Лекция 36. Анализ работы схем на операционных усилителях (занятие 2. 2. 10).

 

Вопросы:

1. Эффекты ограничений на работу схем на основе ОУ.

2. Логарифмический преобразователь.

Вопрос 1 Эффекты ограничений на работу схем на основе ОУ.

 

  Вернемся к инвертирующему усилителю и рассмотрим его еще раз, учитывая известные нам теперь ограничения. Покажем, как они влияют на работу схемы и как их учесть при разработке ОУ. Используя этот пример, вы сможете разобраться и с другими схемами ОУ. На рис. 1.1 вновь показан инвертирующий операционный усилитель.

 

Рисунок 1.1 - Инвертирующий операционный усилитель.

 

Коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС. В связи с тем, что коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС имеет конечное значение, в усилителе с обратной связью коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС) в определенный момент начинает убывать Этому моменту соответствует частота, на которой коэффициент усиления при разомкнутой ОС приближается к значению

R ₂ / R ₁(рис.1.2). Этот спад позволяет судить о том, что семейство усилителей типа 411 относится к классу низкочастотных усилителей; на частоте 50 кГц коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС падает до 100. а частота _ср равна 4 МГц. Обратите внимание, что коэффициент усиления при замкнутой цепи ОС всегда меньше, чем коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС; это означает, что если на основе ОУ типа 411 построить, например, усилитель со 100-кратным усилением, то на частотах около 50 кГц его усиление заметно ослабеет.

 

 

 

Рисунок 1.2 - Зависимость коэффициента усиления от частоты для ОУ типа LF411 («диаграмма Боде»), 1-коэффициент усиления при разомкнутой ОС, 2- коэффициент усиления при замкнутой ОС

 

Скорость нарастания. В связи с тем, что скорость нарастания ограничена, на частотах выше некоторого граничного значения максимальный размах синусоидального сигнала начинает падать. На рис.1.3 представлен график для операционного усилителя типа 411 со скоростью нарастания 15 В/мкс. При скорости нарастания s выходная амплитуда ограничена значением A _{от пика до пика} для синусоидального сигнала, имеющего частоту f; тем самым объясняется наличие участку спада на графике с наклоном 1/ f. Горизонтальный участок на графике соответствует ограничению размаха выходного напряжения источников питания.

Попутно отметим, что ограничения связанные со скоростью нарастания ОУ можно использовать на благо, для устранения шумовых импульсов полезного сигнала с помощью так называемой нелинейной низкочастотной фильтрации Суть метода состоит в следующем намеренно ограничивая скорость нарастания можно существенно уменьшить острые импульсы, никак не искажая при этом фоновый сигнал.

Выходной ток. В связи с тем, что выходной ток операционного усилителя ограничен, размах выходного напряжения на низкоомных нагрузках также ограничен. На рис.1.4 представлен график для операционного усилителя типа 411. В прецизионных схемах как раз и нужно ограничивать выходные токи для того, чтобы избежать появления в кристалле схемы температурных градиентов, связанных с рассеянием слишком большой мощности в выходном каскаде

 

 

Рисунок 1.3 - Зависимость размаха выходного напряжения от частоты

 

(LF411) U _и = ± 15 В;

T _окр = 25^сС, R _и = 10 кОм. Кривая убывает пропорционально 1/ f.

U _и = 15 В, Т _окр = 25°С.

 

 

Рисунок 1. 4 - Зависимость размаха выходного напряжения от нагрузки (LF411).

Напряжение сдвига. Благодаря наличию входного напряжения сдвига, при нулевом напряжении на входе напряжение на выходе равно

U _вых = K_{u 0} U_{c дв}.

Инвертирующий усилитель на основе ОУ типа 411 имеет коэффициент усиления по напряжению, равный 100. При заземленном входе напряжение на выходе этой схемы достигает значения +0.2 В (U_{c дв} = 2 мВ, максимальное значение)

Можно предложить следующие пути решения проблемы

а) Если усиление сигнала по постоянному току не представляет интереса, то с помощью конденсатора можно уменьшить коэффициент усиления для сигналов постоянного тока до единицы. Там для передачи входного сигнала используется емкостная связь;

б) Настроить нуль, используя предлагаемую фирмой-изготовителем схему регулировки. в) Можно использовать ОУ с меньшим напряжением сдвига U_{c д.}

Входной ток смешения. Если в инвертирующем усилителе один из входов заземлен, то даже при условии идеальной настройки (т. е. U_{c дв} = 0), на выходе усилителя будет присутствовать отличное от нуля выходное напряжение. Это связано с тем что входной ток смещения I_см  создает падение напряжения на резисторах, которое затем усиливается схемой усилителя. В этой схеме сопротивление со стороны инвертирующего входа определяется резисторами R ₁|| R ₂, но ток смещения воспринимается как входной сигнал, подобный току, текущему через R _1, а поэтому он порождает смещение выхода

U _вых= I_см R₂.

  В операционных усилителях со входами на полевых транзисторах эффектом входного тока смещения обычно можно пренебречь, по-другому дело обстоит с операционными усилителями на биполярных транзисторах - здесь значительные входные токи могут привести к серьезным проблемам.

Для борьбы с ошибками, обусловленными током смещения, существует несколько способов. Если вам нужен ОУ с большим током смешения, можно сделать сопротивление со стороны обоих входов одинаковым, как на рис.1.5.

 

Рисунок 1.5 - Для уменьшения ошибок, обусловленных входным током смещения в ОУ на биполярных транзисторах следует использовать компенсационный резистор

 

В этом случае сопротивление 9,1 кОм выбрано с учетом параллельного соединения резисторов 10 кОм и 100 кОм. Кроме того, лучше всего если сопротивление цепи обратной связи будет достаточно малым, тогда ток смещения не будет давать большие сдвиги; сопротивления в цепях входов ОУ имеют типичные значения от 1 до 100 кОм. Третий способ состоит в уменьшении до единицы коэффициента усиления по постоянному току, как в рассмотренном выше усилителе для звукоснимателя.

Входной ток сдвига. Как мы только что и убедились, лучше всего создавать такие схемы, в которых импедансы и токи смещения ОУ порождают пренебрежимо малые ошибки. Однако иногда может возникнуть потребность в ОУ с большим током смещения или с очень большим эквивалентным импедансом. В этой ситуации лучше всего постараться сбалансировать входные импедансы по постоянному току. На выходе все равно будет существовать некоторая ошибка (К _{пост ток} I_сдв R_ист),обусловленная асимметрией входных токов ОУ В общем, I_сдв меньше, чем I_см в 2-20 раз (биполярные ОУ, как правило, дают лучшее согласование, чем ОУ на полевых транзисторах).

 

Вопрос 2.   Логарифмический преобразователь.

 

В схеме, представленной на рис. 2.1, логарифмическая зависимость напряжения U ₆₃ от тока 1_к используется для получения выходного напряжения, пропорционального логарифму положительного входного напряжения.

 

Рисунок 2.1 - Логарифмический преобразователь.

 

  Благодаря потенциальному заземлению инвертирующего входа резистор R ₁ преобразует напряжение U _{в x} в ток. Этот ток протекает через транзистор Т₁ и создает на его эмиттере потенциал, который, согласно уравнению Эберса-Молла, на величину падения напряжения U _6э ниже потенциала земли. Транзистор Т₂, который работает при фиксированном токе и обеспечивает корректирующее напряжение, равное по величине падению напряжения на диоде, служит для температурной компенсации. Источник тока (роль которого может выполнять резистор, так как потенциал точки В отличается от потенциала земли на несколько десятых долей вольта) задает входной ток, служащий для установки выходного напряжения на нуль. Второй операционный усилитель является неинвертирующим, его коэффициент усиления по напряжению должен быть равен приблизительно 16, для того чтобы напряжение на выходе изменялось в отношении — 1.0 В на декаду входного тока (напомним, что напряжение U_бэ увеличивается в отношении 60 мВ на декаду коллекторного тока).

Еще несколько деталей: если базу транзистора Т₁ соединить с его коллектором, то базовый ток будет создавать ошибку (дело в том. что ток 1_к связан точной экспоненциальной зависимостью с напряжением U _6э). В этом схеме благодаря потенциальному заземлению напряжение на базе равно напряжению на коллекторе, однако базовый ток ошибку не создает. В качестве Т₁ и Т₂ следует использовать согласованную пару транзисторов (лучше всего взять согласованную монолитную пару типа LM394 или МАТ-01). Такая схема обеспечивает точную логарифмическую зависимость выходного напряжения от входного тока в пределах семи или более декад (приблизительно от 1 нА до 10 мА) при условии, что транзисторы имеют небольшие токи утечки, а ОУ-малый входной ток смешения. Операционный усилитель типа 741, в котором ток смешения равен 80 нА, для этой схемы не подходит; для получения линейной характеристики в пределах семи декад обычно используют ОУ с полевыми транзисторами на входах, например ОУ типа 411. Кроме того, для получения хорошей характеристики при малых входных токах входной ОУ следует точно настроить на нуль сдвига. Дело в том, что при токах, близких к нижнему предельному значению напряжение U _вх может составлять всего несколько десятков микровольт Лучше всего применить в этой схеме источник тока на входе и вообще не использовать резистор R. Конденсатор С служит для частотной стабилизации при включении обратной связи, так как усиление по напряжению в контуре ОС определяет транзистор Т Диод Д₁ предотвращает пробой и разрушение перехода база - эмиттер транзистора Т₁ в случае появления отрицательного напряжения на входе; это необходимо, так как транзистор Т₁ не обеспечивает цепь обратной связи при положительном выходном напряжении операционного усилителя. Обе эти проблемы можно устранить, если транзистор Т₁ включить как диод, т. е. соединить его базу с коллектором.

Температурная компенсация усиления. Транзистор Т₂ компенсирует изменения падения напряжения U_бэ в транзисторе Т₁, связанные с изменением температуры окружающей среды, однако изменение наклона графика зависимости напряжения U _бэ от тока I _к не компенсируется. Выходное напряжение в нашей схеме иллюстрируется графиком, представленным на рис.2.2.

Идеальная компенсация обеспечивается в том случае, когда входной ток равен 1₀ - коллекторному току транзистора Т₂. Изменение температуры на 30 °С вызывает изменение угла наклона графика на 10% и сопровождается появлением соответствующей ошибки в выходном напряжении. Единственный выход из положения состоит в том, чтобы заменить резистор R ₂ последовательным соединением обычного резистора и резистора с положительным температурным коэффициентом.

Зная температурный коэффициент резистора (например, температурный коэффициент резистора типа TG1/8 фирмы Texas Instruments равен + 0,67%/°С), можно определить сопротивление обычного резистора который при последовательном соединении обеспечит идеальную компенсацию. Например, к только что упомянутому резистору типа TG1/8 с сопротивлением 2,7 кОм следует последовательно подключить резистор с сопротивлением 2,4 кОм.

 

Рисунок 2.2 - Выходное напряжение в рассматриваемой схеме.

 

Промышленность выпускает несколько интегральных логарифмических преобразователей. Они обладают очень хорошими характеристиками и имеют внутреннюю температурную компенсацию Среди фирм-изготовителей назовем Analog Devices, Burr-Brown Philbnck, Intersil и National Semiconductor.