Операционные усилители

Усилители

Большинство пассивных датчиков обладают очень слабыми выходными сигналами. Их величина часто не превышает нескольких микровольт или пикоампер. С другой стороны входные сигналы стандартных электронных устройств обработки данных, таких как АЦП, частотные модуляторы, различные регистраторы и т.д. должны быть гораздо выше: порядка вольт или миллиампер. Поэтому для подключения датчиков к таким устройствам требуются промежуточные усилители с коэффициентами усиления по напряжению до 10000, а по току до 1 000000. Усилители, как правило, являются одной из составных частей интерфейсных схем. В настоящее время чаще всего используются усилители, построенные на основе ОУ и пассивных дискретных компонентах.

Операционные усилители

Составной частью практически всех современных усилительных схем являются операционные усилители (ОУ), которые могут быть интегрированными (монолитными) или гибридными (состоящими из монолитных и дискретных частей). В состав интегрированного ОУ входят сотни транзисторов, резисторов и конденсаторов. Разработчики аналоговых устройств, меняя подключение дискретных компонентов к выводам ОУ, реализовали большое количество полезных схем (не только усилительных). На основе ОУ строятся специализированные ИС, часто называемые интегральными схемами прикладной ориентации (ASIC).

На рис. 5 показано схематичное представление ОУ. Типовой OУ, как правило, обладает следующими характеристиками:

· Двумя входами: инвертирующим (-) и неинвертирующим (+)

· Высоким входным сопротивлением (порядка сотен МОм и даже ГОм)

· Низким выходным сопротивлением (доли Ома)

· Способностью работать с емкостной нагрузкой

· Низким входным напряжением смещения е_о (несколько мВ и даже мкВ)

· Низким входным током смещения i_o (несколько пА и даже меньше)

· Очень высоким коэффициентом усиления при разомкнутой цепи обратной связи (ОС) A_O_L (10⁴ ...10⁶ и даже выше). Этот коэффициент показывает, во сколько раз ОУ увеличивает разность напряжений между двумя входами

· Высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС). КОСС показывает, насколько эффективно ОУ подавляет синфазные сигналы одинаковой амплитуды V_CM, одновременно поданные на оба входа

· Низким коэффициентом собственного шума

· Широким рабочим частотным диапазоном

· Низкой чувствительностью к помехам по шине питания

· Высокой стабильностью характеристик при изменении параметров окружающей среды

На рис. 5А показан ОУ без цепи ОС. Такой усилитель часто называют ОУ с разомкнутым контуром ОС. В справочниках приводятся значения коэффициентов усиления ОУ без ОС, которые не являются постоянными во всем частотном диапазоне. Зависимость этих коэффициентов от частоты показана на рис. 5Б. На значения коэффициентов усиления ОУ также влияют сопротивление нагрузки, температура окружающей среды и флуктуации напряжения питания. ОУ без ОС практически никогда не используются, поскольку высокий коэффициент усиления приводит к не стабильной работе схемы, сильному температурному дрейфу характеристик, повышенному шуму и т.д. Например, при коэффициенте усиления ОУ без ОС, равном 10⁵, входной дрейф напряжения в 10 мкВ вызовет дрейф выходного напряжения порядка 1 В.

Произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания характеризует способность ОУ усиливать высокочастотные сигналы малой амплитуды. Это произведение равно частоте f₁, при которой коэффициент усиления ОУ становится равным 1, т.е. ОУ перестает усиливать сигнал.

На рис. 6А показан неинвертирующий усилитель. В этом усилителе цепь ОС сформирована двумя резисторами: R₁ и R₂. Результирующий коэффициент усиления такого усилителя с ОС равен: А = 1 + R₂/R₁. Он будет постоянным в более широком частотном диапазоне (см. рис. 5Б), но ограничивающая частота f₁ останется такой же, как и в ОУ без ОС. Глубина ОС определяет такие параметры этой схемы, как линейность, стабильность коэффициента усиления и выходной импеданс, которые теперь в основном зависят от характеристик компонентов ОС. Для получения высокой точности необходимо обеспечить выполнение следующего правила: коэффициент усиления ОУ без ОС должен быть, по крайней мере, в 100 раз больше коэффициента усиления ОУ с ОС на самой высокой рабочей частоте. Для более высокой точности это отношение должно быть равно 1000 и даже больше.

ОУ усиливают не только полезные сигналы, но и паразитные напряжения и токи, попадающие на их входы (рис. 6Б). Поэтому в справочной литературе для них обычно приводятся технологические допуски на значения токов и напряжений смещения.

Из-за напряжений и токов смещения выходной сигнал интерфейсной схемы при нулевом входном сигнале практически никогда не бывает равным нулю. В схемах, работающих с постоянными или медленно меняющимися сигналами, серьезной проблемой является освобождение полезного сигнала от этих нежелательных компонентов. На практике величину напряжения смещения регулируют двумя способами: непосредственно на ОУ (если в нем предусмотрены регулировочные выводы) или при помощи независимых внешних компенсационных цепей.

Величину выходного напряжения смещения можно определить из выражения:

V₀ = A(e_o + i_oR_eqv),

где R_eqv - эквивалентное входное сопротивление, состоящее из выходного сопротивления датчика и входного сопротивления усилителя; е_о - входное напряжение смещения, а i_o - входной ток смещения.

Величина смещения тока и напряжений зависит от температуры. В схемах, где ОУ работает с большим коэффициентом усиления, выходное напряжение смещения может служить источником серьезных погрешностей. Существует несколько способов решения этой проблемы. Одним из них является выбор ОУ с низким значением тока и напряжения смещения, а также высоким входным сопротивлением. Для эффективного снижения напряжения смещения также применяются усилители постоянного тока с модуляцией и демодуляцией сигнала.

Дата добавления: 2016-04-19; просмотров: 1038;