Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи — двоюродные братья

16 июля 2018

управление питаниемTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемы

Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях.

Мы публикуем перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно — дважды в месяц.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

Всякий, изучавший электронику, знаком с понятием напряжения смещения. Напряжение смещения операционного усилителя равно выходному напряжению в схеме с единичным усилением G = 1 (рисунок 9а). При выполнении моделирования для учета влияния напряжения смещения может быть использован дополнительный источник постоянного напряжения, подключенный ко входу усилителя. В схеме с единичным усилением G = 1 это смещение передается напрямую на выход. В схеме с высоким коэффициентом усиления на рисунке 9б выходное напряжение составляет 1000 Vos. Так ли это? Почти, но не совсем. Понимание этого «не совсем» поможет разобраться с частыми ошибками в схемах с ОУ.

Рис. 9. Выходное напряжение смещения при G = 1 В/В (a) и G = 1000 В/В (б)

Рис. 9. Выходное напряжение смещения при G = 1 В/В (a) и G = 1000 В/В (б)

В первой схеме выходное напряжение было очень близким к средней точке (здесь подразумевается биполярное питание). Это – выходное напряжение, при котором компания Texas Instruments определяет и проверяет напряжение смещения. Но во второй схеме при входном смещении в несколько милливольт на выходе может быть напряжение в несколько вольт. А чтобы получить полный размах выходного напряжения, потребуется совсем небольшое дифференциальное напряжение на входе ОУ, соответствующее заданному коэффициенту усиления.

Рассмотрим числовой пример. Если коэффициент усиления по постоянному напряжению с разомкнутой обратной связью составляет 100 дБ, то получаем усиление 1/10^(100 дБ/20) = 10 мкВ/В. Таким образом, чтобы сместить выход на 1 В относительно средней точки, требуется приложить ко входу напряжение 10 мкВ. Теперь представьте эту ситуацию так, как будто напряжение смещения изменяется при изменении выходного напряжения. Тогда изменению выходного напряжения на 9 В будет соответствовать изменение в 90 мкВ на входе. Попробуйте определить самостоятельно, много это, для вашей схемы или нет?

Таким образом мы рассматриваем коэффициент усиления в разомкнутом контуре как изменение напряжения смещения при изменении выходного напряжения. Этот подход позволяет интуитивно оценить величину ошибки. Характер этой ошибки может также иметь значение. Чтобы измерять напряжение смещения и усиление с разомкнутым контуром, следует использовать схему двухкаскадного усилителя. С ее помощью можно контролировать выходное напряжение и измерять напряжение смещения. Если постепенно изменять выходное напряжение в пределах всего выходного диапазона, то изменение напряжения смещения обычно выглядит примерно так, как показано на рисунке 10.

Рис. 10. Напряжение смещения как функция от выходного напряжения

Рис. 10. Напряжение смещения как функция от выходного напряжения

Обратите внимание, что наибольшая скорость изменения напряжения смещения наблюдается вблизи положительной и отрицательной границ диапазона. Усилителю приходится «напрячься», чтобы обеспечить максимальное выходное напряжение. Рост коэффициента усиления с разомкнутой обратной связью выше в середине диапазона и падает, когда напряжение на выходе приближается к крайним точкам. При разработке схем необходимо учитывать эту особенность. Вблизи граничных значений выходного напряжения происходит более резкое увеличение напряжения смещения.

Производители операционных усилителей по-разному определяют коэффициент усиления с разомкнутой обратной связью (AOL). Для своих прецизионных ОУ компания TI использует усреднение значений коэффициента усиления в широком диапазоне выходных напряжений для получения хорошей линейной зависимости (красная линия на рисунке 10). Пример отражения этих характеристик в документации – в таблице 2.

Таблица 2. Значение коэффициента усиления с разомкнутым контуром для нагрузки различного типа

Коэффициент усиления с разомкнутой обратной связью Условие тестирования Мин. Тип. Макс. Единицы измерения
Коэффициент усиления с разомкнутой обратной связью AOL (V-) + 0,5 В < V0 < (V+) – 0,5 В*, RL = 10 кОм** 100 120 дБ
(V-) + 0,5 В < V0 < (V+) – 0,5 В*, RL =2 кОм** 90 116 дБ
* – минимальное значение AOL гарантируется при размахе выходного напряжения от (V-) +0,5 В до (V+) -0,5 В
** – значение AOL приведено для двух значений нагрузки. При нагрузке 10 КОм коэффициент усиления выше

Когда усилитель работает с перегрузкой (при приложении большого напряжения смещения), выходное напряжение будет приближаться к граничным значениям. Иногда выходное напряжение будет превышать значения из диапазона, указанного в таблице 2. Например, в таблице 3 приведено значение выходного напряжения с перегруженным входом. Разработчики компании TI называют эту характеристику «характеристикой выталкивания». Такое название подчеркивает, что вход перегружен, а напряжение на выходе пытается максимально близко «протолкнуться» к граничным значениям. Оба типа спецификаций полезны в зависимости от требований конкретного приложения. В данном случае важно правильно интерпретировать приведенные параметры.

Таблица 3. Пример величины выходного напряжения при перегруженном входе

Выход Условие тестирования Мин. Тип. Макс. Единицы измерения
Отклонение выходного напряжения от уровня напряжения питания RL = 10 кОм 0,2 0,15 В
RL = 2 кОм 0,3 0,2 В

Оригинал статьи

Список ранее опубликованных глав

  1. Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу
  2. Что нужно знать о входах rail-to-rail
  3. Работа с напряжениями близкими к земле: случай однополярного питания

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее

Товары
Наименование
OPA207IDGKR (TI)
OPA207IDGKT (TI)
OPA207IDR (TI)
OPA207ID (TI)
TLV07IDR (TI)
OPA4196ID (TI)
OPA4196IDR (TI)