Аналоговые устройства на операционных усилителях

. (11)

(Выражение (11) получено в предположении, что выход усилителя закорочен на общую шину и обратная связь отсутствует.)

Из выражений (10) и (11

) находим выходное сопротивление ОУ, охваченного параллельной ООС по напряжению:

. (12)

Вид полученного выражения совпадает с (6), что и должно быть, так как в обоих случаях использована ООС по напряжению.

Процесс получения выражения для входного сопротивления достаточно громоздок, поэтому приведём только конечное выражение:

. (13)

Дробная часть выражения (13) достаточно мала, поэтому входное сопротивление инвертирующего усилителя определяется сопротивлением резистора R1. Можно считать, что собственное входное сопротивление усилителя при инвертирующем включении стремится к нулю. Это означает, что усилитель преобразует входной ток, протекающий через резистор R1, в выходное напряжение. Сопротивление резистора R1 не может быть выбрано большим при заданном KU, так как это потребует увеличения сопротивления R2 выше допустимого предела, поскольку при больших сопротивлениях R1 и R2 усилитель может потерять устойчивость из-за влияния входной ёмкости ОУ. Кроме того, чрезмерное увеличение сопротивлений R1 и R2 может привести к появлению дополнительной статической ошибки за счёт входных токов ОУ.

Простейший способ снижения потребного сопротивления R2 – подключение его к выходу через делитель напряжения (рис. 3). Идеализированный анализ показывает, что KUдля этой схемы можно определить как:

.

В этом случае можно получить достаточно большое сопротивление R1 при относительно малом сопротивлении R2, так как делитель R2, R3 подаёт только часть выходного напряжения в цепь обратной связи.

Для пропорционального усиления разности двух напряжений на основе ОУ можно выполнить дифференциальный усилитель (рис. 4).

Данная схема является простейшей и представляет собой соче-тание инвертирующего и неинвертирующего усилителей. Входные напряжения могут подаваться как относительно общей шины, так и между входами («взвешенный» источник сигнала). Для выравнивания коэффициентов усиления по каждому входу напряжение на неинвертирующий вход подаётся через делитель R3, R4.

Составим для схемы дифференциального усилителя следующие уравнения, полагая, что ОУ можно считать идеальным и разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входом стремится к нулю:

; (14)

, (15)

где UВХ – напряжение на соответствующем входе ОУ.

Полагая, что R1 = R3, R2 =R4 и R1 = NR2, находим, что:

. (16)

При всей простоте такой дифференциальный усилитель обладает одним существенным недостатком. Для его реализации требуются резисторы, согласованные с точностью не хуже 1%, так как иначе это вызовет дополнительную ошибку в усилении полезного сигнала. Кроме того, наличие на входах синфазного сигнала вызывает ошибку усиления, обусловленную свойствами ОУ, так как он обладает конечным коэффициентом подавления синфазного сигнала.

Исследовать влияние синфазного напряжения на параметры усиливаемого дифференциального сигнала можно, используя схему рисунка Следует только помнить, что для ОУ необходим двухполярный источник питания (на схеме не показан).

Поскольку коэффициент ослабления синфазного сигнала KОС.СФ у большинства ОУ достаточно велик (-60¸100 дБ), необходимо выбрать UC = 1¸10 мВ, UСФ = 10 В, а масштаб усиления N=1¸10.

Технологический разброс напряжений база-эмиттер входных транзисторов, составляющих дифференциальную пару на входе ОУ,

приводит к появлению постоянного напряжения (так называемого напряжения смещения) на выходе усилителя при равенстве нулю входного. Знак этого напряжения может быть любым! Кроме того, необходим некоторый перекос дифференциального каскада, чтобы обеспечить базовые токи последующих каскадов ОУ. Это также вносит дополнительный вклад в появление постоянной составляющей на выходе. Иными словами, чтобы на выходе ОУ установить нулевое напряжение, необходимо между входами усилителя приложить некоторое напряжение балансировки (UСМ).

Появлению постоянного напряжения сдвига нуля на выходе ОУ способствуют и входные токи. Эти токи, проходя через сопротивления источника сигнала и резисторы цепи обратной связи, создают дополнительные падения напряжения, которые и вызывают дополнительную ошибку сдвига нуля. Дополнительная ошибка может как складываться с ошибкой за счёт технологического разброса, так и вычитаться. Поскольку эта ситуация непредсказуема даже для интегральных ОУ из одной партии, принято суммировать напряжения погрешностей подобного рода.

Частично компенсировать смещение, вызванное входными токами, можно, выполнив следующее условие (рис. 2б):

, (16а)

где RГ – внутреннее сопротивление источника сигнала.

Напряжение смещения, обусловленное разностью напряжений база-эмиттер транзисторов дифференциального каскада, приведённое к выходу, определяется как:

. (16б)

Обычно UСМ.ВХ составляет ±(0,5¸5) мВ для ОУ с биполярными транзисторами на входе и ±(10¸30) мВ для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Поэтому при достаточно большом KU напряжение смещения, приведённое к выходу, может быть весьма большим, и необходимо принимать меры для его компенсации. Обычно в интегральном ОУ предусмотрены выводы для подключения компенсирующей цепи; необходимо руководствоваться соответствующими справочниками для реализации в конкретном устройстве данной функции. Отметим, что обычно завод-изготовитель указывает максимально возможное напряжение UСМ.ВХ. А в библиотеке макромоделей ОУ Pspice напряжение UСМ.ВХ может быть существенно меньше, чем указанное в справочниках. Этот факт необходимо учитывать при проектировании измерительных схем и либо предусматривать возможность компенсации напряжения смещения, либо оценивать его влияние на параметры устройства, проводя статистические испытания схемы при вариации источника напряжения смещения в макромодели ОУ.

 Скачать реферат