SPICE-моделирование напряжения смещения: как определить чувствительность схемы к напряжению смещения

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

Не всегда очевидно, как напряжение смещения будет влиять на поведение схемы. Смещение по постоянному току легко симулировать с помощью специальных программ SPICE-моделирования, но макромодели операционных усилителей используют одно конкретное значение напряжения смещения. Чего же следует ждать при изменении этого параметра от устройства к устройству? В данном случае хорошим примером служит улучшенная схема источника тока (рисунок 11). В ней цепи обратной связи подключены одновременно к обоим входам, поэтому не сразу можно понять, как входное напряжение смещения (VOS) операционного усилителя будет влиять на величину выходной ошибки. OPA548 – мощный операционный усилитель с максимальным выходным током 5 А и напряжением питания до 60 В. Он часто используется в схемах источников тока. Рассмотрим, как максимальное напряжение смещения 10 мВ влияет на выходной ток схемы.

Рис. 11. Схема источника тока

Рис. 11. Схема источника тока

Перед тем как начать моделирование, есть возможность изучить примеры. Как вы думаете, какой выходной ток будет при входном напряжении смещения 10 мВ?

Смещение моделируется в виде источника напряжения, подключенного к одному из входов усилителя. Поэтому при создании схемы в программе вы можете просто включить источник постоянного напряжения последовательно с одним из входов, чтобы учесть эффект изменения напряжения смещения. При подключении узлов V1 и V2 к земле в идеале стоило ожидать нулевого выходного тока, но приложенное напряжение смещения будет обеспечивать небольшую разницу на входе: VX = 0 и VX = 10 мВ. Можно определить изменение выходного тока при изменении напряжения VX (рисунок 12), хотя возможны и другие источники смещения. В данном случае разница в значениях выходного тока для двух значений VX показывает влияние напряжения смещения. Конечно, смещение может иметь и противоположную полярность.

Рис. 12. Смещение выходного тока, вызванное входным напряжением смещения

Рис. 12. Смещение выходного тока, вызванное входным напряжением смещения

Напряжение на выходе присутствует даже когда VX = 0, это происходит из-за наличия встроенного в макромодель OPA548 источника напряжения смещения 2,56 мВ. Большинство макромоделей TI имеет такой встроенный источник, напряжение которого выбирается равным типовому значению смещения в реальных ОУ. В некоторых схемах дополнительным источником выходных смещений могут становиться входные токи смещения и/или входные токи сдвига.

Правильно ли Вы ответили на поставленный вопрос? Какой выходной ток смещения Вы ожидали получить? Предложенная схема источника тока, по сути, является разностным усилителем (четыре резистора вокруг ОУ) с дополнительным резистором R5. Этот усилитель с единичным коэффициентом усиления (номиналы резисторов обратной связи равны) обеспечивает передачу входного напряжения (V2–V1) на R5, а  результирующий ток течет в нагрузку. Однако напряжение смещения приложено непосредственно к неинвертирующему входу и усиливается с коэффициентом +2, так как для неинвертирующего усилителя G = 1 + R2/R1. Таким образом, напряжение смещения 10 мВ создает выходное напряжение 20 мВ на R5, а значит, выходной ток смещения равен 20 мА. Отрицательное смещение -10 мВ приведет к созданию выходного тока -20 мА (ток течет от нагрузки в ОУ).

Возможно, этот результат был для Вас очевиден, а может – и нет.  В любом случае, SPICE-моделирование может его подтвердить.

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

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, ...читать далее

Товары
Наименование
OPA548T (TI)
OPA548FKTWT (TI)
OPA548T-1 (TI)
OPA548F/500 (TI)
OPA548FKTWTG3 (TI)
OPA548TG3 (TI)
OPA548F/500G3 (TI)
OPA548T-1G3 (TI)
OPA548EVM (TI)
OPA548 (TI)
OPA548FKTW (TI)
OPA548F (TI)