Работа с напряжениями близкими к земле: случай однополярного питания

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 будем публиковать перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно, дважды в месяц.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

Какое максимально близкое к нулю выходное напряжение могут обеспечить усилители с выходами rail-to-rail? В данном случае я говорю о КМОП-усилителях (CMOS op amp), которые часто используют в низковольтных схемах, когда требуется добиться максимального размаха выходного напряжения. Компания Texas Instruments обычно приводит характеристики для таких устройств в виде, показанном в таблице 1.

Таблица 1. Выходные характеристики усилителей типа Выходные характеристики усилителей типа rail-to-rail

Параметр Условия измерения Минимальное Типовое Максимальное Единицы измерения
Отличие выходного напряжения от значений напряжений питания RL = 10 кОм 15 25 мВ
RL = 2 кОм 35 50 мВ

Таблица 1 показывает, что потенциал на выходе всегда отличается от потенциала земли не менее чем на 15 мВ, и эта величина может оказаться критичной при проведении точных измерений относительно земли. Однако следует четко понимать, что означают условия, для которых приведены эти характеристики. Например, в данном случае подразумевается, что нагрузка подключена к средней точке схемы (между выводами питания).

Перед таблицей с параметрами вы часто можете найти условия проведения измерений, например, нагрузка RL была подключена к VS/2.

При таких условиях усилитель должен обеспечивать втекание тока, поступающего через нагрузочный резистор, в то время как потенциал на выходе приближается к земле. Такой способ проверки гарантирует, что через выход усилителя ток может протекать в обоих направлениях. Это разумный и консервативный способ проверить усилитель. Но что если нагрузка подключена по-другому? Предположим, в вашем случае нагрузка подключена к земле, как это показано на рисунке 6. Нагрузочный резистор на самом деле помогает подтянуть выход к земле, а усилителю не обязательно обеспечивать втекание тока.

Рис. 6. Пример подключения нагрузки операционного усилителя к земле

Рис. 6. Пример подключения нагрузки операционного усилителя к земле

При таких условиях большинство КМОП ОУ может обеспечить на выходе потенциал, максимально близкий к нулю – на уровне одного-двух милливольт. В документации подобная возможность не освещается, однако на это есть намек на рисунке 7, на котором размах выходного напряжения представляется как зависимость от величины выходного тока. Этот график может быть более наглядным при более высоком разрешении, однако даже без него видно, что величина выходного напряжения приближается к указанному значению напряжений питания ± 2,75 В. При работе с однополярным питанием потенциал на выводе V- равен 0 В.

Рис. 7. Величина размаха выходного напряжения как функция выходного тока

Рис. 7. Величина размаха выходного напряжения как функция выходного тока

Теперь необходимо сделать несколько замечаний. Обратите внимание, что на рисунке 8 цепь обратной связи подключена к земле. Поэтому необходимо учитывать не только RL, но и все остальные элементы, нагружающие выход усилителя. В нашем случае суммарное сопротивление R1 + R2 является дополнительной нагрузкой, включенной параллельно с RL. Однако если резистор R1 будет подключен к напряжению питания, то выход усилителя должен обеспечивать втекание тока от резистивной цепочки обратной связи при потенциале на выходе, приближающемся к 0 В. Очевидно, что при этом выход будет уже чуть более отличаться от уровня земли.

Рис. 8. Схема включения однополярного ОУ с цепью обратной связи, подключенной к земле

Рис. 8. Схема включения однополярного ОУ с цепью обратной связи, подключенной к земле

Если предположить, что в той же самой схеме коэффициент усиления достаточно высок, то входное напряжение смещения (Offset Voltage) может привести к появлению дополнительного смещения на выходе. Например, если G = 20 и входное смещение составляет 1 мВ, то при нулевом входном напряжении на выходе будет наблюдаться 20 мВ. В данном случае причиной этого является не ограничение размаха выходного напряжения, а наличие входного напряжения смещения. Конечно, небольшое отрицательное напряжение на входе способно вернуть выходное напряжение к уровню 0 В, однако ваша схема может и не иметь отрицательного напряжения.

Сигналы переменного тока при работе с реактивной нагрузкой могут быть исключением. Нагрузочный ток и выходное напряжение при реактивной нагрузке смещены по фазе, вследствие чего усилитель может обеспечивать втекание тока при нулевых выходных напряжениях.

В отличие от КМОП-усилителей, усилители, выполненные по биполярной технологии, не могут обеспечить потенциал на выходе, близкий к уровню земли.

Низковольтные приложения с батарейным питанием представляют особую сложность. Кажется, что при их создании мы всегда боремся за возможность получения максимального размаха выходного напряжения. Имея ясное представление о возможностях ОУ, вы всегда сможете решить вопросы с дополнительным смещением выходного сигнала вблизи уровня земли.

Список ранее опубликованных глав

  1. Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу
  2. Что нужно знать о входах rail-to-rail
•••

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
OPA2189IDR (TI)
OPA2189ID (TI)
OPA2189IDGKR (TI)
OPA2189IDGKT (TI)
OPA2210IDGKR (TI)
OPA2210IDGKT (TI)
OPA828ID (TI)
OPA828IDR (TI)
OPA2156IDR (TI)
OPA2156ID (TI)
Рубрики: