте колебаний, имея очень низкое сопротивление на звуковых частотах. Это может сделать более приятным размещение феррита за пределами обратной связи петля; со стандартными ферритовыми бусинами легко положить бусину вокруг каждого провода, идущего к выходному разъему.Я делаю исключение при использовании чип-ферритов, так как в них используются маленькие провода сделать сопротивление постоянному току значительным; поэтому я использую только их внутри петли обратной связи, поэтому обратная связь может устранить свое влияние на низкие частоты.
  3. Немного увеличьте усиление усилителя. В отличие от конденсатора обратной связи Уловка, это действительно ограничивает полосу пропускания операционного усилителя. Если вы посмотрите в таблице данных вашего операционного усилителя, вы найдете спецификацию называется «произведение коэффициента усиления и пропускной способности» (GBP). Этот спецификация исходит из того факта, что коэффициент усиления и пропускная способность линейная зависимость в идеальном операционном усилителе, такая, что умножение выигрыш по пропускной способности всегда равен фунту стерлингов.(Практические операционные усилители имеют нелинейность в отношениях усиления и полосы пропускания, поэтому обычно есть график фактического усиления в зависимости от пропускной способности кривая в таблице.)
  4. Если у вас есть контроль над компоновкой печатной платы, это может быть Можно улучшить макет, достаточно исправить колебания. подсказки улучшения вашего макета выходят за рамки этой статьи, Однако.
  5. Если вы используете розетку, припаяйте микросхему операционного усилителя напрямую вместо этого на доску. Это снижает паразитную индуктивность, поэтому колпачки байпаса работают лучше.Это также уменьшает паразитарные емкость между входами операционного усилителя, что также может быть причиной колебания.
  6. Добавьте буфер в контур обратной связи операционного усилителя. (См. Рисунок 4 в BUF634 таблица данных для примера.) Это снимает нагрузку на операционном усилителе, что наиболее существенно помогает за счет увеличения Запас по фазе операционного усилителя. Буферы также лучше справляются с с емкостной нагрузкой, чем операционные усилители. Длинный кабель наушников может легко иметь шунтирующую емкость 1000 пФ, что хорошо за пределами рекомендованного диапазона нагрузок для большинства операционных усилителей.
Завершенная схема

Вот схема с использованием названий деталей Chu Moy с дополнениями описано в этой статье:

Авторские права на эту статью принадлежат © 2002-2016 Уоррен Янг, все права защищены.

Выходное сопротивление операционного усилителя »Примечания по электронике

Выходное сопротивление и сопротивление операционного усилителя являются ключевым фактором, определяющим многие аспекты общей конструкции, включая нагрузку, рассеивание мощности и т. Д..


Учебное пособие по операционному усилителю Включает:
Введение Усиление операционного усилителя Пропускная способность Скорость нарастания операционного усилителя Смещение null Входное сопротивление Выходное сопротивление Понимание спецификаций Как выбрать операционный усилитель Сводка схем операционного усилителя


Выходное сопротивление операционного усилителя является важным фактором при проектировании любой схемы. Он определяет уровень снижения выходного напряжения при приложении нагрузки.

Выходной импеданс или сопротивление также важны, потому что любое падение напряжения внутри самого операционного усилителя будет рассеивать мощность, и это может вызвать значительное повышение температуры операционного усилителя.

Хотя выходное сопротивление большинства схем операционных усилителей низкое, это не обязательно означает, что они могут управлять нагрузками с низким сопротивлением с высокими уровнями мощности. Их драйверы имеют ограничения на мощность, которую они могут передать.

Основы выходного сопротивления и сопротивления операционного усилителя

Выходной импеданс операционного усилителя, часто обозначаемый Zo, возникает из-за того, что схема выходного драйвера и соответствующие соединения имеют определенный импеданс.

Выходной импеданс можно разделить для многих приложений.Элемент сопротивления имеет первостепенное значение и является основным компонентом общего импеданса. Однако в некоторых случаях реактивное сопротивление также может быть проблемой, и это вызвано в основном последовательной индуктивностью. Честно говоря, реактивные элементы обычно маленькие и игнорируются для большинства приложений операционных усилителей. Обычно на частотах, на которых используются операционные усилители, уровни реактивного сопротивления будут небольшими и не будут чрезмерно влиять на работу схемы. Однако о них не следует забывать, поскольку в некоторых случаях они могут иметь эффект.

Соответственно, эффективная эквивалентная схема для операционного усилителя с его выходным сопротивлением показана ниже.

Элементы выходного импеданса для операционного усилителя

Как видно из схемы, выходное сопротивление операционного усилителя — это сопротивление постоянному току, которое появляется последовательно с выходом идеального усилителя, расположенного внутри микросхемы. Другими словами, выходное сопротивление можно измерить, глядя на падение напряжения, вызванное добавлением определенной нагрузки к выходу.

В большинстве случаев выходное сопротивление очень низкое, и падение будет очень незначительным.Основная проблема обычно заключается в том, что при достижении предела тока, который подает операционный усилитель.

Также нельзя игнорировать реактивное сопротивление. Доступны высокочастотные операционные усилители, а реактивное сопротивление может быть таким, что его необходимо учитывать для любых расчетов.

Практические вопросы

При просмотре технических данных для определения выходного сопротивления. В зависимости от производителя в технических паспортах может быть указано выходное сопротивление при одном из двух различных условий.Некоторые перечисляют выходное сопротивление замкнутого контура, а другие — выходное сопротивление разомкнутого контура. Что сбивает с толку, оба склонны использовать обозначение Zo.

Для многих операционных усилителей значения импеданса малых сигналов находятся в диапазоне от 50 до 200 Ом.

Выходной импеданс операционного усилителя

может стать проблемой при проектировании при использовании выходных операционных усилителей с шиной на шину для управления большими нагрузками. В этих условиях операционный усилитель должен управлять гораздо более высоким диапазоном напряжения, а уровни тока выше, а также требовать, чтобы выходной каскад достигал напряжений, очень близких к шинам. Если нагрузка в основном резистивная, выходное сопротивление будет ограничиваться. насколько близко к рельсам может идти выход — если требуются напряжения, очень близкие к рельсам, это может вызвать проблемы.Если нагрузка является емкостной, дополнительный фазовый сдвиг, который она вызывает, может привести к размыванию запаса по фазе и возникновению нестабильности.

Выходная мощность ОУ

Еще один аспект, связанный с выходным сопротивлением операционного усилителя, — это возможности выходного привода.

Возможности выходного привода зависят от множества аспектов, включая внутреннюю и внешнюю цепь и другие условия.

Внутренние факторы включают такие аспекты, как ток смещения выходного каскада, уровень возбуждения, архитектура схемы и возможности, а также процесс, на котором был изготовлен чип.

Внешние факторы также влияют на возможности привода. Однако ими легче управлять, так как на них влияет внешняя цепь, хотя некоторые из них менее управляемы. Внешние факторы, влияющие на возможности привода ОУ, включают запас по выходному напряжению, то есть разность напряжений относительно шин питания; входной овердрайв; общее напряжение питания; нагрузка постоянного тока и связанная по переменному току; и температура перехода.

Очевидно, что необходимо иметь возможность указать мощность привода.Обычно это достигается за счет параметра выходного тока короткого замыкания. Обычно производитель указывает уровень тока, который гарантированно протекает, когда выход заземлен. Для ситуаций, когда в ситуации однополярного питания, выход привязан к половине напряжения питания, называемого Vs / 2.

Часто могут быть указаны две цифры: одна для условий, когда ОУ получает ток, а другая для ситуации, когда ОУ потребляет ток.

Используя эти цифры, можно определить поведение операционного усилителя, когда размах напряжения на нагрузке невелик, и, следовательно, внутренний выходной каскад способен поддерживать большой запас напряжения на соответствующих шинах питания.

Общий выходной импеданс схемы операционного усилителя обычно низкий и обычно является чисто резистивным. Однако такие аспекты, как приводная способность операционного усилителя, должны быть тщательно рассмотрены, поскольку большинство микросхем имеют очень ограниченные возможности, поскольку не ожидается, что они будут управлять большими нагрузками. Если требуются большие нагрузки и высокие токи, можно добавить дополнительные компоненты для обеспечения дополнительных возможностей или использовать микросхемы ОУ высокой мощности.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы».. .

Введение и цели главы [Analog Devices Wiki]

После завершения этой главы вы сможете:

  • Определить: усиление разомкнутого контура, усиление замкнутого контура, усиление шума

  • Определить произведение усиления и полосы пропускания

  • Определить запас фазы

  • Используйте графики Боде

  • Определение и измерение: входного напряжения смещения, входного тока смещения, входного тока смещения

  • Узнайте о методах корректировки, обрезки и / или устранения этих ошибок.

3.1 Отклонения от идеала

Неудивительно, что упрощенные модели не точны. С другой стороны, они обычно описывают большинство, если не все, наблюдаемые характеристики операционных усилителей. Ниже приведены некоторые отличия реальных операционных усилителей от идеальных характеристик.

  • Конечное усиление без обратной связи. В реальном операционном усилителе невозможно, чтобы коэффициент усиления разомкнутого контура был действительно бесконечным. Большинство операционных усилителей общего назначения имеют коэффициент усиления более 100000, что достаточно близко к бесконечности для большинства вычислений.Некоторые простые усилители и многие усилители с широкой полосой пропускания могут иметь гораздо меньшие коэффициенты усиления разомкнутого контура, что необходимо учитывать при проектировании с этими усилителями.

  • Напряжение смещения, ВОС. Входной каскад операционного усилителя состоит из дифференциальной пары транзисторов. Если два транзистора не идеально согласованы, это несоответствие будет проявляться как ненулевое смещение постоянного тока на выходе. В некоторых случаях это можно отрегулировать на ноль извне. Эта регулировка смещения составляет изменение соотношения токов, протекающих в двух входных транзисторах.

  • Ток смещения, Ibias. Транзисторные входы действительно потребляют ток. Те, в которых используются биполярные входные транзисторы (например, uA741), потребляют больше тока, чем те, которые используют полевые транзисторы (например, 411). Ток смещения определяется как среднее значение токов двух входов.

  • Ток смещения, IOS. В этом разница между входными токами смещения. Каждый ток смещения, после прохождения через входную резистивную сеть, будет фактически подавать напряжение на вход операционного усилителя.Следовательно, смещение двух токов будет отображаться как смещение напряжения на выходе.

3.2 Неидеальный ОУ — статические ошибки из-за конечного усиления усилителя

Одной из наиболее отличительных особенностей операционных усилителей является их потрясающая величина усиления постоянного напряжения. Даже самые дешевые устройства имеют типичный коэффициент усиления по напряжению 100000 (100 дБ), в то время как высокопроизводительные прецизионные биполярные усилители и усилители с прерывистой стабилизацией могут иметь коэффициент усиления до 10000000 (140 дБ) или более.Отрицательная обратная связь, применяемая к этому значительному усилению напряжения, легко реализует достоинства замкнутого контура, делая схему зависимой только от компонентов обратной связи.

Рисунок 3.1: Неидеальный каскад операционного усилителя для анализа ошибки усиления

Как отмечалось при обсуждении атрибутов идеального операционного усилителя в главе 2, поведенческие предположения вытекают из того факта, что отрицательная обратная связь в сочетании с высоким коэффициентом усиления разомкнутого контура ограничивает входное напряжение ошибки усилителя (и, следовательно, ток ошибки) до бесконечно малых значений.Чем выше это усиление, тем более обоснованными становятся эти предположения.

Но на самом деле операционные усилители имеют конечное усиление, и в практических схемах существуют ошибки. Каскад усиления операционного усилителя, показанный на рисунке 3.1, будет использован для иллюстрации того, как эти ошибки влияют на производительность. В этой схеме операционный усилитель идеален, за исключением конечного коэффициента усиления постоянного напряжения без обратной связи A, который обычно обозначается как A VOL .

3.2.1 Коэффициент усиления шума (NG)

Первая помощь при анализе схем операционных усилителей — различать усиление шума и усиление сигнала.Мы уже обсудили различия между неинвертирующими и инвертирующими каскадами в отношении их усиления сигнала, которые суммированы в уравнениях 3.1 и 3.2 соответственно. Но, как можно заметить из рисунка 3.1, разница между инвертирующим и неинвертирующим этапе может быть столь же простым, как раз там, где опорная земля находится. Для заземления в точке G1 ступень представляет собой инвертор; и наоборот, если земля находится в точке G2 (без G1), ступень не инвертируется.


3.1
3,2

Обратите внимание, однако, что с точки зрения пути обратной связи реальных различий нет. Чтобы сделать вещи более общими, ранее показанные компоненты резистивной обратной связи заменены здесь более общими символами Z F и Z G , в остальном они работают как раньше. Затухание обратной связи β одинаково для инвертирующего и неинвертирующего каскада:

3.3

Усиление шума теперь может быть просто определено как: величина, обратная чистому затуханию обратной связи от выхода усилителя к входу обратной связи.Другими словами, обратная передаточная функция сети β. В конечном итоге это может быть расширено, чтобы включить частотную зависимость (рассмотренную далее в этой главе). Усиление шума может быть сокращено как NG.

Как уже отмечалось, величина, обратная ß, является идеальным коэффициентом усиления каскада неинвертирующего операционного усилителя. Включая β-эффекты конечного усиления операционного усилителя, модифицированное выражение усиления для неинвертирующего каскада выглядит следующим образом:

3,4

Где G CL — коэффициент усиления с обратной связью каскада с конечным коэффициентом усиления, а A VOL — коэффициент усиления по напряжению без обратной связи операционного усилителя для условий нагрузки.

Важно отметить, что это выражение идентично выражению идеального коэффициента усиления в уравнении 3.2, с добавлением множителя в квадратных скобках в правой части. Также обратите внимание, что этот крайний правый член становится все ближе и ближе к единице, поскольку A VOL приближается к бесконечности. Соответственно, в некоторых учебниках он упоминается как член множителя ошибки, когда выражение отображается в этой форме.

Здесь может показаться логичным разработать другое выражение ошибки конечного коэффициента усиления для инвертирующего усилителя, но на самом деле в этом нет необходимости.И инвертирующий, и неинвертирующий каскады усиления имеют общую основу обратной связи, которая представляет собой усиление шума. Таким образом, уравнения 3.4 будет достаточно для анализа ошибки усиления как для инвертирующих, так и для неинвертирующих каскадов. Просто используйте коэффициент β, поскольку он применяется в конкретном случае.

Полезно отметить некоторые предположения, связанные с крайним правым членом множителя ошибки в уравнении 3.4. Для A VOL β »1 одно предположение:

3.5

Это, в свою очередь, приводит к оценке процентной ошибки β из-за конечного усиления A VOL :

3.6

Эта ошибка снова обращается в ноль, поскольку A VOL стремится к бесконечности.

3.2.2 Стабильность усиления

Ошибка усиления замкнутого контура, предсказываемая этими уравнениями, сама по себе не очень важна, так как отношение Z F / Z G всегда можно отрегулировать, чтобы компенсировать эту ошибку. Но учтите, однако, что стабильность коэффициента усиления с обратной связью является очень важным фактором в большинстве приложений. Нестабильность коэффициента усиления в замкнутом контуре возникает в основном из-за изменений коэффициента усиления в разомкнутом контуре из-за изменений напряжения питания, температуры, нагрузки и т. Д.

3,7

Из уравнения 3.7 любое изменение коэффициента усиления без обратной связи (βA VOL ) уменьшается на коэффициент A VOL β в той мере, в какой это влияет на коэффициент усиления с обратной связью. Это улучшение стабильности усиления с обратной связью является одним из важных преимуществ отрицательной обратной связи.

3.2.3 Коэффициент усиления контура

Продукт A VOL β, который появляется в приведенных выше уравнениях, называется усилением контура, хорошо известным термином в теории обратной связи. Улучшение характеристик замкнутого контура из-за отрицательной обратной связи почти в каждом случае пропорционально усилению контура.

Термин «петлевое усиление» происходит от метода измерения. Это делается путем размыкания замкнутого контура обратной связи на выходе операционного усилителя и измерения общего коэффициента усиления вокруг контура. Например, на рисунке 3.1 это может быть сделано между выходом усилителя и трактом обратной связи (см. Стрелки). Приблизительно, выходное сопротивление замкнутого контура, линейность и стабильность коэффициента усиления при ошибках уменьшаются в раз, A VOL β при использовании отрицательной обратной связи.

Другое полезное приближение разрабатывается следующим образом.Перестановка уравнения 3-4:

3.8

Так, для высоких значений A VOL β,

3.9

Следовательно, в данной цепи обратной связи усиление контура, A VOL β, является приблизительно числовым отношением (или разностью в дБ ) усиления без обратной связи усилителя к усилению с обратной связью.

Это обсуждение усиления контура подчеркивает, что действительно, усиление контура является очень важным фактором при прогнозировании характеристик схем операционного усилителя с обратной связью.Коэффициент усиления разомкнутого контура, необходимый для получения адекватной величины усиления контура, конечно, будет зависеть от желаемого усиления замкнутого контура.

Например, используя уравнение 3-9, усилитель с A VOL = 20,000 будет иметь A VOL β ~ 2000 для коэффициента усиления замкнутого контура 10, но коэффициент усиления контура будет только 20 для замкнутого контура. усиление 1000. Первая ситуация подразумевает ошибку усиления, связанную с усилителем, порядка ~ 0,05%, а вторая — около 5% ошибки. Очевидно, что чем выше требуемое усиление, тем больше будет требуемое усиление без обратной связи для поддержки A VOL β для данной точности.

Усиление разомкнутого контура ADALM1000 в лабораторных условиях

3.2.4 Частотная зависимость коэффициента усиления контура

До сих пор предполагалось, что усиление без обратной связи усилителя не зависит от частоты. К сожалению, это совсем не так. Оставив обсуждение влияния отклика разомкнутого контура на пропускную способность и динамические ошибки на потом, давайте теперь исследуем общее влияние частотного отклика на усиление контура и статические ошибки.

Частотная характеристика без обратной связи для типичного операционного усилителя с наложенным откликом усилителя с обратной связью для коэффициента усиления 100 (40 дБ) графически иллюстрирует эти результаты на рисунке 3.2. На этих графиках Боде вычитание по логарифмической шкале эквивалентно нормальному делению числовых данных. Сегодня параметры усиления разомкнутого контура и усиления контура операционного усилителя обычно выражаются в терминах дБ , поэтому этот метод отображения удобен.

Рисунок 3.2: Взаимодействие коэффициента усиления с обратной связью ОУ и коэффициента усиления с типовой характеристикой без обратной связи

Несколько ключевых моментов вытекают из этого графического рисунка, который представляет собой моделирование с использованием двух гипотетических операционных усилителей, оба с усилением постоянного тока / низкой частоты 100 дБ (100 кВ / В, ).Первый имеет полосу усиления 1 МГц, а второй — 10 МГц.

• Коэффициент усиления без обратной связи A VOL для двух операционных усилителей отмечен двумя кривыми, обозначенными как 1 МГц и 10 МГц, соответственно. Обратите внимание, что с каждым из них связана угловая частота -3 дБ, выше которой коэффициент усиления без обратной связи падает на 6 дБ / октаву. Эти угловые частоты обозначены как 10 Гц и 100 Гц соответственно для двух операционных усилителей.

• На любой частоте кривой усиления без обратной связи числовое произведение усиления A VOL и частоты f является константой (10 000 В / 90 485 В при 100 Гц соответствует 1 МГц).Это, по определению, характерно для усилителя с постоянным коэффициентом усиления и ширины полосы. Все операционные усилители с обратной связью по напряжению ведут себя подобным образом.

VOL β в дБ — это разница между усилением без обратной связи и с обратной связью, как показано на логарифмической шкале. В отмеченной точке более низкой частоты A VOL β, таким образом, составляет 60 дБ.

• A VOL β уменьшается с увеличением частоты из-за уменьшения A VOL выше угловой частоты разомкнутого контура.Например, на частоте 100 Гц усилитель с полосой пропускания 1 МГц показывает A VOL β только 80-40 = 40 дБ.

VOL β также уменьшается для более высоких значений усиления с обратной связью. Другие примеры более высокого коэффициента усиления с обратной связью (не показаны) уменьшили бы A VOL β до менее 60 дБ на низких частотах.

• G CL зависит в первую очередь от соотношения компонентов обратной связи, Z F и Z G , и относительно не зависит от A VOL (кроме ошибок, описанных выше, которые обратно пропорциональны A VOL. β).В этом примере 1 / β равно 100 или 40 дБ и обозначено как 10 Гц. Обратите внимание, что G CL является ровным с увеличением частоты до той частоты, где G CL пересекает кривую усиления без обратной связи, и A VOL β падает до нуля.

• В этой точке пересечения кривых замкнутого и разомкнутого контура коэффициент усиления контура по определению равен нулю, что означает, что за пределами этой точки отрицательная обратная связь отсутствует. Следовательно, усиление замкнутого контура равно усилению разомкнутого контура для дальнейшего увеличения частоты.

• Обратите внимание, что операционный усилитель с полосой пропускания 10 МГц позволяет увеличить полосу пропускания с обратной связью в 10 раз, как можно заметить по частотам -3 дБ; то есть 100 кГц по сравнению с 10 кГц для 10 МГц по сравнению с операционным усилителем с полосой пропускания 1 МГц.

Рисунок 3.2 показывает, что высокие значения коэффициента усиления в разомкнутом контуре, обычно приводимые для операционных усилителей, могут вводить в заблуждение. Как уже отмечалось, за пределами нескольких Гц коэффициент усиления без обратной связи падает до 6 дБ / октаву. Следовательно, стабильность усиления замкнутого контура, выходной импеданс, линейность и другие параметры, зависящие от усиления контура, ухудшаются на более высоких частотах.Одна из причин, по которой коэффициент усиления по постоянному току достигает 100 дБ, а ширина полосы пропускания составляет несколько МГц , — ​​это получение адекватного усиления контура на частотах даже ниже 100 Гц.

Прямой подход к повышению коэффициента усиления контура на высоких частотах, кроме увеличения усиления без обратной связи, заключается в увеличении полосы пропускания усилителя без обратной связи. Рисунок 3.2 показывает это на двух простых примерах. Однако следует иметь в виду, что доступные сегодня полосы пропускания ОУ расширяются до сотен МГц , что позволяет схемам видео и высокоскоростной связи в полной мере использовать достоинства обратной связи.

ADALM1000 Lab Activity Gain Bandwidth Product

3.2.5 График Боде: асимптотические и фактические ответы

График зависимости коэффициента усиления разомкнутого контура от частоты в логарифмической шкале известен как график Боде (произносится как boh dee). Это один из основных инструментов при оценке того, подходит ли операционный усилитель для конкретного приложения.

Если вы нанесете на график Боде коэффициент усиления разомкнутого контура, а затем коэффициент усиления шума, как показано на рисунке 3.3, точка их пересечения будет определять максимальную ширину полосы замкнутого контура системы усилителя.Обычно это называется частотой замкнутого контура (F CL ). Помните, что реальный отклик на перекрестке на самом деле на 3 дБ на ниже этого значения. На частотах, превышающих одну октаву выше и одну октаву ниже F CL , разница между асимптотической характеристикой и реальной характеристикой будет менее 1 дБ .

График Боде также полезен для определения стабильности. Как указано выше, если усиление замкнутого контура (усиление шума) пересекает усиление разомкнутого контура при крутизне более 6 дБ / октаву (20 дБ / декаду), усилитель может быть нестабильным (в зависимости от фазы прибыль).

Рисунок 3.3: График Боде, показывающий асимптотический и фактический отклик

3.2.6 произведение коэффициента усиления на полосу пропускания

Коэффициент усиления без обратной связи падает до 6 дБ / октаву для однополюсной характеристики. Это означает, что если мы удвоим частоту, коэффициент усиления упадет в два раза. И наоборот, если частота уменьшается вдвое, коэффициент усиления разомкнутого контура удваивается, как показано на рисунке 3.4. Это приводит к так называемому произведению коэффициента усиления и пропускной способности. Если мы умножим коэффициент усиления разомкнутого контура на частоту, произведение всегда будет постоянным.Предостережение заключается в том, что мы должны находиться в той части кривой, которая падает на 6 дБ / октаву. Это дает нам удобный показатель качества, с помощью которого можно определить, можно ли использовать конкретный операционный усилитель в конкретном приложении. Обратите внимание, что произведение коэффициента усиления на полосу пропускания имеет смысл только для операционных усилителей с обратной связью по напряжению (VFB).

Рисунок 3.4: Произведение усиления и полосы пропускания

Например, если у нас есть проект, для которого требуется коэффициент усиления с обратной связью 10 и полоса пропускания 100 кГц , нам понадобится операционный усилитель с минимальным произведением коэффициента усиления на полосу пропускания 1 МГц .Однако это небольшое упрощение из-за частичной изменчивости произведения усиления на ширину полосы и того факта, что в том месте, где усиление замкнутого контура пересекается с усилением разомкнутого контура, характеристика фактически уменьшается на 3 дБ . Кроме того, должна быть разрешена некоторая дополнительная маржа.

В случае, описанном выше, операционный усилитель с произведением коэффициента усиления на ширину полосы 1 МГц будет крайним. Коэффициент безопасности не менее 5 будет лучшей гарантией достижения ожидаемых характеристик, поэтому следует выбрать операционный усилитель с произведением коэффициента усиления на полосу пропускания 5 МГц .

3.2.7 Критерии устойчивости

Теория устойчивости обратной связи утверждает, что усиление замкнутого контура должно пересекать усиление разомкнутого контура с наклоном не более 6 дБ / октаву (однополюсный отклик), чтобы система была безусловно устойчивой. Если отклик равен 12 дБ / октава (двухполюсный отклик), операционный усилитель будет колебаться. Самый простой способ представить это — добавить к каждому полюсу сдвиг фазы на 90 °. Два полюса дают сдвиг фазы на 180 °, а сдвиг фазы на 180 ° превращает отрицательную обратную связь в положительную, что означает колебания.

Может возникнуть вопрос — зачем вам усилитель с нестабильным единичным усилением? Ответ заключается в том, что для данного усилителя полоса пропускания может быть увеличена при более высоких коэффициентах усиления, если усилитель не спроектирован так, чтобы обеспечивать стабильность единичного усиления. Этот тип операционного усилителя иногда называют декомпенсированным операционным усилителем. Однако критерии устойчивости по-прежнему должны соблюдаться. Этот критерий состоит в том, что усиление замкнутого контура должно перекрывать усиление разомкнутого контура на крутизне 6 дБ / октава (однополюсный отклик).В противном случае усилитель будет колебаться. Поэтому декомпенсированные операционные усилители будут стабильными только при более высоких коэффициентах усиления, которые указаны в паспорте производителя.

В качестве примера сравните графики усиления без обратной связи на рисунке 3.5. Три показанных коммерческих операционных усилителя (AD847, AD848 и AD849) в основном имеют одинаковую конструкцию с различной внутренней компенсацией. AD847 является стабильным с единичным усилением и имеет заданную полосу усиления 50 МГц . AD848 стабилен при коэффициенте усиления 5 или более и имеет полосу усиления 175 МГц .AD849 стабилен при усилении 25 или более и имеет полосу усиления 725 МГц . Это иллюстрирует, как внутренняя компенсация операционного усилителя может быть отрегулирована в конструкции для получения различных произведений коэффициента усиления и полосы пропускания в зависимости от минимального стабильного усиления для той же базовой топологии конструкции.

Рисунок 3.5: Коэффициент усиления 1 стабильный, коэффициент усиления 5 стабильных, коэффициент усиления 25 характеристик усиления разомкнутого контура, произведение коэффициента усиления и полосы пропускания и фазовая характеристика

3.2.8 Запас фазы

Одним из показателей стабильности является запас по фазе.Так же, как амплитудная характеристика не остается постоянной, а затем изменяется мгновенно, фазовая характеристика также будет постепенно меняться, начиная примерно за десять лет до частоты излома. Запас по фазе — это величина сдвига фазы, которая остается, пока вы не достигнете 180 °, измеренная на частоте, на которой усиление замкнутого контура пересекает усиление разомкнутого контура.

Результатом низкого запаса по фазе является увеличение усиления, достигающее максимума непосредственно перед частотой, на которой усиление замкнутого контура пересекает усиление разомкнутого контура.На рисунке 3.6 показаны усиление и фазовая характеристика типичного операционного усилителя (AD8051). В этом случае запас по фазе составляет 45 ° на частоте единичного усиления.

Рисунок 3.6: Типовой запас по фазе операционного усилителя (AD8051)

Напряжение смещения входа 3.3 ОУ

3.3.1 Определение входного напряжения смещения

В идеале, если оба входа операционного усилителя имеют одинаковое напряжение, тогда на выходе должно быть нулевое напряжение. На практике к входам необходимо приложить небольшое дифференциальное напряжение, чтобы заставить выход равняться нулю.Это известно как входное напряжение смещения, В OS . Входное напряжение смещения моделируется как источник напряжения В OS , подключенный последовательно с инвертирующей входной клеммой операционного усилителя, как показано на рисунке 3.7.

Рисунок 3.7: Входное напряжение смещения операционного усилителя

Стабилизированные прерыванием (также называемые автоматическим обнулением) операционные усилители имеют В OS , что меньше 1 мкВ (примеры AD8538, AD8551, AD8571, AD8628, AD8630), и лучшие прецизионные биполярные операционные усилители (супер -бета или стабилизация смещения) может иметь максимальное смещение до 25 мкВ (OP177F).Самые лучшие типы входов JFET с подрезкой имеют смещение около 100 мкВ (AD8610B, AD8620B), а операционные усилители с КМОП без подстройки могут иметь диапазон от 5 до 50 мВ .

Однако КМОП-операционные усилители ADI DigiTrim ™ имеют напряжение смещения менее 100 мкВ (, например, , AD8603, AD8607, AD8609, AD8605, AD8606, AD8608). Вообще говоря, «прецизионные» операционные усилители будут иметь В OS <0,5 мВ , хотя некоторые высокоскоростные усилители могут быть немного хуже этого.Процесс DigiTrim объясняется далее в этой главе.

3.3.2 Дрейф входного напряжения смещения и влияние старения

Входное напряжение смещения изменяется в зависимости от температуры, и его температурный коэффициент известен как TC VOS , или, чаще, дрейф. На дрейф смещения влияет регулировка смещения операционного усилителя, но когда напряжение смещения операционного усилителя с биполярным входом минимизировано, дрейф может составлять всего 0,1 мкВ / ° C (типичное значение для OP177F). Более типичные значения дрейфа для ряда прецизионных операционных усилителей общего назначения находятся в диапазоне 1–10 мкВ / ° C.Большинство операционных усилителей имеют заданное значение TC VOS , но некоторые вместо этого имеют второе максимальное значение V OS , которое гарантируется во всем диапазоне рабочих температур. Такая спецификация менее полезна, поскольку нет гарантии, что TC VOS будет постоянным или монотонным.

Напряжение смещения также изменяется с течением времени или с возрастом. Старение обычно указывается в мкВ / месяц или мкВ / 1000 часов, но это может вводить в заблуждение. Поскольку старение — это явление «случайного блуждания», оно пропорционально квадратному корню из прошедшего времени.Таким образом, скорость старения 1 мкВ / 1000 час становится примерно 3 мкВ / год (а не 9 мкВ / год).

Долговременная стабильность OP177F составляет примерно 0,3 мкВ / месяц. Это относится к периоду времени после первых 30 дней работы. Исключая начальный час работы, изменения напряжения смещения этих устройств в течение первых 30 дней работы обычно составляют менее 2 мкВ.

Долговременная стабильность операционных усилителей, стабилизированных прерывателем, не указана, потому что схема автообнуления устраняет любое смещение из-за старения.

3.3.3 Измерение входного смещения напряжения

Для измерения входных напряжений смещения в несколько микровольт необходимо, чтобы тестовая схема не вносила больше ошибок, чем само напряжение смещения. На рис. 3.8 показана стандартная схема измерения напряжения смещения. Схема усиливает входное напряжение смещения на коэффициент усиления шума 1001. Измерения производятся на выходе усилителя с помощью точного цифрового вольтметра. Смещение относительно входа (RTI) вычисляется путем деления выходного напряжения на коэффициент усиления шума.Малое сопротивление источника, видимое входами, приводит к незначительному вкладу тока смещения в измеренное напряжение смещения. Например, ток смещения 2 нА, протекающий через резистор 10 Ом, вызывает ошибку 0,02 мкВ относительно входа.

Рисунок 3.8: Измерение входного напряжения смещения

Как бы проста эта схема не выглядела, она может давать неточные результаты при тестировании прецизионных операционных усилителей, если не позаботиться о реализации. Самый большой потенциальный источник ошибок исходит от паразитных спаев термопар, образующихся при соединении двух разных металлов.Напряжение этой термопары может находиться в диапазоне от 2 мкВ / ºC до более 40 мкВ / ºC. Обратите внимание, что в этой схеме к неинвертирующему входу были добавлены дополнительные «фиктивные» резисторы, чтобы точно согласовать / сбалансировать переходы термопары в инвертирующем входном тракте.

Точность измерения также зависит от механической компоновки компонентов и от того, как именно они размещены на печатной плате. Имейте в виду, что два соединения компонента, такого как резистор, создают два термоэлектрических напряжения одинаковой, но противоположной полярности (при условии, что они подключены к одному и тому же металлу, например, к медной дорожке на печатной плате).Они будут компенсировать друг друга, если оба имеют одинаковую температуру. Чистые соединения и короткие провода помогают свести к минимуму перепады температур и повысить точность измерения.

В испытательной цепи поток воздуха должен быть минимальным, чтобы все спаи термопар стабилизировались при одинаковой температуре. В некоторых случаях схему следует поместить в небольшую закрытую емкость, чтобы исключить влияние внешних воздушных потоков. Схема должна быть размещена на плоской поверхности, чтобы конвекционные потоки текли вверх и от верхней части платы, а не через компоненты, как это было бы в случае, если бы плата была установлена ​​вертикально.

Еще более сложная задача — измерение сдвига напряжения смещения по температуре. Размещение печатной платы, содержащей тестируемый усилитель, в небольшой коробке или пластиковом пакете с изоляцией из пенопласта предотвращает возникновение тепловых градиентов через паразитные термопары потоком воздуха в температурной камере. Если требуется холодное испытание, рекомендуется продувка сухим азотом. Альтернативой может быть локализованное изменение температуры самого усилителя с использованием нагревателя / охладителя типа Thermostream, однако эти устройства, как правило, создают довольно небольшой воздушный поток, который может быть проблематичным.Как правило, испытательную схему на рис. 3.8 можно заставить работать со многими усилителями. Низкие абсолютные значения для небольших резисторов (например, 10 Ом) минимизируют ошибки, вызванные током смещения.

Альтернативный метод измерения В OS показан на рисунке 3.9 и подходит для случаев высоких и / или неравных токов смещения (как в случае операционных усилителей с обратной связью по току). В этом методе измерения инструментальный усилитель подключен к входным клеммам операционного усилителя через изолирующие резисторы и обеспечивает коэффициент усиления для измерения.Напряжение смещения входного усилителя (измеренное при замкнутом S) необходимо затем вычесть из окончательного измерения В OS .

Рисунок 3.9: Альтернативное измерение входного напряжения смещения с помощью инструментального усилителя

3.3.4 Регулировка напряжения смещения с использованием «NULL» контактов

Многие одиночные операционные усилители имеют контакты для необязательного нулевого смещения. Чтобы использовать эту функцию, два контакта соединяются потенциометром, и стеклоочиститель подключается к одному из источников питания через резистор, как в целом показано на рисунке 3.10. Обратите внимание, что если стеклоочиститель случайно подключен к неправильному источнику питания, ОУ, вероятно, будет поврежден — это обычная проблема, когда один тип ОУ заменяется другим. Диапазон регулировки смещения в хорошо спроектированном операционном усилителе не более чем в два или три раза превышает максимальное значение V OS устройства самого низкого класса, чтобы минимизировать чувствительность. Тем не менее, усиление по напряжению операционного усилителя на его выводах регулировки смещения может фактически быть больше, чем усиление на его сигнальных входах! Поэтому очень важно, чтобы эти штыри были бесшумными.Обратите внимание, что никогда не рекомендуется использовать длинные выводы от операционного усилителя к удаленному потенциометру обнуления.

Рисунок 3.10: Штифты регулировки смещения

  • Грязесъемник может быть подключен к + V S или — V S в зависимости от операционного усилителя.
  • Значения для R 1 и R 2 зависят от операционного усилителя, см. Лист данных производителя.

  • Используется для обнуления входного напряжения смещения операционного усилителя, а не общих смещений системы.

  • Может быть высокий коэффициент усиления из-за смещения выводов на выходе — молчите!

  • Обнуление смещения вызывает увеличение температурного коэффициента смещения, примерно на 4 мкВ / ° C для нулевого смещения 1 мВ для входных усилителей на полевых транзисторах

Как упоминалось выше, дрейф смещения операционного усилителя в зависимости от температуры будет изменяться в зависимости от настройки его регулировки смещения. Следовательно, клеммы внутренней регулировки следует использовать только для регулировки смещения самого операционного усилителя, а не для исправления каких-либо ошибок смещения системы, поскольку это будет происходить за счет повышенного температурного дрейфа.Штраф за дрейф для входного операционного усилителя на полевых транзисторах составляет порядка 4 мкВ / ° C на каждый милливольт обнуленного напряжения смещения. Как правило, лучше контролировать напряжение смещения путем правильного выбора устройства / класса.

3.3.5 Регулировка смещения (внешние методы)

Если операционный усилитель не имеет выводов для регулировки смещения (у обычных двойников и у всех квадроциклов их нет), и все же необходимо настроить смещения усилителя и системы, можно использовать внешний метод. Этот метод также наиболее полезен, если регулировка смещения должна выполняться с помощью системного программируемого напряжения, такого как цифро-аналоговый преобразователь (DAC).

В конфигурации инвертирующего операционного усилителя подача тока на инвертирующий вход является самым простым методом, как показано на рисунке 3.11A. Недостатком этого метода является то, что возможно некоторое увеличение коэффициента усиления шума из-за параллельного пути R 3 и сопротивления потенциометра. Результирующее увеличение шумового усиления можно уменьшить, сделав ± V R достаточно большим, чтобы значение R 3 было намного больше, чем R 1 IIR 2 .Обратите внимание, что если источники питания стабильные и бесшумные, их можно использовать как ± V R , в противном случае следует использовать отдельные регулируемые малошумящие (отфильтрованные) источники.

На рис. 3.11B показано, как реализовать подстройку смещения путем подачи небольшого напряжения смещения на неинвертирующий вход. Эта схема предпочтительнее схемы, показанной на рисунке 3.11A, так как она не приводит к увеличению усиления шума (но требует добавления R P ). Если операционный усилитель имеет согласованные входные токи смещения, то RP должно равняться R 1 II R 2 (чтобы минимизировать добавленное напряжение смещения).В противном случае сопротивление R P должно быть меньше 50 Ом. Для более высоких значений может быть целесообразно обойти R P на высоких частотах.

Рисунок 3.11: Методы настройки внешнего смещения инвертирующего ОУ

Схема, показанная на рисунке 3.12, может использоваться для подачи небольшого напряжения смещения при использовании операционного усилителя в неинвертирующем режиме. Эта схема хорошо работает для небольших смещений, где R 3 может быть намного больше, чем R 1 . Обратите внимание, что в противном случае на усиление сигнала может повлиять регулировка потенциометра смещения.Усиления могут быть стабилизированы, однако, если R 3 подключено к фиксированным источникам опорного напряжения с низким полным сопротивлением, ± V R .

Рисунок 3.12: Методы настройки внешнего смещения неинвертирующего ОУ

3.3.6 Процессы подстройки напряжения смещения

Семейство КМОП-усилителей DigiTrim ™ использует преимущества цифровой технологии, чтобы минимизировать напряжение смещения, обычно связанное с КМОП-усилителями. Подстройка напряжения смещения выполняется после упаковки устройств.Цифровой код вводится в устройство, чтобы отрегулировать напряжение смещения до менее 1 мВ , в зависимости от класса. Тестирование пластины не требуется, а запатентованная технология компании Analog Devices под названием DigiTrim ™ не требует дополнительных выводов для выполнения этой функции. Эти устройства имеют входы и выходы Rail-to-Rail, а параллельные входные каскады NMOS и PMOS настраиваются отдельно с помощью DigiTrim для минимизации напряжения смещения в обеих парах. Функциональная схема типичного операционного усилителя DigiTrim CMOS показана на рисунке 3.13.

Рисунок 3.13: Процесс DigiTrim ™ компании Analog Devices для подстройки КМОП операционных усилителей

DigiTrim регулирует напряжение смещения путем программирования источников тока с цифровым взвешиванием. Информация о триммировании вводится через существующие контакты с использованием специальной цифровой последовательности. Значения регулировки можно временно запрограммировать, оценить и перенастроить для достижения оптимальной точности перед выполнением постоянной регулировки. После завершения подстройки контур подстройки блокируется, чтобы предотвратить возможность любой случайной подстройки конечным пользователем.

Физическая подгонка, достигаемая путем перегорания поликремниевых предохранителей, очень надежна. Никаких дополнительных подкладок или штифтов не требуется, и для выполнения обрезки не требуется специального испытательного оборудования. Обрезку можно выполнить после упаковки, чтобы исключить сдвиги, связанные со сборкой. Тестирование на уровне пластины не требуется из-за высокого выхода кристалла.

Первыми устройствами, использующими эту новую технику, являются КМОП-усилители Rail-to-Rail компании Analog Devices AD8601, AD8602, AD8604 (одиночный, двойной, четырехкратный).Смещение корректируется как для высокого, так и для низкого синфазного режима, так что напряжение смещения составляет менее 500 мкВ во всем диапазоне входного синфазного напряжения. Полоса пропускания операционных усилителей составляет 8 МГц, , скорость нарастания напряжения составляет 5 В, / мкс, а ток питания составляет всего 640 мкА на усилитель.

Семейство AD8603, AD8605, AD8607 (одно-, двух-, четырехканальное) имеют максимальное напряжение смещения 50 мкВ во всем синфазном диапазоне. Ширина полосы усиления составляет 400 кГц , а ток питания составляет всего 50 мкА на усилитель.

На этом этапе полезно рассмотреть другие распространенные методы обрезки. Компания Analog Devices первой начала использовать тонкопленочные резисторы и лазерную обрезку пластин для прецизионных усилителей, эталонов, преобразователей данных и других линейных ИС. С помощью подстройки можно достичь точности до 16 бит, а сами тонкопленочные резисторы очень устойчивы к температуре и могут повысить термическую стабильность и точность устройства даже без подстройки. Нанесение тонких пленок и формирование рисунка — это процессы, которые необходимо строго контролировать.Системы лазерной обрезки также довольно дороги. Обрезка в пакете невозможна, поэтому смещения, связанные со сборкой, нелегко компенсировать. Тем не менее, обрезка тонкой пленки на уровне пластины обеспечивает непрерывное разрешение тонкой обрезки в прецизионных интегральных схемах, где требуются высокая точность и стабильность.

Стабилитрон использует напряжение для создания металлического короткого замыкания в переходе база-эмиттер транзистора для удаления элемента схемы. Переход база-эмиттер обычно называют стабилитроном, хотя на самом деле механизм — это лавинный пробой перехода.Во время лавинного пробоя в переходе база-эмиттер очень высокие плотности тока и локализованный нагрев вызывают быструю миграцию металла между соединениями базы и эмиттера, что приводит к короткому замыканию металла в переходе. При правильном смещении (ток, напряжение и время) это короткое замыкание будет иметь очень низкое значение сопротивления. Если ряд этих переходов база-эмиттер расположены параллельно цепочке резисторов, отключение выбранных переходов приведет к короткому замыканию частей цепочки резисторов, тем самым регулируя общее значение сопротивления.

Можно выполнить подстройку стабилитрона в собранной ИС, чтобы компенсировать связанные со сборкой сдвиги напряжения смещения. Однако для обрезки упаковки требуются дополнительные штыри. В качестве альтернативы для обрезки на уровне пластины требуются дополнительные контактные площадки. Подушечки зондов не масштабируются эффективно из-за усадки технологических элементов. Таким образом, площадь штампа, необходимая для обрезки, относительно постоянна независимо от геометрии процесса. Для подстроечных структур требуется биполярный транзистор, поэтому процесс, основанный исключительно на МОП, может не иметь возможности стабилизации.По своей природе триммеры дискретны, поскольку каждый удар удаляет заранее определенное значение сопротивления. Для увеличения разрешения подстройки требуются дополнительные транзисторы и контактные площадки или контакты, которые быстро увеличивают общую площадь кристалла и / или стоимость корпуса. Этот метод наиболее экономически эффективен для процессов с довольно большой геометрией, когда триммеры и контактные площадки зондов составляют относительно небольшой процент от общей площади штампа.

Именно в процессе создания отраслевого стандарта OP07 в 1975 году компания Precision Monolithics Incorporated впервые применила стабилизацию стабилитрона.OP07 и другие аналогичные детали должны работать от источников питания более ± 15 В и . В результате они используют устройства относительно большой геометрии для поддержки требований к высокому напряжению, а дополнительные контактные площадки для датчиков не увеличивают значительно площадь кристалла.

Обрезка звеньев — это отрезание металлических или поликремниевых звеньев для удаления соединения. При подрезке звена используется либо лазер, либо сильный ток, чтобы разрушить «закороченное» соединение через параллельный резистивный элемент. Удаление соединения увеличивает эффективное сопротивление комбинированного элемента (ов).Лазерная резка работает аналогично лазерной обрезке тонких пленок. Высокий локальный нагрев от лазерного луча вызывает изменения материала, которые приводят к образованию непроводящей области, эффективно разрезая металлический или проводящий поликремний соединитель.

Метод подстройки сильноточной перемычки работает как обратный стабилитрону — проводящее соединение разрушается, а не создается стабилитроном.

Структуры подстройки звена обычно несколько более компактны, чем резистивные структуры с лазерной подстройкой.Как правило, никаких специальных процессов не требуется, хотя процесс, возможно, придется адаптировать к характеристикам лазера, если используется лазерная резка. При использовании сильноточного метода обрезки тестирование на уровне пластины может не потребоваться, если выход кристаллов хороший. Схема лазерной резки не требует дополнительных контактных площадок, но конструкции обрезки не масштабируются в соответствии с размерами элементов процесса. Лазерная резка звеньев не может производиться в пакете и требует дополнительных контактных площадок на матрице. Кроме того, для сильноточных триммеров в пакете могут потребоваться дополнительные контакты.Как и стабилитрон, обрезка звеньев выполняется дискретно. Улучшения разрешения требуют дополнительных структур, увеличения площади и стоимости .

Подстройка EEPROM использует специальную энергонезависимую цифровую память для хранения данных подстройки. Сохраненные биты данных управляют регулировочными токами через встроенные цифро-аналоговые преобразователи.

Ячейки памяти и цифро-аналоговые преобразователи масштабируются в зависимости от размера технологического элемента. Возможна подрезка в пакете и даже подрезка в системе заказчика, так что сдвиги, связанные со сборкой, могут быть обрезаны.Тестирование на уровне пластины не требуется, если выходы являются разумными. Для подстройки не требуется никакого специального оборудования, кроме обычной системы тестера смешанных сигналов, хотя разработка тестового программного обеспечения может быть более сложной.

Поскольку триммеры могут быть перезаписаны, можно периодически перепрограммировать систему для учета долгосрочных дрейфов или изменять характеристики системы в соответствии с новыми требованиями. Количество возможных циклов перепрограммирования зависит от процесса и является конечным. Большинство процессов EEPROM обеспечивают достаточное количество циклов перезаписи для выполнения стандартной повторной калибровки.

Этот метод обрезки требует специальной обработки. Сохраненные данные дифферента могут быть потеряны при определенных условиях, особенно при высоких рабочих температурах. По крайней мере, одна дополнительная цифровая контактная площадка / вывод корпуса требуется для ввода данных подстройки во встроенную память.

Этот метод доступен только для процессов на основе МОП из-за требований очень тонкого оксида. Самый большой недостаток заключается в том, что ЦАП на кристалле больше, чем схемы усилителя, которые они настраивают.По этой причине подстройка EEPROM в основном используется для преобразователей данных или продуктов системного уровня, где подгоночные цифро-аналоговые преобразователи составляют гораздо меньший процент от общей площади кристалла.

В таблице 3.1 приведены основные характеристики каждого метода производственной обрезки. Можно видеть, что все методы подстройки имеют свои соответствующие применения при производстве линейных интегральных схем с высокими характеристиками.

ПРОЦЕСС ОБРЕЗАННЫЙ В: СПЕЦИАЛЬНАЯ ОБРАБОТКА РАЗРЕШЕНИЕ
DigiTrim ™ Пластина или окончательный тест Нет Дискретный
Laser Trim Вафельный Тонкопленочный резистор Непрерывный
Стабилитрон Zap Trim Межфланцевый Нет Дискретный
Обрезка звена Пластина Тонкая пленка или полимерный резистор Дискретный
Обрезка EEPROM Пластина или окончательный тест EEPROM Дискретный

Таблица 3.1: Краткое описание типичных процессов обрезки со смещением

3,4 Входной ток смещения ОУ

3.4.1 Определение входного тока смещения

В идеале ток на входные клеммы операционного усилителя не течет. На практике всегда имеется два входных тока смещения: I B + и I B- (см. Рисунок 3.14).

Рисунок 3.14: Входной ток смещения операционного усилителя

  • I B — очень изменчивый параметр!

  • I B может варьироваться от 60 фА (1 электрон каждые 3 мкс) до многих мкА, в зависимости от устройства.

  • Некоторые конструкции хорошо согласованы с I B , другие — нет.

  • Некоторые структуры I B мало изменяются в зависимости от температуры, но операционный усилитель с полевым транзистором I B удваивается при повышении температуры на каждые 10 ° C.

  • Некоторые структуры имеют I B , который может течь в любом направлении.

Значения I B варьируются от 60 фА (примерно один электрон каждые три микросекунды) в операционном усилителе электрометра (например, AD549) до десятков микроампер в некоторых высокоскоростных операционных усилителях.Операционные усилители с простыми входными структурами, в которых используются транзисторы с биполярным переходом (BJT) или полевые транзисторы с длинными хвостовиками, имеют токи смещения, которые текут в одном направлении. Более сложные входные структуры (операционные усилители с компенсацией смещения и с обратной связью по току) могут иметь токи смещения, которые являются разницей между двумя или более внутренними источниками тока, и могут течь в любом направлении.

Ток смещения является проблемой для пользователя операционного усилителя, поскольку он протекает через внешние импедансы и создает напряжения, которые добавляют к системным ошибкам.Рассмотрим неинвертирующий буфер с единичным усилением, управляемый с импедансом источника 1 МОм. Если I B равен 10 нА, это внесет дополнительные 10 мВ ошибки. Такая степень ошибки нетривиальна ни в одной системе.

Или, если разработчик просто забудет про I B и использует емкостную связь, схема вообще не заработает. Или, если I B достаточно низкий, он может сработать на мгновение, пока конденсатор заряжается, что дает еще более вводящие в заблуждение результаты. Здесь следует помнить, что нельзя пренебрегать влиянием I B в любой схеме операционного усилителя.То же самое относится и к схемам инструментальных усилителей.

3.4.2 Входной ток смещения

Входной ток смещения, I OS , представляет собой разницу между I B- и I B + или I OS = I B + — I B- . Также обратите внимание, что I OS имеет смысл только тогда, когда два отдельных тока смещения для начала достаточно хорошо согласованы. Это верно для большинства операционных усилителей с обратной связью по напряжению (VFB).Однако, например, не имеет смысла говорить о I OS для операционного усилителя с обратной связью по току (усилители CFB более подробно рассматриваются в более поздней главе), поскольку токи совершенно не согласованы.

Следует отметить, что входные каскады Rail-to-Rail, состоящие из двух дополнительных параллельных каскадов, имеют токи смещения, которые меняют направление, когда синфазное напряжение проходит через переходную область. Токи смещения и смещения для этих устройств особенно сложно указать, кроме как просто дать максимальное положительное / отрицательное значение.

3.4.3 Внутренние цепи подавления тока смещения

Обеспечивая необходимые токи смещения через внутренний источник тока, как показано на рисунке 3.15 ниже, единственный внешний ток, протекающий тогда во входных клеммах, — это ток разницы между базовым током и источником тока, который может быть довольно небольшим.

Рисунок 3.15: Биполярный входной каскад с компенсацией тока смещения

  • Плюсы

    • Низкое напряжение смещения: всего 10 мкВ

    • Смещение с малым смещением: всего 0.1 мкВ / ºC

    • Температурная стабильность I Смещение

    • Низкие токи смещения: <0,5 - 10 нА

    • Низковольтный шум: всего 1 нВ / ✔Гц

  • Минусы

    • Плохое совпадение тока смещения (токи могут равномерно течь в противоположных направлениях)

    • Высокий токовый шум

    • Не очень полезно на высоких частотах

    • Согласование импедансов источника приводит к ухудшению ошибки смещения из-за тока смещения из-за дополнительного импеданса

Большинство современных прецизионных биполярных операционных усилителей с входным каскадом используют некоторые средства внутренней компенсации тока смещения, например, знакомые серии OP07 и OP27.

Входные каскады с компенсацией тока смещения обладают многими достоинствами простого биполярного входного каскада, а именно: низким уровнем шума, малым смещением и малым дрейфом. Кроме того, они имеют низкий ток смещения, который довольно стабилен с температурой. Однако их токовый шум не очень хороший, а согласование по току смещения плохое.

Эти два последних нежелательных побочных эффекта возникают в результате того, что внешний ток смещения является разницей между источником компенсационного тока и базовым током входного транзистора.Оба этих тока неизбежно имеют шум. Поскольку они не коррелированы, два шума складываются в виде корня из суммы квадратов (даже несмотря на вычитание постоянных токов).

Поскольку результирующий ток внешнего смещения представляет собой разницу между двумя почти равными токами, нет причин, по которым чистый ток должен иметь определенную полярность. В результате токи смещения операционного усилителя с компенсацией смещения могут не только не согласовываться, но и течь в противоположных направлениях! В большинстве приложений это не важно, но в некоторых случаях это может иметь неожиданные эффекты (например, спад выборки и удержания (SHA), построенный на ОУ с компенсацией смещения, может иметь любую полярность).

Во многих случаях функция компенсации тока смещения не упоминается в технических характеристиках операционного усилителя, и упрощенная схема не предоставляется. Легко определить, используется ли компенсация тока смещения, проверив спецификацию тока смещения. Если ток смещения указан как значение «±», операционный усилитель, скорее всего, будет компенсирован током смещения. Обратите внимание, что это можно легко проверить, изучив спецификацию тока смещения (разность токов смещения). Если существует внутренняя компенсация тока смещения, ток смещения будет иметь ту же величину, что и ток смещения.Без компенсации тока смещения ток смещения обычно будет по крайней мере в 10 раз меньше, чем ток смещения. Обратите внимание, что эти соотношения обычно сохраняются независимо от точной величины токов смещения.

Как упоминалось ранее, входные каскады типа rail-to-rail имеют токи смещения, которые меняют направление, когда синфазное напряжение проходит через переходную область. Токи смещения и смещения для этих устройств особенно сложно указать, кроме как просто дать максимальное положительное / отрицательное значение.

3.4.4 Подавление эффектов тока смещения (внешнего по отношению к операционному усилителю)

Когда токи смещения операционного усилителя хорошо согласованы (случай с простыми операционными усилителями с биполярным входным каскадом, но без внутренней компенсации смещения, как отмечалось ранее), резистор компенсации смещения, R 3 , (R 3 = R 1 || R 2 ) вводит падение напряжения на неинвертирующем входе для согласования и, таким образом, компенсации падения параллельной комбинации R 1 и R 2 на инвертирующем входе.Это минимизирует дополнительную ошибку напряжения смещения, как показано на рисунке 3.16. Обратите внимание, что если сопротивление R 3 более 1 кОм или около того, его следует обойти с помощью конденсатора, чтобы предотвратить наводку шума. Также обратите внимание, что эта форма подавления смещения бесполезна, если токи смещения не согласованы должным образом, и фактически только ухудшит ситуацию.

Рисунок 3.16: Отмена влияния входного тока смещения в приложении

3.4.5 Измерение входного смещения и входного тока смещения

Входной ток смещения (или входное напряжение смещения) можно измерить с помощью испытательной схемы на рисунке 3.17. Для измерения I B большое сопротивление R S вставляется последовательно с тестируемым входом, создавая кажущееся дополнительное напряжение смещения, равное I B × R S . Если фактическая V OS была ранее измерена и записана, то можно определить изменение видимой V OS из-за изменения R S , и тогда I B будет легко вычисляется. Это дает значения для I B + и I B- Расчетное значение I B является средним из двух токов, или I B = (I B + + I B- ) / 2 .

Типичные полезные значения R S варьируются от 100 кОм для биполярных операционных усилителей до 1000 МОм для некоторых устройств ввода на полевых транзисторах.

Рисунок 3.17: Измерение входного тока смещения

Чрезвычайно низкие входные токи смещения должны быть измерены методами интегрирования. Рассматриваемый ток смещения используется для зарядки конденсатора и измеряется скорость изменения напряжения. Если утечка конденсатора и общей цепи незначительна (это очень сложно для токов до 10 фА), ток можно рассчитать непосредственно по скорости изменения выходного сигнала испытательной схемы.Рисунок 3.18 ниже иллюстрирует общую концепцию. Если один переключатель разомкнут, а другой замкнут, измеряется либо I B + , либо I B- .

Рисунок 3.18: Измерение очень низких токов смещения

Следует отметить, что для конденсатора C можно использовать только высококачественный диэлектрик с низкой утечкой, например тефлон или полипропилен.

Расчет выходного смещения выходного напряжения 3,5 ОУ

Входы операционных усилителей

  • Изучив этот раздел, вы сможете:
  • Распознавать типичные формы символов схем операционного усилителя.
  • Поймите необходимость использования одинарных и двойных источников питания.
  • Ознакомьтесь с типичными эксплуатационными требованиями.
  • • Высокое усиление и отрицательная обратная связь.
  • • Дифференциальные входы.
  • • Источники постоянного тока.
  • • Подавление синфазного сигнала, CMRR.
  • • Нулевое смещение.

Рис.6.1.1 Обозначение цепи операционного усилителя

Обозначение цепи операционного усилителя

Обозначение схемы для операционного усилителя — это, по сути, стандартный треугольник для усилителя. Показаны основные соединения, такие как инвертирующий (-) и неинвертирующий входы и выход, но часто другие соединения не отображаются. Типичный символ операционного усилителя показан на рис. 6.1.1. Однако обратите внимание, что на многих принципиальных схемах не показаны соединения источника постоянного тока.

Двойные блоки питания

Операционному усилителю требуется минимум пять соединений, как показано на рис.1.1, а также два входа и один выход есть два подключения питания. Они могут быть помечены как + V и -V, что указывает на то, что ИС требуется как положительное, так и отрицательное питание. Они часто находятся в диапазоне от + 5В до + 15В для положительного источника питания и от -5В до -15В для отрицательного источника питания. Эта схема с двойным питанием позволяет выходному напряжению колебаться как выше, так и ниже нуля вольт, а также дает выход 0 В, когда нет разницы напряжений между двумя входами.

Операционные усилители с однополярным питанием

Однако количество операционных усилителей, использующих один источник питания, с маркировкой + V и Gnd или 0V постоянно растет.Это полезное устройство для многих портативных и мобильных приложений, где двойные положительные и отрицательные источники питания недоступны, например, в автомобилях.

Усилитель постоянного тока с отрицательной обратной связью с высоким коэффициентом усиления

Операционные усилители

в основном представляют собой усилители постоянного тока с отрицательной обратной связью (NFB). Операционный усилитель имеет очень большое усиление, выходной сигнал может быть в сотни тысяч раз больше, чем входной. Однако это огромное усиление снижается за счет использования отрицательной обратной связи для создания схемы, усиление которой стабильно и не зависит от характеристик полупроводника.

Операционные усилители

также всегда связаны по постоянному току, в отличие от усилителя, использующего дискретные компоненты, где можно включать компоненты переменного тока, такие как конденсаторы и катушки индуктивности, в крошечной интегральной схеме невозможно изготовить компоненты переменного тока, достаточно большие, чтобы их можно было использовать на звуковых частотах. , поэтому операционный усилитель ДОЛЖЕН быть усилителем постоянного тока.

Одним из преимуществ использования усилителей постоянного тока (с прямой связью или постоянного тока) является то, что их полоса пропускания простирается вплоть до 0 Гц, что делает их пригодными для многих приложений управления и измерения, где способность операционного усилителя генерировать выходной сигнал постоянного тока по сравнению с разницей между двумя Входные величины постоянного тока чрезвычайно важны.Однако проблема с напрямую подключенными усилителями заключается в их тенденции к дрейфу, вызывая изменение постоянного напряжения в цепи, особенно при изменении температуры.

Поскольку операционный усилитель имеет очень высокий коэффициент усиления, достаточно лишь незначительного изменения напряжения на входе, чтобы вызвать большое изменение напряжения на выходе. Из-за этого входные цепи операционного усилителя спроектированы вокруг дифференциального усилителя, также называемого усилителем с эмиттерной связью или парой с длинным хвостом, который обеспечивает два входа операционного усилителя (инвертирующий и неинвертирующий), а также имеет возможность компенсировать напряжение. дрейф.

Разностный усилитель

Рис. 6.1.2 Усилитель с эмиттерной связью

Операционный усилитель работает в основном как дифференциальный усилитель, вырабатывающий выходное напряжение, пропорциональное разности напряжений на его двух входах. Эти входы, обозначенные — (инвертирующий вход) и + (неинвертирующий вход), образуют входы усилителя с эмиттерной связью, базовый пример которого показан на рис. 6.1.2, он состоит из пары согласованных транзисторов. Tr1 и Tr2, которые имеют один и тот же эмиттерный резистор R E .

Предположим, что на одном из входов (b) поддерживается фиксированное напряжение, что доказывает подходящее базовое смещение для обеспечения проводимости Tr2. Если теперь сигнал подается на вход (a), каждый раз, когда напряжение сигнала возрастает, проводимость Tr1 увеличивается, напряжение его коллектора падает, а напряжение его эмиттера (напряжение на общем R E ) повышается. Это повышение также вызывает повышение эмиттерного напряжения Tr2, и, поскольку база Tr2 фиксирована, напряжение база-эмиттер (V BE ) Tr2 уменьшается и уменьшает ток через Tr2.Это вызывает падение напряжения на коллекторе Tr2, в результате чего сигнал на выходе C падает в противофазе относительно выхода на D.

При условии, что транзисторы идеально согласованы, и нет других факторов, вызывающих различия между проводимостью в каждой половине цепи, рост тока из-за проводимости Tr1 компенсируется падением тока через Tr2, а напряжение по R E менять не должно. На практике изменение составит всего несколько милливольт.

Синфазные сигналы

Если на каждый вход поданы два идентичных сигнала, можно рассмотреть две возможности:

1.Сигналы на каждом входе идентичны и находятся в противофазе друг с другом.

2. Сигналы на каждом входе идентичны и совпадают по фазе друг с другом.

Состояние 1 называется дифференциальным входом, поскольку существует разница, создаваемая противофазными сигналами. В этом случае два усиленных сигнала, сформированные на двух выходах, будут усиленной разницей между двумя сигналами, но поскольку выходные сигналы находятся в противофазе друг с другом, по мере увеличения напряжения одного сигнала напряжение другого сигнала падает, и результирующий сигнал между выходами C и D будет в два раза больше амплитуды любого одиночного выхода.

Условие 2 имеет оба входных сигнала в фазе и поэтому называется синфазным входом. Выходы C и D также находятся в фазе, одновременно повышаясь и понижаясь. Следовательно, разница между выходами C и D равна нулю. Таким образом, можно сказать, что дифференциальный усилитель усиливает дифференциальный вход, но отклоняет вход синфазного режима или является невосприимчивым к нему. Это идеальное подавление синфазных сигналов не совсем реализуется на практике, поскольку неизбежны небольшие различия между коэффициентами усиления между каждым из двух входов и их соответствующими выходами, даже если в интегральной схеме они изготовлены на одной и той же детали. кремния.Однако синфазные сигналы, которые заставляют эмиттерные токи Tr1 и Tr2 увеличиваться и уменьшаться в унисон, будут устанавливать изменяющееся напряжение на общем резисторе эмиттера R E , и, поскольку нет развязки на R E , произойдет отрицательная обратная связь , вызывая уменьшение синфазного усиления усилителя. Эту обратную связь синфазного сигнала можно использовать для улучшения подавления синфазного сигнала, если используется большое значение для R E .

Источник постоянного тока

Рис.6.1.3 Источник постоянного тока

Вместо того, чтобы полагаться исключительно на отрицательную обратную связь, создаваемую R E для улучшения подавления синфазных помех в интегральных схемах, большинство микросхем операционных усилителей заменяют R E в усилителе с эмиттерной связью с источником постоянного тока, как показано на рис. 6.1. 3. Эта схема намного эффективнее предотвращает изменения тока общего эмиттера Tr1 и Tr2, которые возникают из-за синфазных сигналов. База Tr3 смещена при относительно фиксированном напряжении, в данном случае делителем потенциала, образованном R4 и тремя смещенными в прямом направлении диодами D1, D2 и D3, но могут использоваться другие устройства, обычно состоящие из некоторой комбинации диодов или стабилитронов и резисторов. использоваться.

При наличии синфазного сигнала ток коллектор-эмиттер через Tr3 будет пытаться измениться; любое увеличение этого тока приведет к увеличению напряжения на R3, а любое уменьшение уменьшит его. Однако, поскольку базовое напряжение Tr3 поддерживается на постоянном уровне, увеличение тока коллектор-эмиттер увеличивает напряжение эмиттера и, следовательно, снижает V BE . Это уменьшит проводимость Tr3 и уменьшит ток коллектор-эмиттер до его исходного значения.Уменьшение тока коллектор-эмиттер Tr3 аналогичным образом увеличило бы V BE и увеличило бы проводимость Tr3, пока ток снова не вернется в норму. Включение источника постоянного тока в эмиттерную цепь дифференциального усилителя делает подавление синфазных сигналов очень эффективным.

Обратите внимание, что в схеме, показанной на рис. 6.1.3, только один выход коллектора Tr2 используется для выработки одного усиленного напряжения, которое пропорционально разнице между входами a и b и почти полностью не зависит от изменений, общих для и б.Существуют операционные усилители, использующие два выхода, но операционных усилителей с одним выходом гораздо больше.

Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR)

В идеале выход операционного усилителя реагирует только на дифференциальные сигналы, но на практике, даже когда входы имеют точно такой же потенциал, а выход должен иметь нулевое напряжение, будет присутствовать небольшой выходной потенциал. Это вызвано неизбежными небольшими различиями в усилении между инвертирующим и неинвертирующим входами. Таким образом, операционный усилитель имеет некоторое усиление по отношению к синфазным сигналам, что указывается параметром Common Mode Voltage Gain (A VCM ), а соотношение между этим и дифференциальным усилением напряжения (A VD ) указывается в основной операции. параметры усилителя по коэффициенту подавления синфазного сигнала CMRR.Поскольку это отношение обычно является очень большим числом, оно часто указывается в децибелах.

Причина, по которой CMRR является важным параметром, заключается в том, что при использовании операционного усилителя, как это часто бывает, в схемах, включающих измерения, будет присутствовать некоторая ошибка, например, при измерении разницы между двумя очень небольшими напряжениями, эта ошибка составляет усиливается вместе с истинным дифференциальным напряжением, что делает любые измерения неточными.

В некоторых режимах работы синфазные сигналы не генерируются, например, когда операционный усилитель используется в качестве инвертирующего усилителя, а неинвертирующий вход заземлен.Тогда входные данные одинаковы только тогда, когда они оба равны нулю.

Смещение нуля

Рис. 6.1.4 Регулировка нуля смещения

Если необходимо избежать синфазных сигналов, усиление на каждом из входов должно соответствовать как можно точнее. Чтобы производить операционные усилители с минимальным синфазным усилением, производители используют различные методы, такие как изготовление дополнительных резисторов для управления усилением на каждом входе внутри микросхемы, которые затем могут быть удалены по мере необходимости, выборочно перегорая предохранители для удаления отдельных резисторов из того или иного канала. чтобы сбалансировать входное усиление.Другой, более точный метод с крошечными резисторами, встроенными в кремниевый чип, заключается в использовании лазеров для обрезки ширины резисторов для изменения их сопротивления в процессе производства и тестирования.

Несмотря на то, что современные операционные усилители могут иметь очень низкие напряжения смещения, многие операционные усилители имеют два дополнительных контакта для дополнительного обнуления внешнего смещения. Типичное расположение нулевого смещения показано на рис. 6.1.4. Потенциометр подключен между двумя нулевыми выводами смещения, а стеклоочиститель потенциометра подключен к отрицательному источнику питания.Входы подключены к земле, а при включенном питании и работе ИС при температуре окружающей среды потенциометр настраивается так, чтобы выходное напряжение было равно 0 В. Обратите внимание на то, что потенциометр нуля смещения, хотя и присутствует в реальной цепи, довольно часто опускается на принципиальной схеме, поскольку после настройки во время производства он не считается играющим какую-либо дальнейшую роль в основной работе схемы.

Поскольку используются такие небольшие напряжения, регулировка может быть весьма чувствительной, и при необходимости потенциометр 10K можно заменить на 1K с резисторами 4K7, установленными между каждым концом дорожки потенциометра и нулевыми выводами смещения ИС.

Начало страницы

ошибок операционного усилителя, другой вид

Преамбула

Тема ошибок операционных усилителей освещалась многими писатели. В примечании к применению Dataforth 102 [1] рассматривается тема применительно к инструментальным усилителям и предоставляет ссылки на электронные таблицы для наихудшего случая ошибки анализ. Это хорошее место для практических инженер. Инструментальный усилитель Приложения Примечание 102 можно разложить на неинвертирующие усилитель этой заметки по применению с использованием деления пополам Бартлетта теорема [2] .

Использование имитаторов схем и подходящих макросов операционных усилителей обеспечит быстрые результаты. Две бесплатные загрузки — это TI Тина и LTspice. Их можно найти на сайтах Техасские инструменты и линейные технологии.

Это примечание касается только операционных усилителей и не пытается быть исчерпывающим. Его цель — показать, как окончательные уравнения из некоторых основных ошибок получены из первой схемы принципы — в первую очередь узловой анализ. Окончательные уравнения в комплекте с коробкой.

Это руководство по применению предназначено для математических читателей. Мы у всех был опыт в математике и технических обучение чтению обработка некоторой темы, где автор вводит материал и переходит к окончательному уравнению заявив, что «вывод предоставляется заинтересованному читателю». Если наш учитель не дал вывод в качестве задания, большинству из нас это было не интересно. Еще одно ненавистное заявление «Можно увидеть при осмотре». Не все студенты заинтересованные инспекторы.Следует признать, что многие книги были бы слишком длинными, если бы не эти ярлыки. Верно и то, что знания самоучки, хотя часто неполный, часто остается дольше. Возможно, не математика ориентированные люди никогда не знали, что карандаш и бумага — вот что оживляет математику. За для многих математика превращается в бесполезные символы, бессмысленная подделка формулы или даже слепое подражание.

Изящный способ провести следующий анализ — использовать теорему Миддлбрука о дополнительных элементах [3] Однако я начинаю с анализа основных схем и перехожу к алгебраическим кривошип.

Напряжение смещения

Предположим, что схема на Рисунке 1 — это «идеальный рабочий Усилитель », за исключением напряжения смещения и конечной разомкнутой цепи. усиление.

Во-первых, идеальный усилитель. Чтобы Α o было очень и очень большим, независимая переменная V 1 должна быть достаточно близкой для всех для практических целей к зависимой переменной ν 2 . Найти для идеального усиления усилителя используйте соотношение делителя напряжения:

Считается, что усилители с отрицательной обратной связью имеют замкнутый контур усиление (G cl ).Когда обратная связь не установлена, фраза становится усилением разомкнутого контура (G ol ). R 1 / R 1 + R 2 это называется фактором обратной связи. В этом примечании Β символизирует коэффициент обратной связи.

Изменение условий,

Объединение ур. 1.1a и уравнение. 1.2а,

Уравнение 3 легко, возможно красноречиво, показывает, как смещение напряжение и ограниченное усиление разомкнутого контура изменяют знакомые уравнение идеального усиления.Современные операционные усилители имеют очень высокий коэффициент усиления без обратной связи. Если o → ∞ ошибка смещения напряжения в одиночку легко наблюдать. Умножается на закрытый шлейф, идеальный прирост. Часто это самая серьезная проблема в приложения с высоким коэффициентом усиления для операционных усилителей.

Обратите внимание, что это действительно основная теория обратной связи, и она применяется гораздо больше, чем просто операционные усилители. Некоторое общение усилители и различные проблемы управления являются примерами с разомкнутым контуром усиление далеко не бесконечно.

Ток смещения и смещения

Ур.2.1a и 2.2a

Для многих современных приложений операционных усилителей идеальная модель адекватно. Если это не так, необходимо учитывать напряжение смещения. а входного тока хватает для многих остальных. Исключение составляют схемы с высоким коэффициентом усиления и усилители мощности. вождение тяжелого груза. Обратите внимание, что операционные усилители на интегральных схемах имеют почти равные токи смещения на плюсе и отрицательные входы. Разницу иногда называют смещением или разница тока.Если сопротивление источника как видно от каждого входа почти одинаковы, ошибка сведены к минимуму.

Остальная часть статьи предназначена для заинтересованного читателя. Оно имеет большее значение в общих системах управления.

Выходное сопротивление

Следующий усилитель идеален во всех отношениях, кроме имеет ограниченное усиление без обратной связи и ненулевой выход сопротивление. Как мы увидим, если мы предположим бесконечный открытый цикл усиление, выходное сопротивление не будет иметь никакого эффекта.С тех пор, как мы учитывая ненулевое выходное сопротивление, нагрузка сопротивление включено. Конечно, выигрыш, определяющий резисторы также являются нагрузкой на усилитель.

Условия сбора,

Объединение уравнений,

Или,

Изменение условий,

Объединяя уравнения 4.1a и 4.2a,

Из уравнения 4.3, легко увидеть, как меняется «Идеальный выигрыш». Для бесконечного Α или , R i не действует что угодно. По этой причине мы должны учитывать как в та же модель. Это интуитивно удовлетворяет просто глядя на рисунок 4. Если мы позволим R i приблизиться к бесконечности, мы получим эффект только Α o .

Теперь мы можем рассмотреть входное сопротивление всей цепь.

Отсюда видно, что входное сопротивление операционного усилителя увеличивается на отношение коэффициента усиления разомкнутого контура к замкнутый цикл, «идеальное усиление.»Например, используя типичный значения 10 5 /10 2 = 10 3 дает множитель увеличения 1000. Обратите внимание, что «идеальное усиление» — это инверсия коэффициент обратной связи:

Некоторые авторы часто используют вместо символа «идеальный» усиление.»

Входное, выходное сопротивление и сопротивление нагрузки вместе

Определить:

Теперь у нас есть четкая связь между зависимыми переменной ν 3 и независимой переменной V 1 .На это точка, я выберу легкий путь и скажу следующее промежуточные этапы «оставлены на усмотрение заинтересованного читателя». В использовались те же алгебраические методы факторизации и сокращения выше приведет вас к уравнению. 5.3. По ходу дела помните, что Α o , R i и R l должно быть позволено четко приблизиться бесконечность. Так что поместите их в знаменатели, чтобы эти термины приближаются к нулю. R o должен приближаться к нулю, поэтому вставьте его числители. Наконец, найдите способ, которым отрицательные термины можно отменить.

Из уравнения 5.3 вы можете легко увидеть, как усилитель несовершенства могут доходить до идеальных пределов, оставляя идеальные уравнение усиления, и нет досадных отрицательных знаков. Уравнения с отрицательным знаком заставляют меня задуматься, а не все могло пойти отрицательно. Тогда я должен спросить себя если это физически значимо или возможно. Если нет, я могу сделали ошибку. И наконец, не забудьте о единице. анализ. Уравнения усиления должны содержать все члены без единиц измерения, напряжения, напряжения, сопротивления и т. д.Это часто быстрый способ увидеть, что что-то не так, или неправильно, по происхождению.

Пример и заключение

Посмотрим, стоит ли что-нибудь из этого учитывать. Рассмотрим следующий дизайн.

Α o = 200 тыс.
R и = 50 кОм
R o = 100
R 2 = 99,9 тыс.
R 1 = 100
R л = 2к

Эти числа в уравнении 5.3 дают прирост 994,76, a Ошибка усиления 0,52% . Почти все это происходит от знаменатель, а там только от Α 0 . Очень небольшой Сумма исходит из соотношения R o / R l . Я считаю, что мы могли бы также вычислить ошибку для одного элемента за раз и предполагаем суперпозицию. За пределами этой ошибки 0,5% резистор допуски, очевидно, важны. Напряжение смещения и ток смещения может привести к большим ошибкам и обычно считается первым .Дополнительные источники ошибок — это шум, отклонение источника питания и отклонение синфазного режима. Шум — это отдельная тема. Затем идет температура стабильность и старение. Ошибки комнатной температуры могут быть откалиброван, но температура и старение не могут, если только мы используем какой-то тип ссылки и делаем автоматический калибровка с обратной связью. Если у нас не будет процессор для этого, интегратор тактовой обратной связи с аналоговый мультиплексор может использоваться для ошибки смещения.Только обеспечить обратную связь с заземлением с помощью R 1 и инвертирующий интегратор. Остерегайтесь шума.

Возможно, для повседневной работы лучше всего использовать хороший моделирование! Однако всегда, однако, пока быстро численное моделирование — отличный помощник, мы легко теряем понимание в источники ошибок. Уравнения вроде 5.3 могут показать откуда большая часть ошибок связана с конкретным применение. В этом примере почти вся ошибка усиления происходит из-за ограниченного усиления разомкнутого контура и резистора допуски.

Список литературы

  1. Указание по применению Dataforth AN102
    http://liwww.dataforth.com/catalog/pdf/an102.pdf
  2. Теорема о двух секциях: Бартлетт, А.С., “Расширение свойства искусственных линий », Фил. Mag., Vol. 4, P902, ноябрь 1927 г.

Проектирование операционных усилителей: Советы по компоновке печатной платы для уменьшения шума | Блог

Я помню, как я в молодости подключил стереосистему и активные динамики в цепочку, чтобы попытаться получить идеальный звук.Вы быстро осознаете всю мощь усилителей и ущерб, который многокаскадные усилители могут нанести вашей любимой музыке. Мне особо напомнили о фундаментальном компоненте: операционных усилителях. Операционные усилители — особенно полезные устройства в конструкции печатных плат, и они составляют основу многих устройств, которые делают возможной современную жизнь.

Поскольку операционные усилители являются аналоговыми компонентами, они могут быть весьма чувствительны к шумам. Если вы хотите убедиться, что ваши сигналы не содержат шумов, вам необходимо следовать рекомендациям по правильной компоновке операционного усилителя для вашей следующей печатной платы.Мы собрали несколько советов, которые вы можете использовать, чтобы гарантировать, что ваши аналоговые схемы будут свободными от шума, а операционные усилители будут работать должным образом.

  1. Используйте байпасный конденсатор
  2. Обратите внимание на паразитную емкость между выходными и входными контактами
  3. Удаление тепла из усилителей высокой мощности
  4. Отдельные аналоговые и цифровые компоненты

Основные принципы операционных усилителей

Операционные усилители — это компоненты преобразования сигналов, способные фильтровать и усиливать сигналы с помощью основных арифметических операций.Операционный усилитель имеет три контакта: инвертирующий вход, неинвертирующий вход и выход, который составляет основу многих конфигураций. Выход является несимметричным, что означает, что он привязан к некоторому уровню земли на вашей плате. Обычно это ближайшая аналоговая заземляющая пластина. Однако для работы с дифференциальными парами также доступны дифференциальные операционные усилители.

Все операционные усилители обладают следующими характеристиками: высокий коэффициент усиления без обратной связи, высокий входной импеданс, низкий выходной импеданс и ограниченная полоса пропускания.Типичный усилитель может иметь коэффициент усиления 10 000 и более. Входное сопротивление составляет менее 100 Ом, а выходное сопротивление обычно составляет не менее 0,25 МОм.

Операционный усилитель: простой, но универсальный электронный компонент.

Операционные усилители имеют довольно простые правила эксплуатации. Если вы подадите положительный вход на неинвертирующий вход, операционный усилитель создаст положительный размах на выходе. Точно так же, если вы подадите положительное напряжение на инвертирующий вход, на выходе возникнет отрицательный размах.Короче говоря, выход пропорционален разности напряжений на обоих входах.

Усиление обеспечивается добавлением петли обратной связи между выходом и одним из входов. Обратная связь по постоянному току включает только резисторы, а катушки индуктивности или конденсаторы используются для создания обратной связи с частотно-зависимым усилением. Список применений операционных усилителей можно продолжать бесконечно, но наиболее распространенными являются компараторы напряжения, активные выпрямители, фильтры сигналов и повторители напряжения.

Рекомендации по компоновке печатной платы операционного усилителя

Часто операционные усилители играют роль между аналоговыми и цифровыми компонентами.Одно из применений операционных усилителей — усиление необработанных аналоговых сигналов от датчиков до их захвата с помощью АЦП в микроконтроллере или другой схеме. Они также обычно используются в аудиоприложениях. При разработке с операционными усилителями важно учитывать следующие рекомендации по компоновке операционных усилителей:

1. Используйте байпасный конденсатор

Операционному усилителю требуется стабилизированное напряжение для получения правильного выходного сигнала. Чтобы подавить шум, возникающий при переключении источника питания, поместите заземленный байпасный конденсатор рядом с выводом питания операционного усилителя.У байпасного конденсатора должен быть короткий путь между выводом питания операционного усилителя и заземлением.

Обходной конденсатор гарантирует, что операционный усилитель выдает правильный выходной сигнал.

2. Обратите внимание на паразитную емкость между выходными и входными контактами

Общеизвестно, что установка заземляющего слоя снижает восприимчивость к шуму за счет уменьшения индуктивности контура. Однако в случае конструкции операционного усилителя, когда плоскость заземления проходит ниже всего операционного усилителя и проходит под входными контактами операционного усилителя, паразитная емкость может возникать между входными контактами и выходом.Эта паразитная емкость может позволить высокочастотным компонентам выходного сигнала возвращаться на незаземленный входной контакт. Это известная проблема в конструкции высокочастотных усилителей мощности.

3. Удалите тепло из усилителей высокой мощности

При использовании операционного усилителя мощности необходимо поддерживать низкотемпературный переход для предотвращения теплового разгона. Правильные методы отвода тепла, в том числе тепловые переходные отверстия или радиаторы, могут помочь в отводе избыточного тепла. Операционные усилители большой мощности могут быть упакованы в микросхемы, которые включают в себя радиатор, прикрепленный к кристаллу, который можно использовать для отвода тепла непосредственно внутрь платы.

4. Отдельные аналоговые и цифровые компоненты

Надлежащие методы проектирования аналоговых устройств применимы и к операционным усилителям. Операционный усилитель часто используется для усиления сигнала низкого уровня перед его подачей в АЦП для усиления. Не размещайте нисходящие цифровые компоненты в той же области, что и другие аналоговые компоненты. Это предотвратит обратное попадание шума из цифровой части платы в аналоговую часть восходящего потока.

Избегайте схемных ошибок с помощью ПО для интерактивного дизайна

Компоновка операционного усилителя

может быть сложным и длительным процессом без правильной технологии компоновки печатной платы.Возможность доступа к полной истории проектирования и эффективной настройки компоновки компонентов может означать разницу между нефункциональной схемой и высокопроизводительной конструкцией. Проектировать передовые аналоговые системы намного проще, если у вас есть подходящее программное обеспечение для проектирования печатных плат, которое поможет вам следовать рекомендациям по компоновке операционных усилителей.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *